《电子显微分析技术及其在材料科学中的应用》讲义

电子显微分析技术及其在 材料科学中的应用

电子显微分析技术及其在 材料科学中的应用

材料科学的发展需要有现代分析方法作 为基础和支撑 确定材料的成分和体系(金属、陶瓷、高分子、复合材料; 结构、功能材料)后,再结合制造加工工艺的优化,改变 和控制晶体结构及显微组织,这样,才能使材料的使用性 能提高到一个新的水平 ·现代工艺设备及技术的发展支持了制造工艺的发展和进步。 ·现代分析技术及仪器设备的发展支持了对晶体结构和显微 组织研究的深化 ·现代测试方法及仪器设备的发展支持了对材料性能(自身 具备的)和使用性能(自身具备的性能和环境条件结合后 表现的性能)的测试研究

材料科学的发展需要有现代分析方法作 为基础和支撑 • 确定材料的成分和体系(金属、陶瓷、高分子、复合材料； 结构、功能材料)后， 再结合制造加工工艺的优化，改变 和控制晶体结构及显微组织，这样，才能使材料的使用性 能提高到一个新的水平。 • 现代工艺设备及技术的发展支持了制造工艺的发展和进步。 • 现代分析技术及仪器设备的发展支持了对晶体结构和显微 组织研究的深化。 • 现代测试方法及仪器设备的发展支持了对材料性能（自身 具备的）和使用性能（自身具备的性能和环境条件结合后 表现的性能）的测试研究

材料科学与工程的研究内容以及 相互间的关系 材料成分(体系) 现代制造工艺一制造工艺 现代分析仪 设备的发展 显微结构器的发展 使用性能 性能 (与环境有关) (自身具备) 现代测试仪器的发展

材料科学与工程的研究内容以及 相互间的关系 材料成分（体系） 现代制造工艺 设备的发展 制造工艺 显微结构 现代分析仪 器的发展 使用性能 （与环境有关） 现代测试仪器的发展 性能 （自身具备）

电子显微镜的发展 1924年德布罗意提出微观粒子的波粒两重性原理,并 计算出电子的波长比可见光的短得多 1926年 Busch建立了几何电子光学理论 1934年Kno和 Ruska发明了电子显微镜。52年后的 1986年与1981年发明的扫描隧道显微镜共同获得了诺 贝尔奖 1939年西门子推出了世界上第一台商品电子显徼镜, 1949年推出第二种型号。 1965年第一批商品化的扫描电子显微镜在英国问世。 我国情况:1958年生产了第一台透射电子显微镜, 1975年生产了第一台扫描电子显微镜

电子显微镜的发展 • 1924年德布罗意提出微观粒子的波粒两重性原理，并 计算出电子的波长比可见光的短得多。 • 1926年Busch建立了几何电子光学理论。 • 1934年Knoll和Ruska发明了电子显微镜。52年后的 1986年与1981年发明的扫描隧道显微镜共同获得了诺 贝尔奖。 • 1939年西门子推出了世界上第一台商品电子显微镜， 1949年推出第二种型号。 • 1965年第一批商品化的扫描电子显微镜在英国问世。 • 我国情况：1958年生产了第一台透射电子显微镜， 1975年生产了第一台扫描电子显微镜

光的反射、折射和全反射 ·反射:入射角等于反射角i=f ·折射:当光线由折射率比较小的介质(如空气)进入 折射率比较大的介质(如玻璃)时,折射光线靠近法 线;反之,折射光线将偏离法线。nsij=nsin;n、 n分别为介质1和2的折射率 全反射:当光线由折射率大的介质向折射率小的介质 入射时,随着入射角的增大折射角将增加得更大。这 时反射光增强,折射光减弱。当入射角大于临界角i。 时,只有反射光而没有 光,称为全反射 图22光的反射和折射123光的全反射现象(B点示光源,n>n

光的反射、折射和全反射 • 反射：入射角等于反射角 i = i” • 折射：当光线由折射率比较小的介质（如空气）进入 折射率比较大的介质（如玻璃）时，折射光线靠近法 线；反之，折射光线将偏离法线。n sin i = n’sin i’, n、 n’分别为介质1和2的折射率。 • 全反射：当光线由折射率大的介质向折射率小的介质 入射时，随着入射角的增大折射角将增加得更大。这 时反射光增强，折射光减弱。当入射角大于临界角 ic 时，只有反射光而没有折射 光，称为全反射

薄透镜的成像 透镜可以使光线会聚或发散,使物象放大或缩小。 ·在透镜的光轴上总可以找到一点F,如果把点光源放在 在该点上,则通过透镜后的光线会成为平行光,F点称 为透镜的物方焦点,F点到透镜光心的距离称为物方焦 距。如果入射光为平行光,通过透镜后会被会聚在F 点上,称为象方焦点,同样也有象方焦距 ·正透镜:物在两倍焦聚之外,得到缩小倒 立的实象。物在焦聚之内,得到放大正立 的虚象 负透镜:物在透镜 象方焦平 前任何位置,得到 缩小正立的虚象 物方焦平面象方焦十卤 图26透镜的焦点,焦平面示意图 图2-9薄透镜成象作图法

薄透镜的成像 • 透镜可以使光线会聚或发散，使物象放大或缩小。 • 在透镜的光轴上总可以找到一点F，如果把点光源放在 在该点上，则通过透镜后的光线会成为平行光，F点称 为透镜的物方焦点，F点到透镜光心的距离称为物方焦 距。如果入射光为平行光，通过透镜后会被会聚在F’ 点上，称为象方焦点，同样也有象方焦距。 • 正透镜：物在两倍焦聚之外，得到缩小倒 立的实象。物在焦聚之内，得到放大正立 的虚象。 负透镜：物在透镜 前任何位置，得到 缩小正立的虚象

光学显微镜的光学系统 透镜1、2构成物镜,透镜3、4构成目镜。从A-B物体 上反射的光线通过物镜,在透镜内折射后落到目镜的 透镜3上,并在透镜3的后面形成一倒立的放大实像 B’一A,在这个地方放置一个目镜光阑,限 制边缘部分的光线。通过放大镜4观察物像 B’一A,构成一倒立放大的虚像B”-A”。 圖10显微鏡光学采簌 示意岡

光学显微镜的光学系统 • 透镜1、2构成物镜，透镜3、4构成目镜。从A—B物体 上反射的光线通过物镜，在透镜内折射后落到目镜的 透镜3上，并在透镜3的后面形成一倒立的放大实像 B’—A’，在这个地方放置一个目镜光阑，限 制边缘部分的光线。通过放大镜4观察物像 B’—A’，构成一倒立放大的虚像B”—A

电子的波长与加速电压的关系 λ电子的波长:A=h/mv h一普朗克常数;m—电子质量;电子速度 动能等于位能,电子的速度与加速静电位φ有一定的关 系 1/2 mv=e- v=v2ep/ m (3)代入(1)得 2eg 150p(A--(4) 若p=100kV,A=0.04A 光学玻璃透镜最大孔径半角为70-—750,分辨率可 以达到照明光波长的1/2。但是电子显微镜的孔径半 角很小,大约在10-2—-10-3弧度左右。所以电子显 微镜的分辨率约为2A水平,比光学显徼镜高1000倍 左右

电子的波长与加速电压的关系  电子的波长：λ= h / mv-----------------(1) h—普朗克常数; m—电子质量; v—电子速度. • 动能等于位能,电子的速度与加速静电位 有一定的关 系 . 1/2 mv2=e---------------(2) v=2e / m---------------(3) 代 入 (1) 得 λ=h / 2e m= 150/  (Å )---(4) 若 =100kV, λ=0.04 Å • 光学玻璃透镜最大孔径半角为70——75o ，分辨率可 以达到照明光波长的1/2。但是电子显微镜的孔径半 角很小，大约在10-2——10-3弧度左右。所以电子显 微镜的分辨率约为2 Å 水平，比光学显微镜高1000倍 左右

电子在均匀磁场中的运动轨迹 1电子的初速U0与磁场强度H垂直时,受到的 Lorentz 力F=eD0H半径R=mvo)(eH 2电子的初速U0与磁场强度H斜交成a角,电子的运 动轨迹最终是一条螺旋线。 D ocos a,b=bosin a, R=(m mosin a )/eH, h=(2 r m ucos a)/eH 3实际情况是利用靠近轴旁的那部分电子来成象,α角 非常小(102∽103弧度),从P出发的电子,都将会 聚在尸处。xx 图2.2电子在均匀 磁场中的运动 图23电子在磁场中的运动 (初速秒与H垂直) (初速与H成a角度)

电子在均匀磁场中的运动轨迹 • 1 电子的初速υ0与磁场强度H垂直时,受到的 Lorentz 力F=eυ0 H, 半径 R=(mυ0 )/ (eH) • 2 电子的初速υ0与磁场强度H斜交成α角，电子的运 动轨迹最终是一条螺旋线。 υ z =υ0 cosα , υ⊥=υ0 sinα , R=(m υ0 sinα)/eH, h=(2πmυ0 cosα)/eH • 3 实际情况是利用靠近轴旁的那部分电子来成象, α角 非常小（10-2 ∽10-3弧度）,从P出发的电子，都将会 聚在P’处

电子显微分析仪器工作的基本原理 电子在磁场中运动时受到劳伦兹力的作用会发生偏转。 只要设计出合理的磁场强度和分布——磁透镜,电子 通过该磁透镜就会发生聚焦。因此,磁透镜对电子東 来说,也具有像玻璃透镜对可见光一样的参量——一焦 点、焦距、焦面。 具有一定能量的离子、电子和光子束与物质相互作用 时,可产生各种不同的信息,收集分析这些信息,就 可以了解被作用物质的特性。如果能将这种“三子” 聚焦成微细束斑,则可进行物质的微区分析工作

电子显微分析仪器工作的基本原理 • 电子在磁场中运动时受到劳伦兹力的作用会发生偏转。 只要设计出合理的磁场强度和分布——磁透镜，电子 通过该磁透镜就会发生聚焦。因此，磁透镜对电子束 来说，也具有像玻璃透镜对可见光一样的参量——焦 点、焦距、焦面。 • 具有一定能量的离子、电子和光子束与物质相互作用 时，可产生各种不同的信息，收集分析这些信息，就 可以了解被作用物质的特性。如果能将这种“三子” 聚焦成微细束斑，则可进 行物质的微区分析工作