材料电子显微分析技术与应用
电子显微镜(简称电镜)经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。我国的电子显微学也有了长足的进展。电子显微镜的创制者鲁斯卡(E.Ruska)教授因而获得了1986年诺贝尔奖的物理奖。
电子与物质相互作用会产生透射电子,弹性散射电子,能量损失电子,二次电子,背反射电子,吸收电子,X射线,俄歇电子,阴极发光和电动力等等。电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。电子显微镜有很多类型,主要有透射电子显微镜(简称透射电镜,TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜,SEM)两大类。
半个多世纪以来电子显微学的奋斗目标主要是力求观察更微小的物体结构、更细小的实体、甚至单个原子,并获得有关试样的更多的信息,如标征非晶和微晶,成分分布,晶粒形状和尺寸,晶体的相、晶体的取向、晶界和晶体缺陷等特征,以便对材料的显微结构进行综合分析及标征研究。近来,电子显微镜(电子显微学),包括扫描隧道显微镜等,又有了长足的发展。
1.透射电子显微镜
透射电子显微镜（英语：Transmission electron microscope，缩写TEM），简称透射电镜，是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关，因此可以形成明暗不同的影像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1～0.2nm，放大倍数为几万～百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构，又称“亚显微结构”。常见的透射电镜如图1所示。
图1常见的透射电镜
1.1 透射电子显微镜的构造及原理
透射电镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍率的电子光学仪器。它由三个系统，即光学系统，真空系统和电子线路控制系统成。
1.1.1 光学系统
透射电镜的光学系统即镜筒是电镜的主体。它从电子源起一直到观察记录系统为止，由数个电磁透镜部件组成，如上图电镜是由二个聚光镜，试样室，
物镜，
中间镜和二个投影镜以及观察室所组成，如图2所。
图2透射电镜光学系统
照明系统。它由电子枪和二个聚光镜组成。它的功能是提供一个亮度大、尺寸小的照明光斑。亮度是由电子发射强度决定的,而光斑大小主要由聚光镜的性能所决定的。普通电镜都采用发夹式钨灯丝。为了获得更好的亮度,有些电镜采用，灯丝或场发射电子枪。
成像系统。透射电子显微镜的成像系统由物镜、中间镜(1、2个)和投影镜(1、2个)组成。成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。照明系统提供了一束相干性很好的照明电子束，这些电子穿越样品后便携带样品的结构信息，沿各自不同的方向传播(比如，当存在满足布拉格方程的晶面组时，可能在与入射束交成2q角的方向上产生衍射束)。物镜将来自样品不同部位、传播方向相同的电子在其背焦面上会聚为一个斑点，沿不同方向传播的电子相应地形成不同的斑点，其中散射角为零的直射束被会聚于物镜的焦点，形成中心斑点。这样，在物镜的背焦面上便形成了衍射花样。而在物镜的像平面上，这些电子束重新组合相干成像。通过调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。通过两个中间镜相互配合，可实现在较大范围内调整相机长度和放大倍数。由衍射状态变换到成像状态，是通过改变中间镜的激磁强度(即改变其焦距)实现的。在这个过程中，物镜和投影镜的焦距不变，中间镜以上的光路保持恒定。通常为了便于图像聚焦，物镜的焦距只需在很小的范围内变化。
从上述成像原理可以看出，物镜提供了第一幅衍射花样和第一幅显微像。物镜所产生的任何缺陷都将被随后的中间镜和投影镜接力放大。可见，透射电镜分辨率的高低主要取决于物镜，它在透射电镜成像系统中占有头等重要的位置。为获得高分辨本领，通常采用强激磁、短焦距物镜。中间镜属长焦距弱激磁透镜。投影镜与物镜一样属强激磁透镜，它的特点是具有很大的景深和焦长。这使得在改变中间镜电流以改变放大倍数时，无须调整投影镜电流，仍能得到清晰的图像，同时容易保证在离开荧光屏平面(投影镜像平面)
一定距离处放置的感光片上所成
的图像与荧光屏上的相同。
1.1.2 记录系统。
透射电镜的最终成像结果，显现在观察室内的荧光屏上，观察室处于投影镜下，空间较大，开有1～3个铅玻璃窗，可供操作者从外部观察分析用。对铅玻璃的要求是既有良好的透光特性，又能阻断X线散射和其他有害射线的逸出，还要能可靠地耐受极高的压力差以隔离真空。
由于电子束的成像波长太短，不能被人的眼睛直接观察，电镜中采用了涂有荧光物质的荧光屏板把接收到的电子影像转换成可见光的影像。观察者需要在荧光屏上对电子显微影像 进行选区和聚焦等调整与观察分析，这要求荧光屏的发光效率高，光谱和余辉适当，分辨力好。目前多采用能发黄绿色光的硫化锌-镉类荧光粉做为涂布材料，直径约在15～20cm。
荧光屏的中心部分为一直径约10cm的圆形活动荧光屏板，平放时与外周荧屏吻合，可以进行大面积观察。使用外部操纵手柄可将活动荧屏拉起，斜放在45°角位置，此时可用电镜置配的双目放大镜,在观察室外部通过玻璃窗来精确聚焦或细致分析影像结构；而活动荧光屏完全直立竖起时能让电子影像通过，照射在下面的感光胶片上进行曝光。
在观察中电子束长时间轰击生物医学样品标本，必会使样品污染或损伤。所以对有诊断分析价值的区域，若想长久地观察分析和反复使用电镜成像结果，应该尽快把它保留下来，将因为电子束轰击生物医学样品造成的污染或损伤降低到最小。此外，荧光屏上的粉质颗粒的解像力还不够高，尚不能充分反映出电镜成像的分辨本领。将影像记录存储在胶片上便解决了这些问题。
现代电镜都可以在底片上打印出每张照片拍摄时的工作参数，如：加速电压值、放大率 、微米标尺、简要文字说明、成像日期、底片序列号及操作者注解等备查的记录参数。观察室与照相室之间有真空隔离阀。以便在更换底片时，只打开照相室而不影响整个镜筒的真空。
电镜的操作面板上的CRT显示器主要用于电镜总体工作状态的显示、操作键盘的输入内容显示、计算机与操作者之间的人机对话交流提示以及电镜维修调整过程中的程序提示、故障警示等。
1.1.3 真空系统
电镜镜筒内的电子束通道对真空度要求很高，电镜工作必须保持在10-3～-４10Ｐa以上的真空度（高性能的电镜对真空度的要求更达10-７Ｐa以上），因为镜筒中的残留气体分子如果与高速电子碰撞，就会产生电离放电和散射电子，从而引起电子束不稳定，增加像差，污染样品，并且残留气体将加速高热灯丝的氧化，缩短灯丝寿命。获得高真空是由各种真空泵来共同配合抽取的。
真空抽气系统是由2部分组成，各为1套机械泵（RP）和扩散泵（DP），分别联接镜体的上半部镜筒部分和下半部照相室部分。抽气过程是：先由机械泵将该部分（如镜筒）真空抽至10-1Pa 以下，由“皮拉尼”真空规（P）监测真空度达到这个值时，提供一个信号送给中央微处理器，由控制电路自动操纵扩散泵启动工作；当（镜筒）真空度达到10-4Pa时，“潘宁”规（PE）发出可以接通镜体电源电路的信号，而如果镜筒因某种 原因突然漏气，真空度一但低于设定值，“潘宁”规（PE）将立即“通知”控制电路切断工作电源。在电镜工作中，镜筒总会或多或少漏进一些气体(不可能绝对密封)，所以真空泵也一直在不停地工作着，使镜体的真空度维持在一个较高的数值，达到平衡状态。在工作过程之中，如需要更换样品，则控制电路自动操纵控制镜体外部的集合电磁阀，向电子枪阀
门（GV）和镜筒阀门（CV）提供气压动力，令其关闭，只给镜筒中部放气，待到换毕样品重 新抽取真空达到原来真空度时，再切断气压动力使两阀门开启，联通镜筒的上下真空和光路通道，余此类推。
1.2 透射电子显微镜应用
1.2.1 电子衍射分析：
（1）电子波
当电子波（具有一定能量的电子）落到晶体上时，被晶体中原子散射，各散射电子波之间产生互相干涉现象。晶体中每个原子均对电子进行散射，使电子改变其方向和波长。在散射过程中部分电子与原子有能量交换作用，电子的波长发生变化，此时称非弹性散射；若无能量交换作用，电子的波长不变，则称弹性散射。在弹性散射过程中，由于晶体中原子排列的周期性，各原子所散射的电子波在叠加时互相干涉，散射波的总强度在空间的分布并不连续，除在某一定方向外，散射波的总强度为零。
（2）电子衍射花样
图3 电子衍射花样示意图
（3）电子衍射与X射线衍射相比的优点
电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来。电子波长短，单晶的电子衍射花样如晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影，从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关取向关系，使晶体结构的研究比X射线简单。物质对电子散射主要是核散射，因此散射强，约为X射线一万倍，曝光时间短。
电子衍射与X射线衍射相比的不足之处：
电子衍射强度有时几乎与透射束相当，以致两者产生交互作用，使电子衍射花样，特别是强度分析变得复杂，不能象X射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构。此外，散射强度高导致电子透射能力有限，要求试样薄，这就使试样制备工作较X射线复杂；在精度方面也远比X射线低。
1.2.2 薄晶体衍衬成像：
（1）样品的制备
电子束对金属薄膜的穿透能力与加速电压有关，
加速电压为：200KV 穿透厚度为：
500nm
加速电压为：1000KV 穿透厚度为：1500nm
对样品的要求：
① 一般金属样品的厚度在500nm 以下
② 样品制备过程中不能改变样品的组织结构
③ 膜应有一定的强度和刚度，操作过程不变形
④ 不产生氧化和腐蚀
（2）工艺过程
由大块试样制备金属薄膜的工艺过程主要分三个步骤：
① 切割成“薄块”，厚度为0.2～0.5mm（有色金属为0.5mm，钢为0.2～0.3mm) ② 预减薄成“薄片”，厚度为：0.05～0.07mm(50~70μm)。（砂纸上磨或化学腐蚀后再磨)
③ 减薄成“薄膜”，＜500nm（0.5μm）（使用双喷电解抛光法穿孔法或双离子束减薄穿孔法）
（3）衍衬成像原理
成像方式如图4所示：
明场像与暗场像
a）中心暗场像 b）中心明场像
图4 成像方式
（4）消光距离
电子波在晶体中传播过程中，入射电子受原子强烈的散射作用，在晶体内部透射波与入射波之间的相互作用实际上是不能忽视的。
（5）衍衬运动学简介
运动学理论有两个先决条件：
① 考虑衍射束和入射束之间的的相互作用。
② 不考虑电子束通过晶体样品时引起的多次反射和吸收。
在满足上述两个条件后，运动学理论是以下面两个基本假设为基础的：
A 光束近似
电子束通过薄晶体试样时，除了透射束外只存在一束较强的衍射束，其它衍射束远远偏离布拉格方程，其强度视为零。而这束较强的衍射束只是接近布拉格条件而不精确符合布拉格条件
B 柱体近似
把成象单元缩小到和一个晶胞相当的尺度，可以假定透射束和衍射束都能在一个和晶胞尺寸相当的晶柱内通过。
2. 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 （声子）、电子振荡 （等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。常见的扫描电子显微镜如图5所示。
图5 扫描电子显微镜
2.1 扫描电子显微镜构造及原理
2.1.1 构造
扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。
（1）真空系统
真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。 真空泵用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM，则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。 成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下原因：
电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。
（2）电子束系统
电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空。但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，但成像不如其他两种明亮，常作为廉价或标准SEM
配置。六硼化镧枪寿命
介于场致发射电子枪与钨枪之间，为200～1000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。
（3）电磁透镜
热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组：
汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成像会焦无关。
物镜：物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。
成像系统电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成像，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成像系统中。
2.1.2 工作原理
SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。
2.2 扫描电子显微镜的应用
2.1.2 二次电子成像技术
二次电子是被入射电子轰击出的原子的核外电子，其主要特点是：
(1)能量小于 50eV ，在固体样品中的平均自由程只有10～100nm，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，因此基本上未向侧向扩散；
(2)二次电子的产额强烈依赖于入射束与试样表面法线间的夹角a , a大的面发射的二次电子多，反之则少。
根据上述特点，二次电子像主要是反映样品表面10 nm左右的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度的形成主要取于样品表面相对于入射电子束的倾角。如果样品表面光滑平整（无形貌特征），则不形成衬度；而对于表面有一定形貌的样品，其形貌可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数不同，从而产生衬度。二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，是扫描电镜的主要成像方式，特别适用于粗糙样品表面的形貌观察，在材料及生命科学等领域有着广泛的应用。
2.1.3 背散射电子成像技术
背散射电子是由样品反射出来的初次电子，其主要特点是：
(1)能量高，从50eV到接近入射电子的能量，穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围大
(2) 被散射电子发射系数η随原子序数Z的增大而增加，如下图6所示。
图6 被散射电子发射系数原子序数关系
由以上特点可以看出，背散射电子主要反映样品表面的成分特征，即样品平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，这样就形成原子序数衬度（成分衬度）。与二次电子像相比，背散射像的分辨率要低，主要应用于样品表面不同成分分布情况的观察，比如有机无机混合物、合金等。