电子显微与扫描探针相关技术.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子显微与扫描探针相关技术,(2),内层空穴,外层的电子,充填，,多余的能量,以无辐射过程传给,第二个电子,，并使之发射出来，这种电子称为,俄歇电子,，这一过程即,俄歇跃迁,。,点分辨率的测量方法：一般是采用重金属蒸发粒子制成的样品进行观察和拍照。,磁透镜激磁电流电源。,相反，电子束直径减小，激发深度会增加，而侧向空间会缩小。,点分辨本领:是指在电子图像上能分辨开的试样上，相邻两点间的最小距离。,可以写成L=R d,d=L/R,Au晶格条纹 0.,第二聚光镜与物镜之间有较大空间，可以安放样品台和其他附件。,这些衬度原理是透射电子显微镜图像分析的基础。,1939年，德国西门子公司生产了分辨率优于10nm的显微镜,在特征X射线从样品中发射出来的过程中，有一部分特征X射线会激发另一些元素的内层电子而产生特征X荧光射线。,电子投影射到荧光屏上时，将会出现与电子分布强度成比例的可见光图像.,一般有物镜，中间镜和投影镜组成。,如果激发光源不是,高能量电子,而是,X,射线,时，也会产生,俄歇电子,，这一过程也是,俄歇跃迁过程,。,照相曝光时间仅需几秒钟，,能量在：几-几十eV ：在紫外和可见光区（电棒）,Au晶格条纹 0.,这样就会被吸收一部分，同时还会激发X荧光射线。,非弹性散射截面i,iZ1/3/V,由于第二聚光镜为弱激磁透镜，像差较大？必须采用:,当人眼的分辨距离为D，电镜点分辨率是r时，有效放大率M=D/r。,透射电子显微镜的图像衬度主要有:,（2）聚光镜聚光镜:是用来会聚电子枪发射出的电子束照射样品，调节照射强度，孔径角和束斑直径的大小。,第二章 透射电子显微分析,透射电子显微镜的图像衬度主要有:,实际上电子与物质的作用比上述介绍复杂的多,这里仅作简单介绍.,电子束对试样的穿透能力就强。,投影镜是一个强激磁的、短焦距透镜，具有较高的放大倍数。,将照相装置的快门打开，也就是把荧光光屏翻起，即可使照相底片曝光。,一些高能量的电子被固体样品吸收时，将在样品中激发产生许多自由电子和相同数量的正离子，即所谓的电子-空穴对。,大部分在23ev范围,H He,不能产生俄歇电子和特征,X,射线,?,K L,1,L,2,K,层被电离,L,1,电子填充,K,层空穴，多余的能量转给,L,2,上的电子，并使其发射出来。,俄歇电子谱仪,可进行样品,表面成分分析,，以及进行,表面形貌的观察,。,2.1.4,阴极荧光,一些,不导电,的样品在,高能电子,作用下发射的,可见光信号,叫做,阴极荧光,它是由这些物质的,价电子,在,受激态,与,基态,之间进行,能级跃迁,直接释放,波长比较长,，,能量比较低,的波。,能量在：几,-,几十,eV ,：在紫外和可见光区（电棒）,2.1.5,电子束感生电效应,一些,高能量的电子,被固体样品,吸收,时，将在样品中激发产生许多,自由电子,和,相同数量的正离子,，即所谓的电子,-,空穴对。,自由电子,:,离开,样品表面变成,二次电子,，,但绝大部分,自由电子,将与,离子化的原子,复合。,金属复合时间仅需,10,-12,S,半导体,复合时间,长达几秒种,这段时间内，样品中形成,多余的电荷载流子,（自由电子和空穴）将对,半导体,有限的,导电性,产生了很大的,影响,。,如样品,两端加上,由外接,直流电源,建立的,电位差,，这些多余,自由电子,和,空穴,将向,异性电极运动,，在外接的电路中，即可检测到,电流信号,，,电子束感生电导信号,。,如果,电荷载流子,遇到某种,障碍,，例如,位错附近杂质原子聚集的区域,，将形成不同的,电位,，在,不同部位之间,出现的,电位差,叫,电子束感生电压信号,。,对半导体材料和固体电路的研究，,电子束感应电效应,是非常有用的,物理信号,检测固体中的各种缺陷。,2.2,不同物理信息产生的空间位置,在,高能量的电子束,作用下，固体样品将在,一定的空间区域,产生,各种物理信息,。,虽然各种物理信息的分布区域没有,严格的界限,，但大体可看出,空间区域的不同,。,认识了解这些,空间分布的特点,对利用,各种物理信息,有着重要的,实际意义,。,在研究样品,表面特征,，样品,形貌特征,，样品,元素成分特点,以及,晶体结构特点,时，都应充分考虑,这种空间位置,造成的影响。,2.2.1,几中物理信息产生的空间位置,图表示了各种,物理信息空间分布特征,，清楚了解,不同物理信息,产生的,不同空间位置,，对电子显微分析学习是,非常重要的,。,（,1,）俄歇电子能量：一般是在,50,2000eV,，,逸出深度：约在,2nm,（,2,3,个原子层）,俄歇电子,反映出试样,表面成份,和,形貌,。,表面成份,和,形貌的分析,（,2,）二次电子的空间位置,二次电子能量：,一般小于,10eV,大部分在,2,3ev,范围,逸出深度：一般,约为,5,10nm,。,二次电子,产率,与,形貌有关,，分辨率为,6nm,主要用于,扫描电镜,的,图像观察分析,（,3,）背散射电子的空间位置,背散射电子比二次电子、俄歇电子的能量,都大一些,，,逸出,深度也深,的多，,所以背散时电子,图像分辨率较差？,。,由于,背散射电子产额,与试样的,平均原子序数,有着,密切关系,平均原子序数,高,，,背散射电子产额,就,高。,所以,背散射电子,像不仅可以表示,形貌特点,，还是一种,成分表征像,。,（,4,）特征,X,射线的空间位置,特征,X,射线的,能量比较高,，一般在,1,15KeV,，,逸出深度,：一般为,几个微米,。,特征,X,射线从较,深处逸出,，会在,样品中经过一段路程,这样就会被,吸收一部分,，同时还会激发,X,荧光射线,。,（,5,）连续,X,射线,连续,X,射线能量,比较高,，是高速电子束轰击样品时,突然,改变速率而产生,的，是具有一系列,连续波长,的,电磁波总和,一般在,1,15Kev,，,逸出深度,一般为,几个微米,。,在,电子探针定量分析,中，,连续,X,射线造成,的背景,是,应该扣除的,。,（,6,）,X,荧光射线,高能量的电子束轰击样品,时，会产生,特征,X,射线,和,连续,X,射线,。,在,特征,X,射线,从样品中,发射出来,的过程中，有一部分,特征,X,射线会激发,另一些元素的,内层电子,而产生,特征,X,荧光射线,。,另外从,样品中发射出来,的,连续,X,射线,也会激发一些,连续,X,荧光,射线。,X,荧光射线,一般在,1,15KeV,逸出深度一般为,几个微米,。,电子探针定量分析,过程中，必须进行,X,荧光校正？,。,（,7,）透射电子的穿透,电子束带有负电,，,穿透能力很差,，,只有当样品很薄,时,电子才能穿透样品,，,一般情况下要求,样品薄膜厚度小于,200nm,，有时,甚至要求样品,在,10nm,左右,。,透射电镜,就是,观察透射电子成像规律的,。,2.2.2,各种物理信息的空间变化,（,1,）与,加速电压,的关系,上述各种物理信息产生的,深度,与,加速电压变化,有,密切关系,。,加速电压增大,，物理信息逸出的,深度,也回相应,加深,，,空间也会相应扩大,。,电子,穿透能力,也随,加速电压而变强,。,（,1,）,电子束直径的关系,物理信息产生的,空间变化,与,电子束直径,有密切的关系。,当,加速电压不变,时，,电子束直径,越大,，激发,深度,会,减小,，而,侧向空间,却相应,扩大,。,相反，电子束,直径减小,，激发,深度,会,增,加,，而,侧向空间,会,缩小,。,总之，,电子束,和,物质,的相互作用是,复杂的,，既决定于,电子束,的作用特点，又决定于,物质本身,内在特征。,实际上,电子与物质的作用,比,上述介绍复杂的多,这里仅作简单介绍,.,对这些,基本作用,，以及产生的,物理特点,，应该,清楚理解,。,第二章 透射电子显微分析,引言,：,1933,年，德国物理学家,卢什卡,（,Ruska,）等研制成,第一台透射电子显微镜,。,1939,年，,德国西门子公司,生产了分辨率优于,10nm,的显微镜,1986,年,E.Ruska,与发明,STM,的,G.,Binning,和,H.,Rohrer,一道获得诺贝尔物理学奖,1986,年,诺贝尔物理学奖获,恩斯特,.,鲁斯卡 宾尼希 罗雷尔,现代,高性能的透射电子显微镜,点,分辨本领,可达到，,放大倍数,可达,80,100,万倍以上，,并具备,多方面,的,综合分析,功能。,利用,透射电子显微镜,观察研究,微观世界,，使人们进入了,原子、分子、物质微结构的世界,1.,透射电子显微镜构造,透射电子显微镜,是以,短波长电子束,作为,照明源,，用,电磁透镜聚焦成像,的一种,高分辨本领，高放大倍数,的,电子光学仪器,。,主要：,电子光学系统,（镜体）（重要）,真空系统,和,电子器件系统,组成。,1.1,电子光学系统（镜体）,电子光学系统：,照明系统,，,成像,系统，,图像观察，记录,系统,及,样品室,等,电子显微镜体剖面图见下图,1.1.1,电子照明系统,电子照明,系统包括：,电子枪,，,聚焦镜,以及,电子束平移,，,倾斜,，,对中调节装置,等组成。,（,1,）,电子枪,透射电子显微镜常采用的是,热阴极三极电子枪,，它由,阴极,、,栅极,和,阳极,组成,（见下图）,阴极发射,的,电子束波长,可以用,1/2,求出。,栅极,对,阴极电子束流发射,有,稳定作用,，,会聚作用,等。,阳极接地,，,阴极接负高压,，,保证工作安全，,加速电压,一般为,50,200KV,。,电子枪,采用在,阳极后排列若干个加速极,，最后一,加速电极,和,阴极之间,的,电位差,为总的,加速电压,。,近年来也采用：,六硼化镧阴极电子枪,场发射电子枪,可提高,电镜,的,分辨本领,。,（,2,）聚光镜,聚光镜,:,是用来,会聚电子枪发射出,的,电子束照射样品，调节照射强度,，,孔径角,和,束斑直径的大小。,双聚光镜,工作原理见,下图,第一聚光镜,采用,强激磁透镜,，可将,电子枪第一交叉点直径,缩小到,1/10,1/50,，,电子束斑直径缩小,到,5,1m,；,第二聚光镜,将,束斑,按,1,：,1(:2),投射,到试样,平面,上。,第二聚光镜,与,物镜,之间有,较大空间,，可以安放,样品台,和,其他附件,。,由于第二聚光镜为,弱激磁透镜,，,像差,较大？,必须采用,:,光栏,（孔径一般为,100,、,200,、,500m,）来降低,球差？,消散像器,，消除,像散,。,(3),对中装置,的,作用：,是改变,电子束的方向和位置,，以便使,电子束和成像系统,合轴,或,成一小角度,（一般,2,o,3,0,）达到,垂直照明，倾斜照明,，得到,明场像,和,暗场像,。,对,中装置,采用,电磁偏转器调节,。,1.1.2,电子成像系统,透镜电子显微镜成像系统,一般有,物镜,，,中间镜,和,投影镜,组成。,磁透镜数目,与,最大放大倍数有关,，,它们也决定透射电子显微镜的,分辨本领,（,1,）,物镜,透射电子显微镜的,分辨本领,主要取决于,物镜,，,物镜,:,是用来形成,第一幅高分辨电子像,和,电子衍射花样,的,磁透镜,。,物镜,的,焦距,应尽量,短,，,球差、色差、像散,等应,尽量小,，,获得,高放大倍数和高分辨率本领,。,常用物镜,为,强激磁,、,短焦距,（,2mm,左右）的,磁透镜,，,放大率,为,100,200,倍。,同时采用,物镜光栏,（一般孔径,25,100m,）和,消像散器,，可进一步降低,球差,，消除,像散,，进一步,提高分辨本领,。,试样,放在,物镜,的,前焦面,附近，可以得到,放大倍数高的图像。,（,2,）中间镜,中间镜,是一个,弱激磁,的,长焦距变透镜,，其,电流,的可调,范围比较大,，,调节,中间镜电流,可以使,放大倍数,从,0,变化到,20,倍,，从而使整个成像系统的,放大倍数,改变？。,当,中间镜放大倍数大于,1,时，用来进一步,放大物,镜像,当,中间镜放大倍数小于,1,时，则用来,缩小物,镜像,一台透射电镜可以有,一个或几个中间透镜,电子衍射,时，有,一个中间镜,起,衍射透镜作用,。,（,3,）,投影镜,投影镜,是一个,强激磁的,、,短焦距透镜,，具有,较高,的,放大倍数,。,它的,作用,:,是将,物镜和中间镜,形成的,电子图像,或,电子衍射谱,进一步,放大投射,到,荧光屏上,（,4,）三级成像系统,简单的,透射电子显微镜,是有,物镜，一个中间镜和一个投影镜组成的三级成像系统,三级高倍成像,物镜成像于中间镜,之,上,；,中间镜,以,物镜像,为,物,，,成像于投影镜之上,；,投影镜,以中间镜,像,为,物,，,成像于荧光屏,或,照相底片上,。,三级成像的电子光路图,如图（,a,）所示,电镜的放大倍率,可以,很大,，只要改变,一个透镜的放大倍率,，,总放大率,就可,改变,。当调节,透镜电流,时，,放大率,可,连续改变？,。,对于电镜中的磁透镜，物距（,p,），像距（,q,）和焦距（,f,）应满足下列关系式,若,物镜的放大率,为,M,0,，,中间镜,放大率为,M,I,，,投影镜,的放大率为,Mp,则,成像系统的总放大率,(2),三级中倍成像,如适当改变,物镜激磁强度,，使物镜成像于中间镜,之下,，,中间镜,以,物镜像,为“,虚物,”，将其形成为,缩小的实像,于,投影镜之上,，,投影镜,以,中间镜像,为,物,，成像,于荧光屏或照相底片上,。,结果获得,中等放大倍数的像,，约,几千至几万倍,，光路图如图（,b,）所示。,（,3,）,二级低倍成像,当,关闭物镜,，减弱,中间镜激磁强度,，使,中间镜,起,长焦距物镜,的作用，成像于投影镜,之上,，投影镜以,中间镜像,为,物,，成像于,荧光屏或照相底片,上。,获得,100,300,倍，,视域较大的图象,，以便为,高倍观测选定区域,。,如图（,c,）所示。,（,4,）多级成像系统,高性能,的,透射电子显微镜,具有,多级成像系统,。,如,四级成像系统,，除,物镜,和,投影,镜外，还有,两个中间镜,。,如,五级,成像，除物镜外，有,两个,中间镜，,两个,投影镜。,从成像原理看，多级与三级成像原理系统相似。,图像观察和记录系统,电子显微镜采用,荧光屏观察图像,和,照相方式记录,。,电子投影射,到,荧光屏,上时，将会出现与,电子分布强度成比例,的,可见光图像,.,将,照相装置,的,快门打开,，也就是把,荧光光屏翻起,，即可使,照相底片曝光,。,记录下,电子强度分布图像,电子感光片,是一种对,电子束曝光敏感,，颗粒很小的,溴化物,乳胶底片，,照相曝光时间仅需几秒钟，,采用电磁快门，曝光均匀。,采用计算机控制，可拍系列照片等。,由于荧光屏分辨率比人眼好，因此只要仪器调整好，拍摄的照片上能够得到更好的细节。,1.1.4,样品室和样品台,透射电子显微镜的样品室,有,一定的空间,，可以装配各种,不同功能的样品台,外，还可以安装,一些探测器,，如,二次电子探测器,、,x,射线能谱仪探测器,、,电子能量损失谱,仪,探测器等。,此外，还可以装入,倾斜台,、,旋转台,、,冷台,、,热台,及,拉伸台,等这样利用一台透射电镜，可以进行,广泛的研究,达到,多功能的效果。,1.2,真空系统,保持透射电子显微镜体,的,高真空,是,正常工作所必须的条件,。,(1),在空气中，,运动的电子与气体碰撞,而,散射时,，,电子能量很快减小,，使得,电子的平均自由路径很小,。,在电子显微镜中，从,电子枪灯,照到,荧光屏,的距离约为,1m,，为了使电子的,平均自由路径大于,这个,距离,，需要优于,10,2,Pa,的,真空度,。,(2),电子枪,处于,高真空状态下,，可以保证,绝缘性能,良好，可以避免,高压放电,，保持,高压状态,稳定，进而使,电子照明,效果良好。,(3),高真空可以,延长电子枪,的,寿命,，保证了透射电子显微镜较长时间内工作条件稳定。,(4),试样处于高真空中可以,减小污染,等，使,电子图像,质量提高。,高分辨的透射电子显微镜,，,加速电压,很,高,，为,200KV,左右,这就必须使真空度更高，,真空度,要优于,1.3310,4,1.3310,5,Pa,为了达到,透射电子显微镜体内的高真空,，,通常采用,旋转机械泵抽前级真空,，使,真空度达到,再用,油扩散泵抽高真空,，使,真空度,达到,1.3310,3,Pa,。,若要,更高的真空,，可以用,离子吸附泵,等。,1.,3,电器系统,电器系统包括：,电子枪高压电源。,磁透镜激磁电流电源。,电对中系统、消像散器、真空阀门、,照相及自动控制系统的电器电源。,真空系统电源。,安全保护电器，自动关闭真空阀,门；如真空不良，高压电压不稳,时，自动关机。,透射电镜的计算机控制系统,2.,透射电子显微镜的性能,透射电子显微镜的性能主要有以下几点：,分辨本领,、,放大倍数,、,加速电压,、,衍射相机长度,、,自动化程度,，,以及仪器所具备的各种功能等,。,分辨本领（分辨率）,透射电子显微镜的分辨本领,：是,表征电子显微镜,观察物质,微观细节,的,能力,，是指示,仪器水平,的,首要指标,，也是,电子显微镜性能,的,综合性指标,。,高分辨电子显微镜,的,点分辨率,可达到。,点分辨本领,:,是指在,电子图像,上能,分辨开的试样上,，,相邻两点间的最小距离,。,点分辨率的测量方法：一般是采用,重金属蒸发粒子,制成的,样品,进行,观察和拍照,。,从电子图像上观察测量,两个斑点之间的,最小,距离,，除以,图像放大倍数,，就得到,分辨率的数值,。,线分辨率或晶格分辨率,：是指,电子图像上能分辨的,最小晶面间距,。,Au,晶格条纹,0.14nm,2.2,放大倍率,透射电子显微镜的,放大倍率,：是指,电子图像,相对,试样的线性放大倍数,。,有效放大倍数,：是将,最小可分辨距离,放大到,人眼可以分辨的尺寸,所需要的,放大倍数,。,有效放大率,是与仪器,分辨率,相对应的,。,当人眼的分辨距离为,D,，电镜点分辨率是,r,时，有效放大率,M=D/r,。,仪器的,最高放大率,大于,有效放大率,，但放大率太高是没有意义的。,它不可能提高仪器的,分辨率,，也不可能看清,更小的,细节。,例：,D,0.1mm(,人眼分辨本领,),，,r,（,TEM,分辨本领）。,M,有效,D/r=0.1mm/310,-7,mm=330000,一般点分辨率是的,TEM,放大倍率应具有,33,万倍以上。,所以最高放大倍率在,60,80,万倍是合适的。,为了,普查试样选择视场,需要有,50,100,倍的低倍率,，,一台,TEM,放大倍率一般在,50,800000,倍，连续可调。,2.3,加速电压,加速电压,是指,电子枪,阴极,灯丝,相对于,阳极,的电压,，它决定,电子束的波长和能量,。,加速电压高,时，,电子束的波长短,、,能量大,。,电子束对试样的穿透能力就强,。,加速电压高,，有利于获得,高分辨图像,?,，对试样造成的,电子辐射损伤,也,比较大,。,一般,TEM,加速电压在,50,200KV,，超高压透射电子显微镜加速电压在,1000KV,以上。,2.4,相机长度,相机长度：是指电子衍射分析时一个仪器常数，是,试样,到,照相底片,的,距离,。,图所示电子衍射的基本几何关系,。,L,：相机长度,R,：是底片上衍射斑点到透射斑点的距离。,可以看出：,tg2=R/L,因为布拉格方程中,2sin=/d,由于电子衍射中的衍射角非常小，一般只有,1,0,2,0,tg22sin,/d=R/L,可以写成,L=R d,d,=L/R,式中,:,为电子束的波长,，可根据加速电压,计算出,值。,d:,是指衍射斑点对应的那一组面网间距离值。,仪器可显示出相机长度数值,L,或者用已知,d,值的晶体样品测量相机长度,3,透射电子,显微图像,原理,电子束与物质作用的过程是很复杂的。,透射电子显微镜的,图像衬度,主要有,:,散射（质量厚度）衬度,、,衍射衬度,和,相位差衬度,这些,衬度原理,是透射电子显微镜,图像分析的基础,。,3,.,1,电子的散射,入射电子,与,原子核,的作用主要发生,弹性散射,，而,核外电子,的作用主要发生,非弹性散射。,入射电子,被试样中,原子散射,后，,偏离入射方向的角度,称为,散射角,。,一个电子,被,原子散射,，,散射角,大于或等于,某一定角,的,概率,称为,该试样物质对电子的,“,散射截面,”用,表示。,包括,:,弹性散射截面,e,，,e,Z,4/3,/V,非弹性散射截面,i,i,Z,1/3,/V,Z:,原子序数；,V,：加速电压,=,e,+,i,可见，随,原子序数,Z,的,增加,，,散射截面,增加,。,重元素,比,轻元素,对,电子的散射能力强,;,随加速电压（,V,）的增加,，,散射截面下降,，试样对,电子,的,散射能力,减小,。,由于,非弹性散射电子方向,改变,导致能量损失,、,造成色差,，使,图像的清晰度下降？,。,将,弹性散射截面,与,非弹性散射截面,对比，可以得到,e,/,i,=,（,Z,4/3,/V,）,（,V/Z,1/3,）,Z,从式中可以看出，原子序数,（,Z,）,越小，,非弹性散射所占的比例越大,，,利用,散射电子成像时,，由于,轻元素试样,成像的,色差较大,，因此,图像清晰度下降？,。,3.2,散射（质量厚度）衬度的形成,试样上,各部位,由于,质量、厚度,不同，,散射能力不同,所形成的,衬度,，称为,散射衬度,（质量厚度衬度）,质量厚度衬度的形成如图所示,透过试样的电子带有散射信息,，由于,物镜光栏,挡住了,大散射角的电子,，只有,部分电子,可以,通过光栏孔,。,当,电子束强度,为,I,0,，照射在试样,A,、,B,点。,穿过,A,点、,B,点的电子强度为,I,A,、,I,B,，成像于荧光屏上,由于电子束穿过试样上,不同点后,的,散射情况不同,。则形成,A,B,电子像,亮度不同,。若,I,A,I,B,，荧光屏上,A,点比,B,点暗。,同理,试样上其他所有点,对,电子束散射能力不同,，就会形成,明暗反差,的,电子图像,。也称为,明场像,。,暗场像,则是用,物镜光栏挡住,直接,透过的电子,，使,散射电子,从光栏孔,穿过,成像,。,谢谢观看,谢谢观看,