电子显微分析
电子显微分析

(3)电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹看成射线,并由此引入一 系列的集合光学参数来表征电子透镜对于电子射线的聚焦成像作用。
但应注意电镜中的电子光学:
(1)是真空中的静场,即电、磁场与时间无关,且处于真空中。
(2)入射的电子束轨迹必须满足离轴条件:
|
r
|2
0
(1)
dr
2
1
(2)
dz
• 旋转对称的 磁场对电子束有聚焦作用,能使电子束聚焦成像。产生这 种旋转对称非均匀磁场的线圈装置就是磁透镜。
• 目前电子显微镜中使用的是极靴磁透镜,它是在短线圈、包壳磁透镜的 基础上发展而成的。
• 磁透镜的作用使入射电子束聚焦成像。几种磁透镜的作用示意图如下:
• 磁透镜与静电透镜的比较:
磁透镜与静电透镜都可以作会聚透镜,但现代所有的透射电镜除电子光源外都 用磁透镜做会聚镜,主要因为:一是磁透镜的焦距可以做得很短,获得高 的放大倍数和较小的球差;二是静电透镜要求过高的电压,使仪器的绝缘 问题难以解决。
1. 电子在静电场中的运动
电子在静电场中受到电场力的作用将产生加速度。初速度为0的自由电 子从零电位到达V电位时,电子的运动速度v为:
v 2eV
(10)
m
即加速电压的大小决定了电子运动的速度。当电子的初速度不为零、
运动方向与电场力方向不一致时,电场力不仅改变电子运动的能量,
而且也改变电子的运动方向。如图1
近一、二十年,出现了联合透射、扫描,并带有分析附件的分析电镜。 电镜控制的计算机化和制样设备的日趋完善,使电镜成为一种既观察 图象又测结构,既有显微图象又有各种谱线分析的多功能综合性分析 仪器。
80年代后,又研制出了扫描隧道电镜和原子力显微镜等新 型的电子显微镜。 我国自1958年试制成功第一台电镜以来,电镜的设计、制 造和应用曾有相当规模的发展。主要产地有北京和上海。 但因某些方面的原因,国产电镜逐渐被进口电镜取代。
《电子显微结构分析》课件

3 优点
能够观察样品的内部结构和组织,具有更高 的分辨率。
4 缺点
对样品的要求较高,需要制备薄片。
四、电子衍射技术
基本原理
计算方法
通过电子束与样品相互作用后的 衍射现象来确定样品的晶体结构。
根据电子衍射的衍射图案,利用 衍射公式计算出样品的晶格参数 和晶体结构。
应用
用于材料的晶体结构研究和晶体 缺陷分析。
优点
高分辨率,能够观察样品的表面形貌和元素分 布。
成像过程
扫描样品表面,通过收集和分析由扫描电子束 时产生的信号来构建图像。
缺点
不能观察样品的内部结构和组织。
三、透射电子显微镜
1 基本原理
通过透射样品的电子束来观察和分析样品的 内部结构和组织。
2 成像过程
将电子束透射到样品上,通过收集透射电子 的信息来构建图像。
《电子显微结构分析》 PPT课件
本课件将介绍电子显微结构分析的原理和技术,以及最新进展和应用领域, 帮助您深入了解这一领域的知识。
一、什么是电子显微结构分析
电子显微结构分析是一种通过使用电子显微镜和电子衍射技术来观察和分析 材料的微观结构和组织的方法。
二、扫描电子显微镜
基本原理
通过扫描样品表面,利用电子束与样品交互作 用产生的信号来获取图像和表征材料的信息。
五、扫描透射电子显微镜
1
基本原理
结合了扫描电子显微镜和透射电子显微镜的原理,在扫描过程中获取样品的内部结构图像。
2
成像过程
将电子束透射到样品上并进行扫描,通过收集透射电子的信号来构建图像。
3
应用
用于观察材料扫描电 子显微镜
结合多聚焦离子束和电子显微 镜的原理,提高了成像分辨率 和分析能力。
略论“电子显微分析”课程教学

略论“电子显微分析”课程教学
电子显微分析是一门应用化学的实验课程,旨在教授学生使用电子显微镜等仪器对样品进行分析和表征的技术和方法。
本文将从课程的意义、教学内容和方法等方面对电子显微分析课程进行略论。
电子显微分析课程对于化学专业的学生具有重要的意义。
随着科学技术的发展,电子显微镜等仪器逐渐成为化学分析的重要工具。
通过学习电子显微分析课程,学生可以系统地了解和掌握各种电子显微镜的原理、操作和应用,并学习到相关的样品制备技术和数据分析方法。
这不仅有助于培养学生的实验操作能力和科研能力,还有助于提升学生的创新意识和解决问题的能力。
电子显微分析课程内容主要包括电子显微镜的原理与方法,样品制备技术和数据分析方法等。
学生首先需要了解电子显微镜的基本原理,包括透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)的工作原理。
然后学习样品制备的方法,如薄片制备、金属腐蚀、微粒制备等,以及样品处理的技术,例如样品的镀膜、装片等。
学生需要学习数据的采集和分析方法,包括图像处理、能谱分析、晶体学数据分析等。
为了提高教学效果,电子显微分析课程应采用多种教学方法。
应使用多媒体技术展示电子显微镜的原理和操作过程,以便让学生更直观地理解各种概念和技术。
教师应组织学生参与实验操作,培养学生的实践能力,并引导学生观察和思考实验现象,培养学生的科学思维能力。
鼓励学生进行小组合作和讨论,培养学生的团队合作意识和沟通能力。
教师可以设计一些案例分析或综合实验,让学生将所学知识应用到实际问题中,加深对课程内容的理解和掌握。
电子探针显微分析

电子探针显微分析电子探针显微分析(Electron Probe Microanalysis,简称EPMA)是一种用于材料分析的先进技术。
它结合了扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,简称SEM)和能谱仪,能够提供高分辨率的成分分析和元素分布图像。
电子探针显微分析的原理是利用电子束和样品之间的相互作用。
首先,电子束通过集束系统聚焦到样品表面,与样品发生相互作用。
这些相互作用包括:在样品表面产生的次级电子、背散射电子和散射电子。
次级电子是从样品表面弹出的电子,背散射电子是从样品内部产生的电子,散射电子是从相互作用点散射出的电子。
次级电子和背散射电子是电子显微镜的常规成像信号,这部分信号可以用来获得样品的表面形貌和显微结构。
而散射电子则包含了样品的化学信息,通过能谱仪可以对这些散射电子进行能谱分析,获得样品的元素组成。
电子探针显微分析既可以定性分析材料中的元素,也可以定量分析元素的含量。
电子探针显微分析在材料科学、地质学、环境科学等领域广泛应用。
它可以对金属、陶瓷、半导体、岩石等各种材料进行分析。
在材料科学研究中,电子探针显微分析可以用于分析材料中的微观缺陷、晶体结构和化学成分。
在地质学研究中,它可以用于分析岩石样品中的矿物成分和地球化学元素分布。
在环境科学研究中,它可以对大气颗粒物、水体中的溶解物等进行化学成分分析。
除了成分分析,电子探针显微分析还可以进行元素的显微分布分析。
通过调整电子束的扫描区域和扫描速度,可以获得样品中元素的分布图像。
这些图像可以用来研究材料的相分离、溶质迁移和化学反应等过程。
总之,电子探针显微分析是一种强大的材料分析工具。
它提供了高分辨率、高灵敏度的成分分析和元素分布图像,对于研究材料的结构和性质具有重要意义。
未来,随着技术的不断进步,电子探针显微分析将在更多领域展示其潜力和应用价值。
电子显微分析

• 研究对象
– 微结构与显微成分 – 微结构与性能的关系 – 微结构形成的条件与过程机理
• 材料的性能由微结构所决定,人们可通过 控制材料的微结构,使其形成预定的结构, 从而具有所希望的性能。
特点
• 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达 1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝); • 仪器放大倍数变化范围大(从几倍到几十万倍), 且连续可调; • 图像景深大,富有立体感。可直接观察起伏较大 的粗糙表面(如金属和陶瓷的断口等); • 试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或 不导电的试样不加处理或稍加处理,就可直接放 到SEM中进行观察。一般来说,比透射电子显微镜 (TEM)的制样简单,且可使图像更近于试样的真 实状态;
SEM
•
SEM
SEM
SEM
电子束与固体样品相互作用时产生 的物理信号
一、背散射电子 (backscattering electron)
• 背散射电于是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分 入射电子。 • 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 • 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大 于90的那些入射电子,其能量基本上没有变化。 • 弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。 • 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹 性散射而造成的,不仅能量变化,方向也发生变化。 • 如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面,这就形 成非弹性背散射电子。
序ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 在最近20多年的时间内,扫描电子显微镜 发展迅速,又综合了X射线分光谱仪、电子 探针以及其它许多技术而发展成为分析型 的扫描电子显微镜,仪器结构不断改进, 分析精度不断提高,应用功能不断扩大, 越来越成为众多研究领域不可缺少的工具, 目前已广泛应用于冶金矿产、生物医学、 材料科学、物理和化学等领域。
电子显微分析简述

电子显微分析在材料研究中的应用
1、形态分析 2、元素的存在状态分析 3、玻璃的非晶态结构分析 4、材料断面的研究 5、晶界(微观研究) 6、微区结构分析 7、高分子材料的研究 8、………………….等等
电子与固体物质相互作用的物理信号
总结如下:
1、背散射电子 2、二次电子 SEM TEM EPMA
煤灰/硫化物混合颗粒的TEM图象
海盐气溶胶颗粒;匈牙利上空大陆大气层中收集到的煤灰/硫化 物混合颗粒
沙尘暴的矿物颗粒
生物磁铁矿晶体的完好晶形 (TEM照片)
Bi-系超导氧化物的堆积缺陷层调整 Stacking fault(堆垛层错) Layer modulation(层状调制结构)
Back to
矢量与r不垂直。这时g的端点落在第非零层倒易点平面。
与 ruvw 的关系示意图 ruvw
非零层倒易面
g g
零层倒易面
晶体对电子的衍射现象,可用布拉格定律来描 述
2dhkl sinθ = n λ 又等价于衍射方程
k´-k=g
θ sample
Beam
θ g k k′
4. 倒易点阵与电子衍射图的关系
塑料一级复型图像衬度
二
衍射衬度
衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布拉格反射条 件不同和结构振幅的差异。
明场像 上述采用物镜光栏将衍射束挡掉,只让透射束 通过而得到图象衬度的方法称为明场成像, 所得的图象称为明场像。 暗场像 用物镜光栏挡住透射束及其余衍射束,而只让 一束强衍射束通过光栏参与成像的方法,称 为暗场成像,所得图象为暗场像。
O O / O* G 50
在这个平面内的低指数倒易点 都落在反射球上
5. 倒易阵点的权重---结构振幅(结构因数)
篇电子显微分析PPT课件

带有带有极靴的磁透镜
极靴——进一
步缩小磁场轴 向宽度,在环 状间隙两边, 接出一对顶端 成园锥状的极 靴,可使有效 磁场集中到沿 透镜轴几mm范 围。
习题
• 电子波有何特征?与可见光有何异同? • 分析电磁透镜对电子波的聚焦原理,说明电磁透镜
的结构对聚焦能力的影响。 • 电磁透镜的像差是怎样产生的?如何消除和减少像差? • 说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素
安培电流),钨丝表面电子获得大于逸出功的 能量,开始发射
(1)电子枪
• 阳极: • 加速从阴极发射出来的电子,以获得所
须的足够大的动能 • 阳极板放在阴极的下方,阳极板的中心
小孔对准钨丝的尖端 • 一般是阳极接地,阴极带有负高压
(1)电子枪
• 阳极板存在的问题: • 如过分缩小阳极小孔,穿过小孔的电子
光学显微镜的局限性
• 可见光的波长在 • 对玻璃透镜来说,取最
3900~7600埃,则 大孔径半角α=70~750,
其极限分辩率为
在物方介质为油的情况
2000埃
下,,那么其数值孔径
• 半波长是光学玻璃 nsinα=1.25~1.35
透镜分辨本领的理
论极限
∆r。=(1/2)
2.1.2 电子性质
• 高速运动的电子所具有的动能: eU 1 mv 2 2
•
高分辨电镜(HRTEM)
•
透射扫描电镜(STEM)
•
分析型电镜(AEM)等等。
• 入射电子束(照明束)也有两种主要形式:
•
平行束:透射电镜成像及衍射
•
会聚束:扫描透射电镜成像、微分析及微衍射
TEM的主要发展方向:
(1) 高电压:增加电子穿透试样的 能力,可观察较厚、较具代表 性的试样,现场观察辐射损伤; 减少波长散布像差; 增加分辨 率等,目前已有数部2-3MeV的 TEM在使用中。左图为200keV TEM之外形图。
分析电子显微学导论

在样品制备过程中,应避免样品污染,如使用干净的器具、保持 实验室卫生等。
THANK YOU
感谢聆听
药物研发
观察药物与生物大分子之间的相互作用机制,为新药研发提供理论 支持。
医疗器械失效分析
分析医疗器械在使用过程中的失效原因,提高医疗器械的安全性和 可靠性。
04
分析电子显微学的挑战与未来发展
技术挑战
01
02
03
分辨率限制
由于电子散射的限制,电 子显微镜的分辨率受到一 定限制,难以达到原子级 别。
特点
具有高分辨率、高放大倍数、高对比度等优点,能够观察材料的 微观结构和形貌,提供丰富的物理和化学信息。
分析电子显微学的重要性
科学研究
分析电子显微学在材料科学、生物学、医学、环境 科学等领域发挥着重要作用,为科学研究提供有力 的实验手段。
工业应用
在工业生产中,分析电子显微学可用于产品质量控 制、材料性能评估、新产品研发等方面,提高生产 效率和产品质量。
环境科学中的应用
土壤污染
通过电子显微镜观察土壤中重金属离子的分布和 富集情况,评估土壤污染程度。
水质监测
分析水样中微小颗粒物、有机物和微生物的形态 和组成,为水质评价提供依据。
大气污染
观察大气中颗粒物和气溶胶的粒径、形貌和化学 组成,探究其对空气质量和气候变化的影响。
医学中的应用
病理诊断
通过电子显微镜观察病变组织的超微结构,协助医生进行病理诊 断。
医学诊断
分析电子显微学在医学诊断中具有重要价值,如病 理组织学诊断、传染病诊断等,有助于提高疾病诊 断的准确性和可靠性。
分析电子显微学的历史与发展
历史
分析电子显微学的起源可追溯到20 世纪30年代,随着电子显微镜技术 的不断发展和完善,其应用范围也不 断扩大。
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B A
Methods of microstructure analysis
The most commonly used microstructure analysis methods in materials science and engineering
• • • optical microscopy X-ray diffraction electron microscopy
Sumio Iijima (饭岛澄男)discovered carbon nanotubes using TEM in 1991 Nature,354 (1991) 56.
TEM images
Structure model of carbon nanotubes
High resolution TEM (HREM)
Thin specimen
• resolution: <1Å • specimen: thin specimen (10-100nm)
Screen/detector
JEM-2010F FEG TEM
various TEMs
FEI Titan
Characterization of nanomaterials
Why learn electron microscopy
• The properties of materials are mainly determined by its microstructure. By controlling the microstructure of the materials, one can make a material with the required properties. • To achieve such goal, one should first “know” the microstructure of the materials. • Electron microscopy is a method to analyses the microstructure of the materials, especially for nanomaterials and nanotechnology
GraphiБайду номын сангаасe
Energy (eV)
35000 30000 25000 20000 15000
10000
Evaporated Carbon
8000 6000 4000 2000
DLC
10000
5000 0 280 285 290 295 300 305 310 315 320
0 280 285 290 295 300 305 310 315 320
Why learn this course?
Question? If we have a materials with heterogeneous composition and we want to know its structure , phase and composition, what microstructural analysis technique shall we use ?
Electron Diffraction Pattern
Phase analysis
Single crystal polycrystal amorphous
X-ray energy dispersive spectrometer (EDS)
• composition analysis
(from element of Z=4 to Z=92)
Topics of this lecture
• Comparison of electron microscopy with other microstructure analysis techniques • Briefly introduce various electron microscopes and their application • History of development of electron microscope and electron microscopy • course contents, teaching target, teaching arrangement and reference books
• Analysis of chemical composition from H (Z=1) to U (Z=92).
determination of nature of chemical bonding
Diamond
80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 280 285 290 295 300 305 310 315 320
Energy (eV)
Energy (eV)
Virus structure
Influenza virus
SARS virus
Scanning Electron Microscope (SEM)
• Interaction of incident electron beam with materials at surface of specimen results in many useful signals. • Using these signals one can do surface morphology observation and composition analysis • resolution: 4Å • specimen: thick specimen
Transmission Electron Microscope (TEM)
• Electron beam go through the thin specimen. Due to the interaction between the incident electron beam with the specimen, the transmitted beam will give out the structural and compositional information of materials. • Can do
Disadvantage:
– Can not “see” image – Can not do “localized” analysis
microstructural analysis
• Electron microscopy Advantage:
– High resolution: TEM (<1Å), SEM (4Å) – Do image observation (BF, DF, HREM), structure analysis (SAD, CBED), composition analysis (EDS) and electronic structure analysis (EELS) on one instrument (TEM) – Can do analysis in very small volume (~nm3)
microstructural analysis
• Electron microscopy Disadvantage:
– – – – – only give localized information very expensive (US$:0.1-1million) interpretation is not straightforward operation is complex Specimen preparation is difficult
• resolution
– Horizontal (x-y direction ): 0.1nm – Vertical (z direction): 0.01nm
• detection depth: 1-2 atomic layer (no damage on the specimen) • Can work in air, solution, vacuum • can only be used for conductor and semiconductor
Different type of electron microscopes
• • • • Transmission Electron Microscope (TEM) Scanning Electron Microscope (SEM) Electron Probe Microanalyzer (EPMA) Scanning Transmission Electron Microscope (STEM)
Electron beam lithography system in SEM
Scanning Probe Microscope(SPM)
• Scanning Tunneling Microscope (STM) • Atomic Force Microscope (AFM)
STM
SPM
Scanning Tunneling Microscope (STM)
清华大学精品课
电子显微分析
授课教师:章晓中教授 办公室:东主楼(11区)一楼电镜实验室 Tel: 62773999 e-mail: xzzhang@
教学手段
• 双语教学:
– 讲课:英文 – 作业、实验、考试用中文
• • • •
使用多媒体和板书 教学内容课后会放在清华大学“网络学堂”上 无英文教材,有英文ppt课件和自编中文教材 推荐参考书
microstructural analysis
• Optical Microscopy Advantage:
– observe surface morphology – Easy to operate – Result interpretation is straightforward