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1、材料现代研究方法,主讲人：祖国胤材料成型与控制工程研究所,电子显微镜(electron microscope，EM)一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产生散射的原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。近年来，由于电子光学的理论及应用发展迅速，这一定义已显示出其局限性，目前重新定义电子显微镜为一项利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴定微区域晶体结构、微细组织、化学成份、化学键结合和电子分布情况 的电子光学装置。,绪 论,用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电子显微技术。众所周知，现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种物
2、理化学性能的功能材料。而材料的性能往往取决于它的微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各种环境因素作用下等）的微观结构和微区成分的变化，进而揭示材料成分工艺微观结构性能之间关系的规律，建立和发展材料科学的基本理论。,电子显微技术发展历史,电子显微镜的发展历史可追溯至1897 年，英国科学家J.J.Thomson发现了电子；到了 1912年，发现X光衍射现象，经Bragg的深入研究，一举奠定了X光的波性和利用电磁波衍射决定晶体结构的方法。1924 年，De Broglie 发表了质波说；
3、1926 年 Heisenberg等发展和丰富了量子力学，创立了电子波质二元论的理论基础。电子既然具有波性，则也应该有衍射现象;1927 年美国 Davisson等以电子衍射实验证实了电子的波性。在电子显微镜结构方面，最主要的电磁透镜源自J.J.Thomson作阴极射线管实验时观察到电场及磁场可偏折电子束。后人进一步发现可借助电磁场聚焦电子，产生放大作用。电磁场对电子的的作用与光学透镜对光波的作用非常相似，因而发展出电磁透镜。,1934年，Ruska在实验室制作第一部穿透式电子显微镜transmission electron microscope，TEM)，1938 年，第一部商售电子显微镜问
4、世。20世纪40年代，常用的50 至100 keV 的TEM 的分辨率约在l0 nm左右，而最佳分辨率在2至3 nm之间。当时由于试样制备的困难及缺乏应用的动机，所以很少被物理科学研究者使用。直到1949年，Heidenreich制成适于TEM观察的铝及铝合金薄膜，观察到因厚度及晶体面不同所引起的像对比效应，并成功的利用电子衍射理论加以解释。由此获得一些与材料性质有关的重要结果，才使材料界人士对TEM看法有所改变。但因为观察用试样制备困难，因此该技术发展缓慢。直到20世纪50年代中期，由于成功地采用TEM观察到不锈钢中的位错，再加上制样方法的改进，TEM技术才得以广泛应用，成为一种重要的材料分
5、析手段。,(l)试片的研磨。(2)TEM一般的分辨率由2.5 nm提高到数埃。(3)双聚光镜的应用可获得漫散射程度小、强度高、直径在微米左右的电子束，增加了TEM微区域观察的能力。(4)晶体中缺陷电子衍射成像对比理论的发展。(5)试样在TEM中的处理，如倾斜、旋转等装置得到实际化应用，克服了制样存在的困难。,透射电子显微镜（TEM）正是这样一种能够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是选区电子衍射技术的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份分析，可以得到材料微观全面的信息。,扫描式电子显微镜(scanning electr
6、on microscope，SEM)原理的提出与发展，约与TEM 同时；但直到1964年，第一部商售SEM才问世。由于SEM是研究物体表面结构及成份的有效手段，试样制作较容易，目前已被广泛使用。扫描电子显微镜（SEM）具有较高的分辩率和很大的景深，可清晰地显示粗糙样品的表面形貌，并以多种方式给出微区成份等信息，用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂的原因和机理，以及其它方面的应用。,电子探针（EPMA）是在扫描电镜的基础上配上波谱仪或能谱仪的显微分析仪器，它可以对微米数量级侧向和深度范围内的材料微区进行相当灵敏和精确的化学成份分析，基本上解决了鉴定元素分布不均匀的困难。,1.3 电子束与物质作
7、用,图1.1显示电子与材料试样作用所产生的讯号。电子显微镜主要原理为在收集、分辨各种讯号的基础上，经过相应处理，得到能够反映所分析试样的晶体结构、微细组织、化学成份、化学键类型和电子分布情况的有效信息。该类讯号可分为三类：(一)电子讯号，又可细分为：1.未散射电子（透射电子）2.散射电子(包括弹性、非弹性反射和穿透电子及被吸收电子)3.激发电子(包括二次电子及俄歇电子(Auger electron),X射线衍射仪 电子探针仪 扫描电镜X 射 线 二次电子韧致辐射 入射电子 背散射电子阴极荧光 吸收电子 俄歇电子 试 样 透射电子 衍射电子 俄歇电镜 透射电子显微镜 电子衍射仪图13 电子与物质
8、相互作用产生的信息及相应仪器,1.4 电子显微技术近年进展,近年来TEM及SEM的功能日新月异，TEM主要发展方向为：1.高电压：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样，现场观察辐射损伤;减少波长散布像差;增加分辨率等。2.高分辨率：已发展到厂家保证最佳解像能力为点与点间0.18 nm、线与线间0.14nm。美国于1983年成立国家电子显微镜中心，其中，1000 keV的原子分辨电子显微镜其点与点间的分辨率达0.17nm，可直接观察晶体中的原子。3.分析装置：如附加电子能量分析仪，可鉴定微区域的化学组成。4.场发射电子光源:具有高亮度及契合性，电子束可小至1 nm。除适用于微区域
9、成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术。,在SEM方面，一方面提高分辨率，同时在SEM上附加上诸如X射线探测微分析仪等分析仪器，以辨别物质表面的结构及化学成分等。近年来，电子显微镜的发展趋势表现为将TEM与SEM结合为一，取二者之长制成扫描穿透式电子显微镜(scanning transmission electron microscope，STEM)，其分析功能更加强大，可全面的得到各种有效信息，这种仪器也被称为分析电子显微镜(analytical electron Microscope)。,1.5 电子显微镜与光学显微镜、X射线衍射仪特性 及功能的比较 近代材料学者利用许多波性粒子与材料作用产生的讯号来分析材料的构造与缺陷。常用分析仪器包括光学显微镜、X射线衍射仪及电子显微镜。这些分析仪器各有所长，同时也各有不足之处。以下将以上三种分析仪器的特性、功能及适用范围列于表1.3，最有效的分析方法在于适宜地配合使用各种仪器，从而达到研究目的。,主要分析仪器的比较,
