1、資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除。材料分析技術掃描電子顯微鏡基本原理理論基礎: , 電子波長由加速電壓V決定。電子與物質的相互作用二次電子: 從距樣品表面100埃左右深度范圍內激發出來的低能電子, 能量較低。因此二次電子的反射區域與入射電子束轟擊的區域重合度很好, 故成像分辨率很高。表面形貌信息的主要來源, 也能夠觀測磁性材料和半導體材料。背散射電子: 除了能夠顯示表面形貌外, 還能夠顯示元素分布狀態和相輪廓。吸收電子: 這部分電子在試樣和地之間形成的電流等于入射電子流和反射電子流的差額, 能夠用來顯示樣品元素表面分布狀態和試樣表面形貌。X射線: 進行微區元素的定性和定

2、量分析。掃描電子顯微鏡就是經過電子槍發射高能量的電子束, 與樣品之間發生相互作用, 產生各種電子和射線, 并將其收集轉換成信號。分辨本事: 幾十到一百埃。所得圖像二次電子像產生的二次電子被旁邊的正電位收集極經轉換后變成圖像信號。二次電子的反射量主要取決于樣品表面的起伏狀況, 如果電子束垂直于表面入射, 則二次電子反射量很小。且二次電子像是一種無影像。表面電位會影響二次電子量的變化, 因此能夠利用電壓發差效應研究半導體器件的工作狀態。背散射電子像收集極電位為零, 不經加速, 因此背散射電子像是一種有影像。背散射電子發射量還與樣品的原子序數有關, 原子序數越大, 散射量越大, 因此還能夠反映樣品表

3、面平均原子序數分布。但背散射電子像分辨本事較差。吸收電流像研究晶體管或集成電路的PN結性能與晶體缺陷和雜質的關系。X射線及X射線顯微分析當具有一定能量的入射電子束激發楊平時, 樣品中的不同元素將受激發射特征X射線。各種元素特征X射線波長與其原子序數Z之間存在著一定的關系, 能夠用莫賽萊定律表示: 。能量色散法( EDX) 對樣品的要求觀測的樣品必須為固體( 塊狀或粉末) , 在真空條件下能保持長時間的穩定。有水分的樣品應進行預先的干燥; 有氧化層的樣品需剝離氧化層; 有油污的樣品應先清洗干凈。觀測樣品表面應具有良好的導電性。導電性不好的樣品表面容易積累電荷, 嚴重影響成像質量。對于不導電的樣品

4、能夠預先鍍上一層金屬。樣品大小應滿足要求用波長色散X射線光譜儀進行元素分析時, 分析樣品應事先進行研磨拋光。透射電子顯微術基本原理用電子波代替光波來觀察物體。分辨本事:點分辨率由于3埃, 晶格分辨率( 晶面間距) 達到1-2埃。襯度原理襯度: 圖像上明、 暗( 或黑白) 的差異稱為圖像的襯度。散射襯度( 質量-厚度襯度) 由于試樣上各部位散射能力的不同所形成的襯度稱為散射襯度。與原子序數的關系: 物質的原子序數越大, 散射電子的能力越強, 在明場像中成像越暗; 物質的原子序數越小, 散射電子的能力越弱, 在明場像中成像越亮。與試樣厚度的關系: 暗的部位對應的試樣厚, 亮的部位對應的的試樣薄。與

5、物質密度的關系: 這種反差一般比較弱。衍射襯度與X射線的衍射類似, 電子衍射也遵循布拉格定律, 即: 波長為的電子束照射到晶體上, 當電子束的入射方向與晶面間距為d的一組晶面之間的夾角為是滿足下列關系式: 與X射線衍射相比, 電子衍射的特點: 電子衍射的波長比X射線的波長短得多, 因此衍射角很小; 電子衍射有可能研究晶粒很小或者衍射作用相當弱的樣品, 但只適用于研究薄的晶體; 能夠將晶體樣品的顯微像和電子衍射花樣結合起來。電子衍射花樣: 單晶體-規則排列的衍射斑點; 多晶體-同心環狀衍射花樣; 無定形試樣-彌散環。晶面間距的計算: ; 其中, L為相機長度; R為衍射底片上衍射斑點到投射斑點之

6、間的距離; d為晶面間距。對樣品的要求透射電鏡樣品置于載樣銅網上, 銅網的直徑為2mm3mm, 所觀察的試樣最大長度不超過1mm。電鏡能觀察的結構范圍由若干微米到幾。樣品必須薄到電子束能夠穿透。具體厚度視加速電壓大小和樣品材料而異, 在100kV 加速電壓下, 一般樣品的厚度不能超過一兩千埃。電鏡鏡筒中處于高真空狀態, 只能研究固體樣品。樣品中若含有水分、 易揮發物質及酸堿等腐蝕性物質, 需事先加以處理。樣品需要有足夠的強度和穩定性,在電子轟擊下不致損壞或變化, 樣品不荷電。重金屬投影: 對于由輕元素組成的有機物、 高分子聚合物等樣品對電子的散射能力差, 在電子圖像上形成的襯度很小, 不易分辨

7、, 能夠采用重金屬投影來提高襯度。應用分析固體顆粒的形狀、 大小、 粒度分布等問題。研究由表面起伏現象表現的微觀結構問題。研究樣品中的各種部分對電子的散射能力有差異的微觀結構問題。電子衍射分析: 確定晶體的點陣結構、 測定點陣常數、 分析晶體取向以及晶體缺陷等問題。X射線衍射技術X射線的產生經過高能熱電子轟擊金屬靶來產生X射線。如圖5.2所示, 原子核被電子所圍繞, 電子分布在K、 L、 M等層, 如果一個K層的電子被從燈絲射出的高能離子所激勵, K層會馬上被外面基層的電子所填充, 從L層躍遷到K層所產生的特征輻射稱為K。Cu K的產生的X射線波長為1.54。布拉格定律當接近原子間距的短波長的

8、X射線、 電子射線及中子射線被用于晶體時, 衍射現象才會在晶體的晶面上發生。晶體中的原子有規律地排列著, 當X射線入射時首先與原子周圍的電子相互作用。當人射X射線中的光子與上面的電子碰撞時, 一些光子會偏離入射方向,類似于撞球被另一個撞球彈開, 發生散射。散射的X射線能夠顯示出晶體內部的電子分布的信息。而且, 因為電子分布與晶體中原子的位置有密切的關系, 因此我們能夠從衍射檢測的結果判斷晶體的結構。如果衍射波的光程差是它們波長的整數倍, 那么將滿足下面的被稱為布拉格定律的方程, 而且衍射波之間不但發生干涉還會彼此加強。經過衍射圖我們能夠推知晶體結構、 晶體大小、 內應力和成分。粉末多晶法粉末多

9、晶法是X射線衍射分析得一種常見方法。在這種方法中, 粉末樣品必須在研缽或球磨機中充分研磨, 因為這個過程所產生的均勻粉末包括所用可能的微晶取向。如果研磨不充分, 由于被研磨的粉末中會包含桿狀或片狀的晶體, X射線衍射圖的衍射峰可能隨晶體的特殊取向而發生變化。X射線衍射儀所能進行的工作判斷結晶和取向經過照片判斷經過衍射圖判斷峰尖銳: 結晶態; 峰平坦: 無定形態2.物相的定性和定量分析定性分析: 與標準衍射峰( ICDD衍射數據) 進行對比, 確定物相組成。定量分析: 含量與衍射峰的強度有關。3.點陣常數的測定一種簡介的方法, 直接測量某晶面( hkl) 所對應的角, 然后經過布拉格方程、 晶面

10、間距公式進行計算。以立方晶體為例: ( d經過布拉格公式進行計算) 結晶度的測定結晶峰的面積與總面積的比值晶粒尺寸的測定應力的測試應力會導致峰出現漂移現象。X射線光電子能譜和俄歇電子能譜XPS和AES的工作原理光致電離( XPS) 光致電離是指一個能量為h的X射線光子從原子、 離子或分子中激發出一個或多個電子的物理過程。光電子的動能, 其中, EB為電子的結合能。由于不存在兩種元素具有相同的電子結合能, 因此根據EB的值能夠推斷出元素的種類。除此之外, 受激原子的初態和末態都會影響EB能量。如果原子的初態能量改變, 例如經過與其它原子形成化學鍵或局部化學、 物理環境變化, 那么原子中該電子的結

11、合能也會發生變化。原子失去電子后變為正的化合價, 則光電子和原子核的之間的結合力會增大, 因此能譜圖整體向高能方向漂移。區別同一元素不同氧化態和化學環境是XPS技術的主要優點之一。俄歇電子的產生基本的產生過程: 樣品在電子束的轟擊下, 內殼層失去一個電子形成初始空位。初始空位被處于較高能級的電子所填充, 同時釋放出能量。能量傳遞給第三個電子, 即俄歇電子, 以無輻射的方式逸出樣品。逸出的俄歇電子動能與激發粒子的能量無關。深度的分布為實現樣品組成隨深度變化分析, 在XPS和AES設備上引入離子束濺射系統, 以從樣品表面刻蝕材料。典型基本過程包括: 從樣品表面濺射掉一個薄層、 停止濺射、 檢測。對

12、于樣品的要求必須在超高真空環境中穩定。樣品表面需很潔凈, 污染濃度應低于可探測下限。對于導電樣品, 最好使用回紋針或螺栓, 選用導電技術膠帶。對于不導電樣品, 需用額外的電子腔進行補償。XPS技術的常規參數最大探測極限: 100ppm; 最小檢測面積: 10-200微米; 樣品尺寸的限制: 30*30cmAES、 XPS、 EDS的比較檢測深度: EDS為幾個微米, AES和XPS為幾個納米。探測元素: AES能夠探測Li以上的元素; XPS能夠探測He以上的元素; EDS能夠探測Na以上的元素。AES相比于XPS的不足之處: 高能電子束的轟擊會造成樣品表面的損壞。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡

13、( STM和AFM) 工作原理掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡都屬于掃描探針顯微鏡( SPM) 。掃描隧道顯微鏡的工作原理勢壘:樣品的真空帶隙。距離: 樣品與針尖的距離z。隧穿電流與z呈指數變化, 樣品與針尖的距離改變一個3原子大小, 隧道電流改變1000倍。原子力顯微鏡的工作原理利用針尖原子和樣品原子間短程斥力造成敏感的微懸臂完全變形, 當掃描樣品時, 激光能夠測量微懸臂的彎曲變形。在x、 y、 z位置上的掃描經過壓電轉換器來顯示。分辨率STM和AFM對于平整樣品的檢測能夠達到亞埃的分辨率。波動光學圖像與掃描探針技術所成圖像的分辨率有明顯的不同之處: 前者受到衍射限制, 而后者基本上受到探針針尖的幾何結構和樣品表面結構的限制。操作模式掃描隧道顯微鏡恒流模式和恒高模式原子力顯微鏡接觸模式針尖與樣品表面緊密接觸, 存在斥力。事先設定一個變形值, 在掃描過程中, 如果測得變形值與設定值不同, 反饋放大器給壓電管施加電壓, 使樣品相對于針尖升高或降低, 以恢復到設定的變形值。缺點: 可能會對樣品造成破壞。非接觸模式針尖位于樣品表面上方50150進行掃描。作用于針尖與樣品間的范德瓦耳斯引力被測量出來,