2.散射电子(包括弹性、非弹 性反射和穿透电子及被吸收 电子)
3.激发电子(包括二次电子及
俄歇电子(Auger electron)
X射线衍射仪
电子探针仪
扫描电镜
X 射线
二次电子
荧光辐射
入射电子 背散射电子
阴极荧光
吸收电子
俄歇电子
试样
透射电子
衍射电子
俄歇电镜
透射电子显微镜 电子衍射仪
图1－3 电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器
透射电子显微镜的发展
(l) 试片的研磨。 (2) TEM一般的分辨率由2.5nm提高到数埃。 (3) 双聚光镜的应用可获得漫散射程度小、
强度高、直径在微米左右的电子束，增加 了TEM微区域观察的能力。 (4) 晶体中缺陷电子衍射成像对比理论的 发展。 (5)试样在TEM中的处理，如倾斜、旋转等 装置得到实际化应用，克服了制样存在的 困难。
电子显微技术发展历史
电 子 显 微 镜 的 发 展 历 史 可 追 溯 至 1897 年 ， 英 国 科 学 家 J.J. Thomson发现了电子；到了 1912年，发现X光衍射现象，经Bragg 的深入研究，一举奠定了X光的波性和利用电磁波衍射决定晶体 结构的方法。1924 年， De Broglie 发表了质波说；1926 年 Heisenberg等发展和丰富了量子力学，创立了电子波质二元论的 理论基础。电子既然具有波性，则也应该有衍射现象; 1927 年 美国 Davisson等以电子衍射实验证实了电子的波性。
电子显微技术近年的进展
近年来TEM及SEM的功能日新月异，TEM主要发展方向为： 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。 2.高分辨率：已发展到厂家保证最佳解像能力为点与点间 0.18nm、线与线间0.14nm。美国于1983年成立国家电子显微镜 中心，其中，1000keV的原子分辨电子显微镜其点与点间的分 辨率达0.17nm，可直接观察晶体中的原子。 3.分析装置：如附加电子能量分析仪，可鉴定微区域的化学 组成。 4.场发射电子光源: 具有高亮度及契合性，电子束可小至1 nm。
1938 年，第一部商售电子显微镜问世。20世纪 40年代，常用的50至100keV 的TEM的分辨率约在 l0nm左右，而最佳分辨率在2至3nm之间。当时由于 试样制备的困难及缺乏应用的动机，所以很少被物 理 科 学 研 究 者 使 用 。 直 到 1949 年 ， Heidenreich 制 成适于TEM观察的铝及铝合金薄膜，观察到因厚度 及晶体面不同所引起的像对比效应，并成功的利用 电子衍射理论加以解释。由此获得一些与材料性质 有关的重要结果，才使材料界人士对TEM看法有所 改变。但因为观察用试样制备困难，因此该技术发 展缓慢。直到20世纪50年代中期，由于成功地采用 TEM观察到不锈钢中的位错，再加上制样方法的改 进，TEM技术才得以广泛应用，成为一种重要的材 料分析手段。
在电子显微镜结构方面，最主要的电磁透镜源自J.J. Thomson作 阴极射线管实验时观察到电场及磁场可偏折电子束。后人进一步 发现可借助电磁场聚焦电子，产生放大作用。电磁场对电子的作 用与光学透镜对光波的作用非常相似，因而发展出电磁透镜。
1934年，Ruska在实验室制作第一部穿透式电子 显 微 镜 (transmission electron microscope ， TEM)，
用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电 子显微技术。
众所周知，现代科学技术的迅速发展，要求材料科学工作 者能够及时提供具有良好力学性能的结构材料及具有各种 物理化学性能的功能材料。而材料的性能往往取决于它的 微观结构及成分分布。因此，为了研究新的材料或改善传 统材料，必须以尽可能高的分辨能力观测和分析材料在制 备、加工及使用条件下（包括相变过程中，外加应力及各 种环境因素作用下等）的微观结构和微区成分的变化，进 而揭示材料成分—工艺—微观结构—性能之间关系的规律， 建立和发展材料科学的基本理论。
透射电子显微镜的功能
透射电子显微镜（TEM）是一种能够以 原子尺度的分辨能力，同时提供物理分 析和化学分析所需全部功能的仪器。特 别是选区电子衍射技术的应用，使得微 区形貌与微区晶体结构分析结合起来， 再配以能谱或波谱进行微区成份分析， 可以得到材料微观全面的信息。
扫 描 式 电 子 显 微 镜 (scanning electron microscope ， SEM) 原 理 的 提 出 与 发 展 ， 约 与TEM 同时；但直到1964年，第一部商售 SEM才问世。由于SEM是研究物体表面结构 及成份的有效手段，试样制作较容易，目 前已被广泛使用。
扫描电子显微镜（SEM）具有较高的分辩率 和很大的景深，可清晰地显示粗糙样品的 表面形貌，并以多种方式给出微区成份等 信息，用来观察断口表面微观形态，分析 研究断裂的原因和机理，以及其它方面的 应用。
电子探针的功能
电子探针（EPMA）是在扫描电镜 的基础上配上波谱仪或能谱仪的显 微分析仪器，它可以对微米数量级 侧向和深度范围内的材料微区进行 相当灵敏和精确的化学成份分析， 基本上解决了鉴定元素分布不均匀 的困难。
电子束与物质作用
图1.1显示电子与材料试样 作用所产生的讯号。电子显 微镜主要原理为在收集、分 辨各种讯号的基础上，经过 相应处理，得到能够反映所 分析试样的晶体结构、微细 组织、化学成份、化学键类 型和电子分布情况的有效信 息。该类讯号可分为三类：
(一) 电子讯号，又可细分为：
1.未散射电子（透射电子）
材料现代研究方法
主讲人： 学时数：32学时，包括4节实验课 课程类型：公共平台课 考核方式：考试课（开卷）
材料科学与工程学院 材料加工系
绪论
电子显微镜 (electron microscope，EM)
一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电 子与物质作用所产生散射的原理来研究物质 构造及微细结构的精密仪器。近年来，由于 电子光学的理论及应用发展迅速，这一定义 已显示出其局限性，目前重新定义电子显微 镜是利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴 定微区域晶体结构、微细组织 、化学成份、 化学键结合和电子分布情况的电子光学装置。