材料分析测试技术课件第九章.ppt
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1、 第九章 复型技术9-1 概 述 9-2 质厚衬度原理 9-3 一级复型和二级复型 9-4 萃取复型与粉末样品 9-2 质厚衬度原理 质厚衬度是建立在非晶体样品中原子对入射电子的质厚衬度是建立在非晶体样品中原子对入射电子的散射和透射电子显微镜小孔径角成像基础上的成像原理,散射和透射电子显微镜小孔径角成像基础上的成像原理,是解释非晶态样品是解释非晶态样品(如复型如复型)电子显微图像衬度的理论依据。电子显微图像衬度的理论依据。一、单个原子对入射电子的散射当一个电子穿透非晶体薄样品时,将与样品发生当一个电子穿透非晶体薄样品时,将与样品发生相互作用,或与原子核相互作用,或与核外电子相互作用,或与原子核
2、相互作用,或与核外电子相互作用,由于电子的质量比原子核小得多,所相互作用,由于电子的质量比原子核小得多,所以原子核对入射电子的散射作用,一般只引起电以原子核对入射电子的散射作用,一般只引起电子改变运动方向,而能量没有变化子改变运动方向,而能量没有变化(或变化甚微或变化甚微),这种散射叫做弹性散射。散射电子运动方向与,这种散射叫做弹性散射。散射电子运动方向与原来人射方向之间的夹角叫做散射角,用原来人射方向之间的夹角叫做散射角,用 来表示,来表示,如图如图9-19-1所示。散射角所示。散射角 的大小取决于瞄准距离的大小取决于瞄准距离 ,原子核电荷,原子核电荷Z Ze e和入射电子加速电压和入射电子
3、加速电压U U,其关系如,其关系如下下 或或 可见所有瞄准以原子核为中心,为半径的圆内的人射电子将被散射到大于 的角度以外的方向上去。所以可用 来衡量一个孤立的原子核把人射电子散射到比角度大的方向上去的能力,习惯上叫做弹性散射截面,用n来表示,即n=但是,当一个电子与一个孤立的核外电子发生散射作用时,由于两者质量相等,散射过程不仅使入射电子改变运动方向,还发生能量变化,这种散射叫做非弹性散射。散射角可由下式来定入射电子对核外电子的瞄准距离;e电子电荷。所有瞄准以核外电子为中心,re为半径的圆内的入射电子,也将被散射到比角大的方向上去。所以也可用 来衡量一个孤立的核外电子把入射电子散射到比角大的
4、方向上去的能力,习惯上叫做核外电子非弹性散射截面,用 来表示,即 一个原子序数为Z的原子有Z个核外电子。因此,一个孤立原子把电子散射到。以外的散射截面,用 来表示,等于原子核弹性散射截面 和所有核外电子非单性散射截面Z 之和,即 。原子序数越大,产生弹性散射的比例就越大。弹性散射是透射电子显微成像的基础;而非弹性散射引起的色差将使背景强度增高,图像衬度降低。或9-1 概 述 由于电子束的穿透能力比较低,用透射电子显微镜分析的样品非常薄,根据样品的由于电子束的穿透能力比较低,用透射电子显微镜分析的样品非常薄,根据样品的原子序数大小不同,一般在原子序数大小不同,一般在5500nm之间。要制成这样薄
5、的样品必须通过一些特殊之间。要制成这样薄的样品必须通过一些特殊的方法,复型法就是其中之一。所谓复型,就是样品表面形貌的复制,其原理与侦破的方法,复型法就是其中之一。所谓复型,就是样品表面形貌的复制,其原理与侦破案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。复型法实际上是一种间接案件时用石膏复制罪犯鞋底花纹相似。复型法实际上是一种间接(或部分间接或部分间接)的分析的分析方法,因为通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。方法,因为通过复型制备出来的样品是真实样品表面形貌组织结构细节的薄膜复制品。制备复型的材料应具备以下条件:第一是复型材料本身必须是非晶态材料。晶体在制备复型的材料应具
6、备以下条件:第一是复型材料本身必须是非晶态材料。晶体在电子束照射下,某些晶面将发生布拉格衍射,衍射产生的衬度会干扰复型表面形貌的电子束照射下,某些晶面将发生布拉格衍射,衍射产生的衬度会干扰复型表面形貌的分析。第二是复型材料的粒子尺寸必须很小。复型材料的粒子越小,分辨率就越高。分析。第二是复型材料的粒子尺寸必须很小。复型材料的粒子越小,分辨率就越高。例如,用碳作复型材料时,碳粒子的直径很小,分辨率可达例如,用碳作复型材料时,碳粒子的直径很小,分辨率可达2nm左右。如用塑料作复左右。如用塑料作复型材料时,由于塑料分子的直径比碳粒子大得多,因此它只能分辨直径比型材料时,由于塑料分子的直径比碳粒子大得
7、多,因此它只能分辨直径比1020nm大的组织细节。第三是复型材料应具备耐电子轰击的性能,即在电子束照射下能保持大的组织细节。第三是复型材料应具备耐电子轰击的性能,即在电子束照射下能保持稳定,不发生分解和破坏。稳定,不发生分解和破坏。真空蒸发形成的碳膜和通过浇铸蒸发而成的塑料膜都是非晶体薄膜,它们的厚度又真空蒸发形成的碳膜和通过浇铸蒸发而成的塑料膜都是非晶体薄膜,它们的厚度又都小于都小于100nm。在电子束照射下也具备一定的稳定性,因此符合制造复型的条件。在电子束照射下也具备一定的稳定性,因此符合制造复型的条件。目前,主要采用的复型方法是:一级复型法、二级复型法和萃取复型法三种。由于目前,主要采
8、用的复型方法是:一级复型法、二级复型法和萃取复型法三种。由于近年来扫描电子显微镜分析技术和金属薄膜技术发展很快,复型技术部分地为上述两近年来扫描电子显微镜分析技术和金属薄膜技术发展很快,复型技术部分地为上述两分析方法所替代。但是,用复型观察断口比扫描电镜的断口清晰以及复型金相组织和分析方法所替代。但是,用复型观察断口比扫描电镜的断口清晰以及复型金相组织和光学金相组织之间的相似,致使复型电镜分析技术至今仍然为人们所采用。光学金相组织之间的相似,致使复型电镜分析技术至今仍然为人们所采用。二、透射电子显微镜小孔径角成像 为了确保透射电子显微镜为了确保透射电子显微镜的高分辨本领,采用小孔的高分辨本领,
9、采用小孔径角成像。它是通过在物径角成像。它是通过在物镜背焦平面上沿径向插入镜背焦平面上沿径向插入一个小孔径的物镜光阑来一个小孔径的物镜光阑来实现的,如图实现的,如图9-29-2所示。结所示。结果,把散射角大于果,把散射角大于 的电的电子挡掉,只允许散射角小子挡掉,只允许散射角小于。的电子通过物镜光阑于。的电子通过物镜光阑参与成像。参与成像。三、质厚衬度成像原理(9-3)衬度是指在荧光屏或照相底片上,眼睛能观察到的光强度或感光度的差别。电子显微 镜图像的衬度取决于投射到荧光屏或照相底片上不同区域的电子强度差别。对于非晶体样品来说,入射电子透过样品时碰到的原子数目越多(或样品越厚),样品原子核库仑
10、电场越强(或样品原子序数越大或密度越大),被散射到物镜光阑外的电子就越多,而通过物镜光阑参与成像的电子强度也就越低。下面讨论非晶体样品的厚度、密度与成像电子强度的关系。如果忽略原子之间的相互作用,则每立方厘米包含N个原子的样品的总散射面积为式中 N单位体积样品包含的原子数,(密度;A原子量;阿伏加德罗常数)原子散射截面。所以 如果如射到如果如射到1 1 样品表面积的电子数为样品表面积的电子数为n n当其穿透当其穿透dtdt厚度样品后有厚度样品后有dndn个电子被散射到光阑外,即其减小率为个电子被散射到光阑外,即其减小率为dn/n,dn/n,因此有因此有(9-4)-若入射电子总数为 (t=0),
11、由于受到t厚度的样品散射作用,最后只有n个电子通过物镜光阑参与成象。将式(9-4)积分得到(9-5)由于电子束强度I=ne(e为电子电荷),因此上式可写为(9-6)上式说明强度为 的入射电子穿透总散射截面为Q,厚度为t的样品后,通过物镜光阑参与成象的电子强度I随Qt乘积增大而呈指数衰减。当Qt=1时(9-7)叫临界厚度,即电子在样品中受到单次散射的平均自由程。因此,可以认为,t 的样品对电子束是透明的,相应的成象电子强度为(9-8)(9-9)还由于若定义t为质量厚度,那么参与成象的电子束强度I随样品质量厚度t增大衰减。当Qt=1时(9-10)我们把 叫临界质量厚度。随加速电压的增加,临界质量厚
12、度 增大下面我们来推倒质厚衬度表达式。如果以 表示强度为 的入射电子,通过样品A区域(厚度 ,总散射截面 )后,进入物镜光阑参与成象的电子强度;表示强度为 的入射电子,通过样品B区域(厚度 ,总散射截面 )后,进入物镜光阑参与成象的电子强度,那么投射到荧光屏或照相底片上相应的电子强度差 (假定 为象背景强度)。习惯上以 /来定义图象中A区域的衬度(或反差),因此(9-11)因为 所以 (9-12)这说明不同区域的Qt值差别越大,复型的图象衬度越高。倘若复型是同种材料制成的,如图9-3(a)所示,则 ,那么上式可简化为(当 Qt 远小于1时)(9-13)这说明用来制备复型的材料总散射截面Q值越大
13、或复型相邻区域厚度差别越大(后者取决于金相试样相邻区域浮雕高度差),复型图像衬度越高。一般认为肉眼能辨认的最低衬度不应小于 5%,则复型必须具有的最小厚度差(9-14)如果复型是由两种材料组成的,如图9-3(b)所示,假定凸起部分总散射截面为 ,此时复型图形衬度为(当 远小于1时)(9-15)9-3 一级复型和二级复型 一、一级复型一、一级复型 一级复型有两种,即塑料一级复型和碳一级复型。一级复型有两种,即塑料一级复型和碳一级复型。(一一)塑料一级复型塑料一级复型 图图9-49-4是塑料一级复型的示意图。在已制备好的金相是塑料一级复型的示意图。在已制备好的金相样品或断口样品上滴上几滴体积浓度为
14、样品或断口样品上滴上几滴体积浓度为1 1的火棉胶醋酸的火棉胶醋酸戊酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液,溶液在样品表面展平,戊酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液,溶液在样品表面展平,多余的溶液用滤纸吸掉,待溶剂蒸发后样品表面即留下多余的溶液用滤纸吸掉,待溶剂蒸发后样品表面即留下一层一层100nm100nm左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从左右的塑料薄膜。把这层塑料薄膜小心地从样品表面上揭下来,剪成对角线小于样品表面上揭下来,剪成对角线小于3 mm3 mm的小方块后,的小方块后,就可以放在直径为就可以放在直径为3mm3mm的专用铜网上,进行透射电子显的专用铜网上,进行透射电子显微分析。从微分析。从 图图9-4
15、9-4中可以看出,这种复型是负复型,也中可以看出,这种复型是负复型,也就是说样品上凸出部分在复型上是凹下去的。在电子束就是说样品上凸出部分在复型上是凹下去的。在电子束垂直照射下,负复型的不同部分厚度是不一样的,根据垂直照射下,负复型的不同部分厚度是不一样的,根据质厚衬度的原理,厚的部分透过的电子束弱,而薄的部质厚衬度的原理,厚的部分透过的电子束弱,而薄的部分透过的电子束强,从而在荧光屏上造成了一个具有衬分透过的电子束强,从而在荧光屏上造成了一个具有衬度的图像。如分析金相组织时,这个图像和光学金相显度的图像。如分析金相组织时,这个图像和光学金相显微组织之间有着极好的对应性。微组织之间有着极好的对
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- 材料 分析 测试 技术 课件 第九
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