材料的顯微分析能獲得材料的組織結(jié)構(gòu)，揭示材料基本性質(zhì)和基本規(guī)律，在材料測(cè)試技術(shù)中占重要的一環(huán)。對(duì)各種顯微分析設(shè)備諸如SEM、TEM、AFM、STM等，各位材料屆的小伙伴一定不會(huì)陌生。最近小編發(fā)現(xiàn)一些電鏡動(dòng)畫(huà)，被驚艷到，原來(lái)枯燥無(wú)味的電鏡可以變得這么生動(dòng)，閑言少敘，下面就和大家一起來(lái)分享。

掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電鏡成像是利用細(xì)聚焦高能電子束在樣件表面激發(fā)各種物理信號(hào)，如二次電子、背散射電子等，通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)這些信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度與樣品表面形貌有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可將其轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)來(lái)調(diào)制顯像管的亮度得到樣品表面形貌的圖像。

SEM工作圖

入射電子與樣品中原子的價(jià)電子發(fā)生非彈性散射作用而損失的那部分能量（30～50eV）激發(fā)核外電子脫離原子，能量大于材料逸出功的價(jià)電子從樣品表面逸出成為真空中的自由電子，此即二次電子。

電子發(fā)射圖

二次電子探測(cè)圖

二次電子試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效顯示試樣表面的微觀形貌，分辨率可達(dá)5～10nm。

二次電子掃描成像

入射電子達(dá)到離核很近的地方被反射，沒(méi)有能量損失；既包括與原子核作用而形成的彈性背散射電子，又包括與樣品核外電子作用而形成的非彈性背散射電子。

背散射電子探測(cè)圖

用背反射信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率遠(yuǎn)比二次電子低?？筛鶕?jù)背散射電子像的亮暗程度，判別出相應(yīng)區(qū)域的原子序數(shù)的相對(duì)大小，由此可對(duì)金屬及其合金的顯微組織進(jìn)行成分分析。

EBSD成像過(guò)程

透射電子顯微鏡（TEM）

透射電鏡是把經(jīng)加速和聚焦的電子束投射到非常薄的樣件上，電子與樣品中的原子碰撞，而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此，可以形成明暗不同的影像，影像將在放大、聚焦后在成像器件上顯示出來(lái)。

TEM工作圖

TEM成像過(guò)程

STEM成像不同于平行電子束的TEM，它是利用聚集的電子束在樣品上掃描來(lái)完成的，與SEM不同之處在于探測(cè)器置于試樣下方，探測(cè)器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出明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像。

STEM分析圖

入射電子束照射試樣表面發(fā)生彈性散射，一部分電子所損失能量值是樣品中某個(gè)元素的特征值，由此獲得能量損失譜（EELS），利用EELS可以對(duì)薄試樣微區(qū)元素組成、化學(xué)鍵及電子結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析。

EELS原理圖

原子力顯微鏡（AFM）

將一個(gè)對(duì)微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的作用力，通過(guò)在掃描時(shí)控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將在垂直于樣品的表面方向起伏運(yùn)動(dòng)。測(cè)出微懸臂對(duì)應(yīng)于掃描各點(diǎn)的位置變化，從而可以獲得樣品表面形貌的信息。

AFM原理：針尖與表面原子相互作用

AFM的掃描模式有接觸模式和非接觸模式，接觸式利用原子之間的排斥力的變化而產(chǎn)生樣品表面輪廓；非接觸式利用原子之間的吸引力的變化而產(chǎn)生樣品表面輪廓。

接觸模式

動(dòng)態(tài)模式

掃描隧道顯微鏡（STM）

隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴(lài)關(guān)系，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的起伏變化信息，如果同時(shí)對(duì)x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。

探針

隧道電流對(duì)針尖與樣品表面之間的距離極為敏感，距離減小0.1nm，隧道電流就會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。

隧道電流

針尖在樣品表面掃描時(shí)，即使表面只有原子尺度的起伏，也將通過(guò)隧道電流顯示出來(lái)，再利用計(jì)算機(jī)的測(cè)量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息處理成為三維圖像在屏幕上顯示出來(lái)。

STM掃描成像圖

單原子操縱：用探針把單個(gè)原子從表面提起而脫離表面束縛，橫向移動(dòng)到預(yù)定位置，再把原子從探針重新釋放到表面上，可以獲得原子級(jí)別的圖案。

移動(dòng)原子作圖