1、材料當代研究方法主講人：祖國胤 教授 博士生導師 課時數：32課時，包含4節試驗課 課程類型：公共平臺課 考評方式：考試課（開卷）材料科學與工程學院 材料加工系第1頁電子顯微鏡 (electron microscope，EM) 普通是指利用電磁場偏折、聚焦電子及電子與物質作用所產生散射原理來研究物質結構及微細結構精密儀器。近年來，因為電子光學理論及應用發展快速，這一定義已顯示出其不足，當前重新定義電子顯微鏡是利用電子與物質作用所產生訊號來判定微區域晶體結構、微細組織 、化學成份、 化學鍵結合和電子分布情況電子光學裝置。緒 論第2頁用電子光學儀器研究物質組織、結構、成份技術稱為電子顯微技術。眾所

2、周知，當代科學技術快速發展，要求材料科學工作者能夠及時提供含有良好力學性能結構材料及含有各種物理化學性能功效材料。而材料性能往往取決于它微觀結構及成份分布。所以，為了研究新材料或改進傳統材料，必須以盡可能高分辨能力觀察和分析材料在制備、加工及使用條件下（包含相變過程中，外加應力及各種環境原因作用下等）微觀結構和微區成份改變，進而揭示材料成份工藝微觀結構性能之間關系規律，建立和發展材料科學基本理論。第3頁電子顯微技術發展歷史電子顯微鏡發展歷史可追溯至1897 年，英國科學家J.J. Thomson發覺了電子；到了 19，發覺X光衍射現象，經Bragg深入研究，一舉奠定了X光波性和利用電磁波衍射決

3、定晶體結構方法。1924 年， De Broglie 發表了質波說；1926 年 Heisenberg等發展和豐富了量子力學，創建了電子波質二元論理論基礎。電子既然含有波性，則也應該有衍射現象; 1927 年美國 Davisson等以電子衍射試驗證實了電子波性。 在電子顯微鏡結構方面，最主要電磁透鏡源自J.J. Thomson作陰極射線管試驗時觀察到電場及磁場可偏折電子束。后人深入發覺可借助電磁場聚焦電子，產生放大作用。電磁場對電子作用與光學透鏡對光波作用非常相同，因而發展出電磁透鏡。 第4頁 1934年，Ruska在試驗室制作第一部穿透式電子顯微鏡(transmission electron

4、 microscope，TEM)， 1938 年，第一部商售電子顯微鏡問世。20世紀40年代，慣用50至100keV TEM分辨率約在l0nm左右，而最正確分辨率在2至3nm之間。當初因為試樣制備困難及缺乏應用動機，所以極少被物理科學研究者使用。直到1949年，Heidenreich制成適于TEM觀察鋁及鋁合金薄膜，觀察到因厚度及晶體面不一樣所引發像對比效應，并成功利用電子衍射理論加以解釋。由此取得一些與材料性質相關主要結果，才使材料界人士對TEM看法有所改變。但因為觀察用試樣制備困難，所以該技術發展遲緩。直到20世紀50年代中期，因為成功地采取TEM觀察到不銹鋼中位錯，再加上制樣方法改進，T

5、EM技術才得以廣泛應用，成為一個主要材料分析伎倆。 第5頁(l) 試片研磨。 (2) TEM普通分辨率由2.5nm提升到數埃。 (3) 雙聚光鏡應用可取得漫散射程度小、強度高、直徑在微米左右電子束，增加了TEM微區域觀察能力。 (4) 晶體中缺點電子衍射成像對比理論發展。 (5)試樣在TEM中處理，如傾斜、旋轉等裝置得到實際化應用，克服了制樣存在困難。 透射電子顯微鏡發展第6頁 透射電子顯微鏡（TEM）是一個能夠以原子尺度分辨能力，同時提供物理分析和化學分析所需全部功效儀器。尤其是選區電子衍射技術應用，使得微區形貌與微區晶體結構分析結合起來，再配以能譜或波譜進行微區成份分析，能夠得到材料微觀全

6、方面信息。透射電子顯微鏡功效第7頁掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope，SEM)原理提出與發展，約與TEM 同時；但直到1964年，第一部商售SEM才問世。因為SEM是研究物體表面結構及成份有效伎倆，試樣制作較輕易，當前已被廣泛使用。掃描電子顯微鏡（SEM）含有較高分辯率和很大景深，可清楚地顯示粗糙樣品表面形貌，并以各種方式給出微區成份等信息，用來觀察斷口表面微觀形態，分析研究斷裂原因和機理，以及其它方面應用。 第8頁 電子探針（EPMA）是在掃描電鏡基礎上配上波譜儀或能譜儀顯微分析儀器，它能夠對微米數量級側向和深度范圍內材料微區進行相當靈敏和準確化學成

7、份分析，基本上處理了判定元素分布不均勻困難。電子探針功效第9頁 電子束與物質作用 圖1.1顯示電子與材料試樣作用所產生訊號。電子顯微鏡主要原理為在搜集、分辨各種訊號基礎上，經過對應處理，得到能夠反應所分析試樣晶體結構、微細組織、化學成份、化學鍵類型和電子分布情況有效信息。該類訊號可分為三類： (一) 電子訊號，又可細分為： 1.未散射電子（透射電子） 2.散射電子(包含彈性、非彈性反射和穿透電子及被吸收電子) 3.激發電子(包含二次電子及俄歇電子(Auger electron) 第10頁 X射線衍射儀 電子探針儀 掃描電鏡X 射 線 二次電子熒光輻射 入射電子 背散射電子陰極熒光 吸收電子 俄

8、歇電子 試 樣 透射電子 衍射電子 俄歇電鏡 透射電子顯微鏡 電子衍射儀圖13 電子與物質相互作用產生信息及對應儀器第11頁電子顯微技術近年進展 近年來TEM及SEM功效日新月異，TEM主要發展方向為： 1.高電壓：增加電子穿透試樣能力，可觀察較厚、較具代表性試樣，現場觀察輻射損傷; 降低波長散布像差; 增加分辨率等。 2.高分辨率：已發展到廠家確保最正確解像能力為點與點間0.18nm、線與線間0.14nm。美國于1983年成立國家電子顯微鏡中心，其中，1000keV原子分辨電子顯微鏡其點與點間分辨率達0.17nm，可直接觀察晶體中原子。 3.分析裝置：如附加電子能量分析儀，可判定微區域化學組

9、成。 4.場發射電子光源: 含有高亮度及契合性，電子束可小至1 nm。第12頁 SEM方面，首先提升分辨率，同時在SEM上附加諸如X射線探測微分析儀等分析儀器，以區分物質表面結構及化學成份等。 近年來，電子顯微鏡發展趨勢表現為將TEM與SEM結合為一，取二者之長制成掃描穿透式電子顯微鏡(scanning transmission electron microscope，STEM) ，其分析功效愈加強大，可全方面得到各種有效信息，這種儀器也被稱為分析電子顯微鏡 (analytical electron Microscope) 。第13頁第14頁電子顯微鏡與光學顯微鏡、X射線衍射儀特征 及功效比較 近代，從事材料科學研究人員利用許多波性粒子與材料作用產生訊號來分析材料結構與缺點。慣用分析儀器包含光學顯微鏡、X射線衍射儀及電子顯微鏡。這些分析儀器各有所長，同時也各有不足之處。以下將以上三種分析儀器特征、功效及適用范圍進行歸納對比，最有效分析方法在于適宜地配合使用各種儀器，從而到達研究目標。第15頁主要分析儀器比較儀器類別光學顯微鏡X射線衍射儀電子顯微鏡質波可見光X 光電子波 長390760nm 0.001100nm 0.0007nm(加速電壓1000kV)介質空氣空氣真 空分辨率最高到達200nm，有效放大倍率1000倍X射線衍射: 直接成像: