11.--第九章-表面成分分析

1、教案 第十二周, 3學時,教學內(nèi)容：第九章 表面成分分析 第十章 電子顯微技術(shù)的新進展教學目標：了解俄歇電子能譜分析和原子探針顯微分析，熟悉電子顯微技術(shù)的最新進展并能夠進行現(xiàn)代顯微分析方法的選擇。重點：現(xiàn)代顯微分析方法的選擇難點：俄歇電子能譜分析方法：講授、討論、實例準備：多媒體過程：后附課件,材料近代分析測試方法,,第九章 材料表面分析技術(shù),9.1 俄歇電子能譜分析9.2 X射線光電子能譜

2、分析9.2 原子探針顯微分析,概 述,表面科學的主要發(fā)展始于20世紀60年代，它的兩個最主要的條件是：超高真空技術(shù)的發(fā)展各種表面靈敏的分析技術(shù)不斷出現(xiàn)表面分析技術(shù)的發(fā)展與材料科學的發(fā)展密切相關(guān)，它們相互促進：八十年代，掃描探針顯微鏡（SPM)的出現(xiàn)使（材料）表面科學的研究發(fā)生了一個飛躍；LEED所用的LaB6燈絲，STM中用來防振蕩的氟化橡膠（Viton)，AFM所用的探針等都是材料科學發(fā)展的新產(chǎn)物。,“表面” 的概念,過

3、去，人們認為固體的表面和體內(nèi)是完全相同的，以為研究它的整體性質(zhì)就可以知道它的表面性質(zhì)，但是，許多實驗證明這種看法是錯誤的。關(guān)于“表面”的概念也有一個發(fā)展過程，過去將1mm 厚度看成“表面”，而現(xiàn)在已把1um 或幾個原子層厚度稱為“表面”，更厚一點則稱為“表層”。,表面分析方法的特點,用一束“粒子”或某種手段作為探針來探測樣品表面，探針可以是電子、離子、光子、中性粒子、電場、磁場、熱或聲波（機械力），在探針作用下，從樣品表面發(fā)射或散射

4、粒子或波，它們可以是電子、離子、光子、中性粒子、電場、磁場、熱或聲波。檢測這些發(fā)射粒子的能量、動量、荷質(zhì)比、束流強度等特征，或波的頻率、方向、強度、偏振等情況，就可獲得有關(guān)表面的信息。,e－電子 ? －光子 I－離子,表中僅列出了探測粒子為電子和光子的常用表面分析方法，此外還有離子、中性粒子、電場、熱、聲波等各種探測手段。這些方法各有其特點，而沒有萬能的方法，針對具體情況，我們可以選擇其中一種或綜合多種方法來分析。,分析表面

5、結(jié)構(gòu)和成分的儀器和技術(shù)：1）、俄歇電子能譜分析（AES）；2）、離子探針（IMA）；3）、場離子顯微鏡和原子探針（FIM）；4）、低能電子衍射（LEED）。,9.1 俄歇電子能譜分析9.1.1 原理和儀器結(jié)構(gòu) 1、俄歇電子的產(chǎn)生它是以發(fā)現(xiàn)者皮埃爾.俄歇命名的。1）、定義：當樣品原子的內(nèi)殼層電子受入射電子的激發(fā)而留下空位時，外層較高能級的電子將自發(fā)地向低能級的內(nèi)殼層空位躍遷，躍遷時多余的能量將以X光子形式輻射出來，或

6、引起另一外層電子電離，從而發(fā)射一個具有一定能量的電子，稱俄歇電子。上述兩種釋放能量的方式分別稱輻射躍遷和俄歇躍遷。用WX和WA分別表示兩種躍遷的幾率，則有： WX+WA = 1,輻射躍遷可能產(chǎn)生Kα、 Kβ等X射線；俄歇躍遷可以發(fā)射出各種不同能量的俄歇電子。俄歇電子幾率WA隨原子序數(shù)Z的變化如圖9-1所示。,2）、不同原子序數(shù)的電子信息使用范圍當Z≤14的元素，采用KLL俄歇電子信息；當Z>14的元素

7、，采用KMM電子信息；當Z≥42的元素，采用MNN和MNO電子信息。3）、俄歇電子僅限于表層深度1nm以內(nèi)，其空間分辨率直接由入射電子束的直徑?jīng)Q定。目前可分析30nm以內(nèi)的表面化學成分。也許很快就會有束流更小，直徑更細的電子束。,2、俄歇電子的檢測如圖9-2所示：俄歇電子能量僅是下邊曲線N（E）上一個難以分辯的一個小拐折。上邊曲線是下邊曲線對應的微分曲線dN（E）/dE，可以看出分辨率有明顯的改善。目前，分析上述曲線可使用兩種能

8、量分析器。即：（1）、阻擋場分析器（RFA）（2）、筒鏡分析器（CMA）,（2）、線分析（3）、元素面分布圖（4）、縱向濃度分布可以利用電子槍進行濺射刻蝕，逐層分析化學成分，這是電子探針無法比擬的。9.1.3 俄歇電子能譜技術(shù)的應用主要分析固體表面和界面的分布變化。1、研究合金及合金脆化的本質(zhì)（P133）①、晶間斷裂的原因分析②、難熔金屬的晶間脆斷2、了解微合金化元素的分布特性（P133）3、復合材料界面成

9、分的分析,,2、最佳成像電壓（VBIV）：場離子像的亮度或襯度并非隨電壓增加而提高，而是達到某個電壓之后像襯度隨電壓的增加而降低，這個電壓稱最佳成像電壓（VBIV）。3、場離子像的分辨率：試樣上最鄰近的兩個原子投影到熒光屏上的像點正好能夠分開，或測量單個原子所產(chǎn)生像的直徑。4、影響分辨率的因素：①離子飛行到熒光屏的距離；②離子飛行速度的切向分量；③離子波動性的衍射效應。5、場離子像的放大倍數(shù)：M = R/βγ R：針尖到熒光屏

10、的距離；β：常數(shù)，一般為1.5；γ：針尖的曲率半徑。,,,,,俄歇電子動能/evSi3N4薄膜的俄歇電子能譜,9.1.2 俄歇能譜的測量和分析,1、俄歇能譜的記錄方式 X-Y記錄。 X：電子能量值； Y：輸出信號，電子數(shù)目隨能量分布的一次微分，即dN（E）/dE；2、掃描俄歇譜儀進行 成分分析的方式共四點：見P133。（1）、點分析或一定面 積內(nèi)的平均成分圖9-7為Cr-

11、Ni合金鋼斷口俄歇能譜圖，它反應斷口表面的成分分析。,9.2 原子探針顯微分析,①、場離子顯微鏡（FIM）的特點：分辨率高，直接觀察固體表面單個原子。②、原子探針：場離子顯微鏡與飛行時間質(zhì)譜儀組合場離子顯微鏡-原子探針（FIM-AP），它可以分析鑒別幾nm的極微區(qū)的化學成分，并對原子序數(shù)無任何限制。③、場離子顯微鏡和原子探針都是E.Müller個人在1956年發(fā)明的 ④ 、 FIM-AP的應用：主要有兩個方面，金屬材料

12、結(jié)構(gòu)方面，主要是晶體缺陷、位錯、界面及晶界偏析、沉淀析出等的研究；另一方面是金屬表面結(jié)構(gòu)和表面反應，如表面臺階類型，晶體表面凝聚、遷移及擴散等。,1、圖9-8是其結(jié)構(gòu)示意圖。圖9-9是樣品尖端表面原子電離示意圖。,9.2.1 場離子顯微鏡基本原理,9.2.2 原子探針的基本原理,1、場蒸發(fā)：是原子探針的基礎。它是在液氮冷卻條件下，當高于最佳成像電壓的場強施加到針尖上時，晶體表面原子開始形成離子蒸發(fā)，稱場蒸發(fā)。2、圖9-10是原子

13、探針原理示意圖,2、場蒸發(fā)在中溫（20-90K）產(chǎn)生隧道效應和熱激發(fā)效應。3、原子探針系統(tǒng)是利用飛行時間質(zhì)譜儀來測量蒸發(fā)離子的飛行時間，確定元素。 Udc：針尖樣品上施加的直流高壓；up：脈沖高壓；d針尖到檢測器距離。離子能量和飛行速度的關(guān)系： ½（mv2） = ne（ udc + up） （9-3） 得出離子飛行時間：

14、 （9-4） 離子的質(zhì)量比：,通過上式可以鑒定出什么元素。如果確定電壓以KV為單位，上式變?yōu)椋?、原子探針在不斷改進9.2.3 場離子顯微鏡樣品制備制樣注意：共6個方面，見P137-138。圖9-11是制樣流程圖。見P138樣品尺寸：直徑小于0.5mm，長度為10mm。注意樣品要焊放在樣品臺。原子探針場離子顯微鏡與透射電鏡制樣一樣，重要、復雜、難度大。,9

15、.2.4 原子探針分析方法,1、單原子識別（P138）應用之一是識別界面偏析。見圖9-12。,2、選區(qū)分析主要測定場離子像中的某一特征部位的成分。見圖9-13。,,3、隨機區(qū)域分析主要用于無法做選區(qū)分析的樣品，或微觀結(jié)構(gòu)中元素分布的一般信息。主要包括： ①、凝聚及共偏析研究； ②、第二相占很大體積分析的微觀結(jié)構(gòu)，調(diào)制分解系統(tǒng)； ③、不同相間場離子像襯度為零的系統(tǒng)。本方法，不管像有何特征，

16、隨機地收集一小賀柱體中原子測量隨深度不同的成分變化，如圖9-14所示。,,9.2.5 原子探針場離子顯微鏡,1、晶體表面結(jié)構(gòu)圖9-15是一個（011） 取向的鎢樣品的場離 子像。2、金屬中氫的研究圖9-16是螺旋位錯 的場離子顯微像。,,,,,,,9.3 X射線光電子能譜分析,XPS 以 X 射線為探針，檢測由樣品表面出射的光電子來獲取表面信息的。這些光電子主要來自表面原子的內(nèi)殼層，攜帶有表面豐富的物理和

17、化學信息。XPS 作為表面分析技術(shù)的普及歸因于其高信息量、 其對廣泛樣品的適應性以及其堅實的理論基礎 。,XPS最大特色在于能獲取豐富的化學信息、對樣品表面的損傷最輕微、定量分析較好。表面的最基本分析可提供表面存在的所有元素（除 H和He 外）的定性和定量信息。 此方法的更高級應用可產(chǎn)生關(guān)于表面的化學組成和形態(tài)的更詳細的信息， 因而被認為是一種可利用的最強力的表面分析工具。,1. X射線與物質(zhì)的相互作用 為領(lǐng)會表面分析方法 XPS(

18、ESCA) ，對光電效應和光電發(fā)射的了解是必要的。當一個光子沖擊到一原子上時，將會發(fā)生下列三個事件之一：(1) 光子無相互作用地穿過。(2)光子被原子的軌道電子散射，導致部分能量損失。 (3)光子與軌道電子相互作用，把光子能量全部傳給電子，導致電子從原子中發(fā)射（X光電子）。第一種情形無相互作用發(fā)生，第二種可能性稱為康普頓散射，它在高能過程中是重要的，第三種過程準確地描述了光電發(fā)射，此即XPS的基礎。,x射線光電子能譜儀,隨著電子

19、能譜應用的不斷發(fā)展 電子能譜儀的結(jié)構(gòu)和性能在不斷地改進和完善，并且趨于多用型的組合設計。電子能譜儀一般由超高真空系統(tǒng) X射線光源、分析器、數(shù)據(jù)系統(tǒng)及其它附件構(gòu)成。,超高真空系統(tǒng)(UHV)：10－8 mbar,X光源:常用的有Mg/Al雙陽極X射線源;同步輻射光源.,譜儀靈敏度和檢測限；信息采樣深度 < 10 nm 原子濃度，檢測限 0.1~1.0%表面原子單層。 可檢測元素為周期表中除 H和 He外的所有元素。 空間分辨

20、率: ~50 μ(小面積), 5 μ(成像),對試樣的要求和注意事項： 由于電子能譜測量要在超高真空中進行 測量從樣品表面出射的光電子或俄歇電子，所以要求樣品在超高真空下必須穩(wěn)定、無腐蝕性、無磁性、無揮發(fā)性。 固態(tài)樣品：片狀、塊狀或粉末。另外在樣品的保存和傳送過程中應盡量避免樣品表面被污染，在任何時候?qū)Ρ环治鰳悠返谋砻娑紤M量少地接觸和處理。,清潔表面制備 一般情況下 合適的表面處理必須由實驗來確定 表面清潔常常比隨后進行的

21、實驗本身更耗時 除在樣品的保存和傳輸過程中盡量避免污染外 在進入真空前可對某些樣品進行化學刻蝕 機械拋光或電化學拋光 清洗處理 以除去樣品表面的污染及氧化變質(zhì)層或保護層 樣品進入真空室后通常有下列幾種清潔表面制備方法：1、超高真空中原位解理斷裂脆性材料。尤其是半導體，可沿著一定的晶向解理而產(chǎn)生幾個平方毫米面積的光滑表面。 2、稀有氣體離子濺射。對樣品的清潔處理通常采用Ar+離子濺射和加熱退火的方法。3、對一些不能進行離子濺射處理的

22、樣品，可采用真空刮削或高溫蒸發(fā)等方法來進行清潔處理。4、真空制膜。除直接從外部裝樣外，還可以在樣品制備室中采用真空濺射或蒸發(fā)淀積的方法把樣品制成薄膜后進行分析。,材料近代分析測試方法,,第十章 電子顯微技術(shù)的新進展及試驗方法的選擇,10.1 電子顯微技術(shù)的最新進展10.2 現(xiàn)代顯微分析方法的選擇,10.1 電子顯微技術(shù)的最新進展,10.1.1 高分辨電子顯微術(shù)1、現(xiàn)代大型電鏡均能保證0.144nm的晶格分辨率和0.2- 0.

23、3nm的點分辨率。可拍攝晶體結(jié)構(gòu)中的原子團甚至單個原子，高分辨電子顯微術(shù)已成為深入探討最直觀的方法，也可驗證X射線的結(jié)果并彌補不足。2、多束成像：高分辨電子顯微像是利用兩束以上的電子束之間固有的相位差，經(jīng)過相干作用而成像，稱多束成像。3、成像種類： ①、晶格條紋像：利用透射束和一支衍射束相干成像，形成一組或幾組互相平等的條紋，對應樣品晶體中一定的晶面組。②、晶格結(jié)構(gòu)像：利用透射束和許多支衍射束相干成像，可以顯示樣品晶體單個原子及排

24、列規(guī)則，稱晶格結(jié)構(gòu)像，簡稱結(jié)構(gòu)像。,,GaN中的層錯高分辨像,,,10.1.2 分析電子顯微術(shù),電子束作用于樣品，產(chǎn)生許多信息，透射只用了一種，為了提高像襯度，制樣太薄，難于保持材料原有的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)。為解決上述問題，20世紀60年代，開發(fā)了新的掃描透射，隨后逐漸完善發(fā)展形成了分析電子分析術(shù)。,掃描透射電子顯微鏡是指透射電子顯微鏡中有掃描附件者，尤其采用場發(fā)射電子槍。掃描透射電子顯微分析是綜合了掃描和透射電子分析的原理和特點而出現(xiàn)的一

25、種新型分析方式。 　　掃描透射電子顯微鏡是透射電子顯微鏡的一種發(fā)展。掃描線圈使電子探針在薄膜試樣上掃描，探測器置于試樣下方，接收透射電子束流或彈性散射電子束流，經(jīng)放大后，在熒光屏上顯示與常規(guī)透射電子顯微鏡對應的掃描透射電子顯微鏡的明場像和暗場像。,1、掃描透射電鏡（STEM） 的原理及特點,STEM的成像方式與掃描電鏡相似，接收的透射電子(包括部分小角散射電子)。樣品必須是薄膜，分辨本領(lǐng)與電子束斑直徑相當。專門的STEM用高亮度場致發(fā)

26、射電子槍(要求10-10托的超高真空)?？捎^察到輕元素支持膜上的單個重原子。還可利用微小電子束斑作極微區(qū)(幾十埃)的晶體結(jié)構(gòu)分析(用電子衍射)和成分分析(激發(fā)的特征X 射線或用電子能量損失譜)， 又稱分析電鏡。,特點： 1. 可以觀察較厚的試樣和低襯度試樣。 　　2. 可以實現(xiàn)微區(qū)衍射。 　　3. 利用后接能量分析器的方法可以分別收集和處理彈性散射和非彈性散射電子。 4. 高角暗場（HAADF）成像模式比

27、TEM有非常獨特的優(yōu)勢，圖像襯度跟原子序數(shù)有關(guān)，而不受樣品厚度影響，可直觀得到成分信息。 STEM能夠獲得TEM所不能獲得的一些關(guān)于樣品的特殊信息。STEM技術(shù)要求較高，要非常高的真空度，并且電子學系統(tǒng)比TEM和SEM都要復雜。,對同一樣品，STEM和TEM兩種成像方式將得到相似的襯度效應，因它們都取決于樣品厚度、成分（Z）、晶體位向及結(jié)構(gòu)差別。因此TEM的成像原理都適合STEM。,通常的高分辨電子顯微鏡應用相位襯度成像，

28、由透過樣品的各級衍射束相互干涉的結(jié)果，其襯度取決于衍射束的相對相位關(guān)系。在掃描透射電子顯微鏡中使用高角度環(huán)形探測器，可以得到原子序數(shù)襯度像,1929年由Rudberg發(fā)現(xiàn)利用一特定能量的電子束施加在欲測量的金屬樣品上，然后接收非彈性（亦即是有能量損失）的電子，發(fā)現(xiàn)會隨著樣品的化學成分不同而有不同的損失能量，因此可以分析不同的能量損失位置而得知材料的元素成份。,補充內(nèi)容：電子能量損失譜 EELS,電子在固體及其表面產(chǎn)生非彈性散射而損失能量

29、的現(xiàn)象通稱電子能量損失現(xiàn)象；電子能量損失譜利用其獲取表面原子的物理和化學信息。,入射電子與試樣相互作用的示意圖,1,2 3,1代表等離子體振蕩；2代表價帶電子躍遷；3代表芯級電子激發(fā),電子能量損失譜現(xiàn)象,電子所損失的能量使物體產(chǎn)生各種激發(fā)；主要四種類型： 1)單電子激發(fā)包括價電子激發(fā)和芯能級電子激發(fā)。 2)等離子體激元激發(fā)。 3)聲子激發(fā)。 4)表面原子、分子振動激發(fā)。,清潔表面鈾的EELS,價電子激發(fā)

30、所產(chǎn)生的能量損失譜線代表了固體的某些特性，在表面分析中，這些資料有很大的用處。芯能級電子激發(fā)所產(chǎn)生的損失譜線有點類似x射線吸收譜線，用處也很大。對于價電子激發(fā)來說能量損失約為0-50eV，而芯能級電子激發(fā)一般要大于20eV，這時儀器的能量分辨率只要1eV就夠了。,入射電子束照射試樣表面將發(fā)生背向散射，返回表面的電子：沒有能量損失部分稱彈性散射電子，有能量損失部分稱非彈性散射電子。在非彈性散射電子中，有些具只同元素有關(guān)的特征能量的俄

31、歇電子，檢測 其數(shù)目按能量分布，就可標定元素組成--俄歇電子能譜分析技術(shù)。如果特征能量不但元素有關(guān)，還與入射電子的能量有關(guān)，稱為特征能量損失電子。如果在試樣上檢測能量損失電子的數(shù)目按能量分布，就可獲得一系列譜峰，稱為電子能量損失譜。,EELS原理,電子能量損失譜（EELS）可以實現(xiàn)橫向分辨率10 nm，深度0.5~2 nm的區(qū)域內(nèi)成分分析；有X射線光電子能譜（XPS）所無的微區(qū)分析能力；比俄歇電子能譜（AES）更靈敏；能辨別表面

32、吸附的原子、分子的結(jié)構(gòu)和化學特性；從原理上來說，由EELS可以得到樣品厚度，成分，價態(tài)，電子密度，能帶，近鄰原子分布等等豐富的信息。,EELS的特點,10.1.3 掃描電鏡的新進展,1、掃描隧道顯微鏡（STM）80年代發(fā)展起來，可在三維空間達到原子分辨率。（1）隧道效應理論根據(jù)量子力學觀點，兩片相距很近的金屬之間不接觸也產(chǎn)生電流，即隧道效應。產(chǎn)生的隧道電流I： I ∝ e-2kd

33、 d：兩片金屬之間的距離； k：金屬表面電子波函數(shù)在絕緣層勢壘中的衰減常數(shù)，真空下： h：普朗克常數(shù)；m：電子質(zhì)量； ：有效局域切函數(shù)，近似等于勢壘高度。,,,可知：D有一微小變化，I 將是數(shù)量級的變化。,（2）STM工作原理基于量子力學的電子隧道效應，針尖探頭，恒流或恒高模式成像。,STM雖然實現(xiàn)原子觀察，但對針尖和樣品要求太高。為了克服不足，出現(xiàn)了原子力顯微鏡（AFM）、磁力顯微鏡（MFM）、激光

34、力顯微鏡（LFM）、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）和光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）等。,2、原子力顯微鏡（AFM）,用來研究固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。通過檢測待測樣品表面和一個微型力敏感元件之間極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運動狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，

35、從而以納米級分辨率獲得表面結(jié)構(gòu)信息。當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，分辨率在納米級水平。,激光束聚焦在微懸臂背面，反射到光電二極管構(gòu)成的光斑位置檢測器。由于樣品表面原子與針尖原子間的相互作用力，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，通過光電二極管檢測光斑位置的變化，就能獲得被測樣品表面形貌的信息。,在系統(tǒng)檢測成像全過程中，探針和被測樣品間距離始終保持在納米（10

36、-9米）量級，太大不能獲得樣品表面信息，太小會損傷探針和被測樣品。反饋回路控制樣品伸縮，調(diào)節(jié)探針和被測樣品間距離，是核心工作機制。,應用：純金屬、半導體表層原子結(jié)構(gòu)、表面相變及吸附動態(tài)過程；表面物理沉積過程的原位觀察；材料組織結(jié)構(gòu)及相結(jié)構(gòu)；納米加工等。,AFM以作用力形式3種操作模式：接觸模式是最直接的成像模式。針尖始終與樣品表面緊密接觸呈排斥力10-10～10-6 N，可能破壞試樣的表面結(jié)構(gòu)。掃描速度快，能獲得“原子分辨率”圖像。但

37、空間分辨率低，會損壞軟質(zhì)樣品（如生物樣品，聚合體等）。 非接觸模式懸臂在距離試樣表面5～10 nm 振蕩，呈范德華力10-12 N，樣品不被破壞，且針尖也不污染，但不利在室溫大氣環(huán)境下實現(xiàn)。敲擊模式介于接觸模式和非接觸模式之間，懸臂在試樣上方以共振頻率振蕩，針尖周期性短暫地接觸/ 敲擊樣品表面。很好的消除了橫向力的影響。降低了由吸附液層引起的力，圖像分辨率高，適于觀測軟、易碎、或膠粘性樣品，不會損傷其表面，掃描速度慢。,場離子顯微鏡

38、 （ FIM ）,場離子顯微鏡是最早看得到原子尺度的顯微鏡。樣品先處理成針狀，末端曲率半徑約2001000埃，容器抽真空到1.33×10-6Pa通入壓力約1.33×10-1Pa的成像惰性氣體氦。加高電壓使氣體原子極化和電離成“場電離”，熒光屏上即可顯示尖端表層原子的清晰圖像，圖象中每一個亮點都是單個原子的像。,三維原子探針（3DAP）是在場離子顯微鏡(FIM)基礎上發(fā)展起來分析技術(shù)，在FIM樣品尖端疊加脈沖電壓使原子

39、電離并蒸發(fā)，用飛行時間質(zhì)譜儀測定離子的質(zhì)量/電荷比來確定該離子的種類，用位置敏感探頭確定原子的位置。它可以對不同元素的原子逐個進行分析，并給出納米空間中不同元素原子的分布圖形，能夠進行定量分析，是目前最微觀，并且分析精度較高的一種分析技術(shù)。從分析逐個原子來了解物質(zhì)微區(qū)化學成分的不均勻性。 可直接觀察Cottrell 氣團；分析界面原子偏聚；研究彌散相析出過程；研究非晶晶化時原子擴散和晶體成核過程；分析各種合金元素在納米晶材料不同相及界面

40、上分布。,主要技術(shù)指標：a) 樣品冷卻至20-80K下進行分析，b) 在20X20X100nm空間中可定出多數(shù)原子的三維空間位置和元素種類。水平空間分辨率0.25nm。c) 分析室的真空度優(yōu)于1 x 10-10 mbar. 樣品從放入預抽真空室到放入分析室并達到要求的真空度所需的時間小于30分鐘。d) 可用純鎢進行測量標定，當探測到 100,000個鎢離子時，鎢的同位素182W, 183W, 184W和 186W的分辨率在標準偏差之內(nèi)。

41、f) 能進行FIM圖像觀察和記錄。,2、電子背散射衍射（EBSD）在上世紀80年代誕生的一項重大技術(shù)。EBSD的特點：在做空間分辨率達0.5μm晶體學分析或成像的同時，還可以承擔常規(guī)掃描電鏡的一切功能；如局部成分分析，粗糙表面成像等。EBSD的研究范圍：對金屬及合金、陶瓷、半導體、超導體、礦石等的組織、性能（成型性和磁性等） 、 晶粒取向、界面性能（如腐蝕、裂紋等）及相鑒定等進行分析判斷。,EBSD的形成原理,電子背散射衍射儀一般

42、安裝在掃描電鏡或電子探針上。樣品表面與水平面呈 70o左右，入射電子束激發(fā)出的背散射電子，在離開樣品的過程中，與樣品某晶面族滿足布拉格衍射條件 2dsinθ =λ 的那部分電子會發(fā)生衍射，形成兩個頂點為散射點、與該晶面族垂直的兩個圓錐面，兩個圓錐面與接收屏交截后形成一條亮帶，即菊池帶。每條菊池帶的中心線相當于發(fā)生布拉格衍射的晶面從樣品上電子的散射點擴展后與接收屏的交截線，如圖 1 所示。一幅電子背散射衍射圖稱為一張電子背散射衍射花樣（

43、EBSP） 。,一張EBSP 往往包含多根菊池帶。接收屏接收到的 EBSP經(jīng) CCD 數(shù)碼相機數(shù)字化后傳送至計算機進行標定與計算。值得指出的是，EBSP 來自于樣品表面約幾十納米深度的一個薄層。更深處的電子盡管也可能發(fā)生布拉格衍射，但最終成為背底。因此，電子背散射衍射是一種表面分析手段。其次，樣品傾斜 70o左右背散射電子多，形成的 EBSP 花樣強。但過大的傾斜角會導致電子束在樣品表面定位不準。,晶格完整時，形成的 EBSP 花樣中

44、菊池帶邊緣明銳甚至可觀察到高階衍射；晶格變形導致晶格扭曲、畸變，存在大量位錯等缺陷時，形成的菊池帶邊緣模糊、漫散,EBSD測定晶粒取向很方便，每一晶粒的標定只需幾秒鐘。實際上，TEM也能做晶粒取向的測量，但是，TEM制樣特別困難，而且很薄，每個樣品能觀察到的晶粒數(shù)很少，所測結(jié)果難以具有代表性。而EBSD可以快速準確地生成晶粒定位取向數(shù)據(jù)。EBSD的優(yōu)點：不僅可以測量晶粒取向的比例，而且還知道這些取向在顯微組織中的分布，這是織構(gòu)的全新分

45、析方法。EBSD目前主要用于成品合金的取向分析，可以跟蹤金屬在加工及熱處理過程中的取向變化規(guī)律。并作出合金的極圖。,EBSD測量的軟件比較完善，可以模擬任何結(jié)構(gòu)的原子空間和晶胞占位，許多結(jié)果可以自動生成，如晶體取向錯配度等，測量結(jié)果處理簡單。EBSD處理：第二相與基體間的取向關(guān)系；疲勞機理研究；穿晶斷裂結(jié)晶學分析；超耐熱合金的蠕變；單晶體的完整性；斷口晶體學；高溫超導體；形變研究等。3、掃描電鏡的現(xiàn)代顯微分析其特點：顯微形貌+