显微分析设备简介
- 光学显微镜
光学显微镜（Optical Microscope，OM）是利用光的折射和光的直线传播原理制成的把人眼所不能分辨的微小物体放大成像的光学仪器。光学显微镜一般由载物台、聚光照明系统、物镜、目镜和调焦机构组成。光学显微镜有多种分类方法：①按使用目镜的数目可分为双目和单目显微镜；②按图像是否有立体感可分为立体视觉和非立体视觉显微镜；③按观察对像可分为生物和金相显微镜等；④按光学原理可分为偏光、相衬和微差干涉对比显微镜等；⑤按光源类型可分为普通光、荧光、红外光和激光显微镜等。常用的显微镜有金相显微镜、偏光显微镜、紫外荧光显微镜等。
金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体组织的显微镜。在金相显微镜中，照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像（见图1）。金相显微镜具有稳定性好、成像清晰、分辨率高、视场大等特点。其用途为鉴别和分析各种金属和合金的组织结构，可以广泛地应用在工厂或实验室进行材料质量的鉴定、原材料的检验或零件热处理后金相组织的研究分析等工作。
偏光显微镜用偏振光对物进行观测的显微镜。它的工作原理是在普通显微镜的照明光路中加入起偏器，使照到物面上的照明光束变成具有单一偏振方向的偏振光。在物镜和目镜之间的成像光路中加入检偏器，它的偏振方向与起偏器的偏振方向互成90°。如果被观物体不改变入射照明光束的偏振状态，则出射光被检偏器完全阻挡，不能形成图像；如果被观物体改变入射光的偏振状态，则有一部分光通过检偏器，提供某些原来在非偏振光中发现不了的图像信息。偏光显微镜一般用于在地质、生物、材料工程等领域中观测晶体双折射、晶轴方向和偏振面旋转。
紫外荧光显微镜用紫外光激发荧光来进行观察的显微镜。某些标本在可见光中觉察不到结构细节，但经过染色处理，以紫外光照射时可因荧光作用而发射可见光，形成可见的图像。这类显微镜常用于生物学和医学中的观察。
图1 金相显微镜及成像图片
- 透射电子显微镜
显微镜的最小分辨距离由瑞利公式给出：
可见光的波长在390～760nm之间，因此我们认为普通光学显微镜的分辨率不会超过200nm（0.2μm）。正常人眼的分辨能力接近0.1mm，但真正要能清楚地区分两个点，到0.2mm足够了。因此一般光学显微镜的最大放大倍数在1500～2000倍。因为光源的波长限制了显微镜的放大倍数，因此要造出放大倍数更大的显微镜首先应该选择波长更短的光源，电子波正是这样一种理想的光源。
透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）与光学显微镜的成像原理基本一样，利用电子束作光源，利用电磁场作透镜。它由照明系统、成像系统、真空系统、记录系统、电源系统5部分构成。由于电子具有波粒二象性，高速电子的波长比可见光的波长短，因此电子显微镜的理论分辨率远高于光学显微镜的分辨率。由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中通过聚光镜被会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射并穿透样品，透过样品后的电子束携带有样品内部的微观结构信息，例如位错、层错、相等。为了让电子束不与空气分子碰撞导致衰减，透射电子显微镜要提供高真空的环境。另外，由于电子束的穿透力很弱，因此用于电镜的样品观察区域须制成厚度约几十纳米的薄片。透射电镜观察有四种衬度：质量-厚度衬度（质厚衬度）、衍射衬度、相位衬度、原子序数衬度（Z衬度）。
扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscope，STEM）是指在透射电子显微镜中安装扫描附件，扫描线圈使电子束会聚在薄膜试样上并扫描，探测器在试样下方接受透射电子束或弹性散射电子束，经信号处理后，得到样品观察区域的明场像和暗场像等（见图2）。
图2 透射电子显微镜及成像图片
- 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质特性进行微观成像。扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，几十倍到几十万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。
扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在样品上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接收、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌和成分信息。当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射电子等。
二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当样品中原子的核外电子从入射电子获得了大于相应结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子来自表面十几纳米的深度，能量为0～50eV。它对样品表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自样品表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达5～10nm, 而最先进的扫描电镜的二次电子分辨率已高达1nm以下。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决于表面形貌。
背散射电子是指被固体样品原子反射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°）那些入射电子，其能量基本上没有变化。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，不仅能量变化，而且方向也发生变化。非弹性背散射电子的能量范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。背散射电子的产生范围在100nm～1mm深度。背散射电子束成像分辨率一般为50～200nm。背散射电子产额和二次电子产额与原子序数有关，背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以利用背散射电子作为成像信号主要用来显示原子序数衬度，进行成分定性分析。
特征X射线是原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。各种元素具有自己的X射线特征能量和波长。X射线能量色散谱仪（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）和X射线波长色散谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer, WDS）就是利用X射线特征能量和波长来对材料微区成分元素种类与含量分析，配合电子显微镜的使用。图3为扫描电子显微镜及成像图片。
图3 扫描电子显微镜及成像图片
- 电子探针
电子探针（Electron Probe X-ray Microanalyzer，EPMA）是一种利用电子束作用样品后产生的特征X射线进行微区成分分析的仪器，是应微区分析的要求产生的。它是利用聚焦的电子束照射到样品上产生特征X射线，然后利用X 射线谱仪分析其能量或者其波长并确定样品元素组成的一种微区显微分析法。随着SEM及其附件的发展，电子探针的功能很大程度上被SEM代替了，但两者还是有一定区别。
EPMA和SEM这两种仪器是分别发展起来的，两者设计的初衷不同。SEM 以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。目前的SEM一般都配有EDS，但配WDS的非常少。而EPMA 一般以成分分析为主，必须配有 EDS、WDS 进行元素成分定性定量分析，同时为了成分分析的需要它要求较大的电子束流。
- 扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，STM）是利用一根非常细的金属探针，探针针尖与样品不接触，但两者的距离非常接近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两者之间的势垒形成隧穿电流。在恒高度模式，当扫描过程中保持探针高度不变，在沿着扫描方向上，探针与样品之间的距离远，势垒就大，隧道电流就小，电流的大小转化为空间尺度，利用电脑分析就可以得到样品表面的图像。在恒电流模式，随着物体表面的高低使探针上下移动以维持保持隧道电流恒定，依此来观测物体表面的形貌。由于STM分析由针尖与样品之间的隧道电流的变化决定的，STM要求样品表面能够导电，因此只能直接观察导体和半导体的表面结构。对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且掩盖了物质表面的细节。STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景。
在扫描隧道显微镜出现以后，又陆续发展了一系列新型的扫描探针显微镜，例如，原子力显微镜（AFM）、摩擦力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描热显微镜和扫描隧道电位仪（STP）等。这些新型的显微镜，都利用了反馈回路控制探针在距离样品表面1nm处或远离样品表面扫描（或样品相对于探针扫描）的工作方式，用来获得扫描隧道显微镜不能获得的有关表面的各种信息，对STM的功能有所补充和扩展。在这些显微镜中，原子力显微镜是最常见的仪器。
- 原子力显微镜
原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）是利用原子之间的范德华力来呈现样品的表面特性。AFM将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端固定针尖。当针尖在样品表面扫描时，因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力，使微悬臂产生微小弯曲。检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量，得到样品表面信息。因此，AFM除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。AFM具有原子级高分辨率，即可以分辨出单个原子，且放大倍率连续可调。可实时地观测表面的三维立体图像，这种实时观测的性能可用于表面扩散等物理化学过程的监视、检测。
AFM可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可以将样品浸在水和其他溶液中，且不需要特别的制样技术。探测过程中对样品无损伤。可以对导体、半导体、绝缘体等多种样品成像（见图4），可用于各种表面膜的实时观测。
AFM不需要高真空的必要工作条件，且体积小，成本低，性价比高。
图4 原子力显微镜及成像图片
- 能谱仪
能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）是同时记录所有X射线谱的谱仪，是一种测量X射线强度与X射线能量函数关系的设备。通过测量固体材料被激发的X射线光子的能量进行材料元素定性分析，测量X射线强度进行材料元素定量分析。EDS是电子探针仪、扫描电镜及透射电镜成分分析的重要附件。按照探头位置可以将其分为斜插式能谱仪及平插式能谱仪，按照探头数目可以将其分为单探头能谱仪和多探头能谱仪。
能谱仪测试系统包括接收X射线光子的半导体探测器，信号处理单元及工作站平台。探测器探测X射线信号，并将其转换为电压脉冲信号；信号处理单元接收电压脉冲信号，并经过鉴别、测量，确定所接收到的X射线能量；工作站平台对结果进行分析处理并输出结果。从原理上讲，就是电子束与样品作用后，试样中不同元素会发出不同能量E（不同频率ν）的特征X射线光子。这些光子进入探测器后，在硅晶体内产生一定数目的电子/空穴对。
N＝E/ε
式中，N为电子/空穴对的数目，ε为产生一个电子/空穴对消耗的能量。根据产生电子/空穴对的数目，来分析元素信息。探测器探测X射线信号的能力可以用输入计数（Input Count Rate，ICR）来表示，ICR是能谱仪元素测试及分析的基础，高的ICR可以大幅减少样品测试时间，获得更精确的定量结果。
能谱仪的测试模式主要有面分析、线分析及选区分析。面分析是用元素面分布像观察元素在分析区域内的分布，常用于研究材料中杂质、相的分布以及元素偏析等。线分析即电子束沿试样表面一条线逐点进行的分析，用于观察元素沿该线的变化情况。选区分析，即电子束固定在试样的分析点/区域上进行的定性/定量分析。选区定量分析准确度高，常用于显微结构的晶界、夹杂、析出相、沉淀物等的分析。图5为Au-Cu2O核壳材料元素面分布结果，用于直观表示Au核外包裹Cu的完整情况。
图5 EDS能谱仪及其成像图片
- 电子背散射衍射仪
电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）是使用扫描电子显微镜(SEM)，或聚焦离子束（SEM-FIB）或电子探针显微分析仪（EPMA）测量和扫描晶体试样获得晶体学信息的技术。在EBSD设备中，电子束入射倾斜晶体样品，产生的散射电子在荧光屏上形成衍射花样。这些衍射花样可以表征样品扫描区域的晶体结构和取向等晶体学信息，所以，EBSD是一个非常强大的定量微观组织表征工具。EBSD可以测定晶体取向，取向差，晶粒尺寸，织构，应变分析，晶界特性表征，相识别和相鉴定，断裂分析等。EBSD技术已经应用于金属加工、航空航天、汽车、微电子、地球科学等实际工业生产中，是一项非常成熟的获取样品晶体学信息的手段。
EBSD根据其磷屏位置及光路原理可以分为三种：常规EBSD、离轴TKD （Transmission Kikuchi Diffraction） 和同轴TKD。EBSD的空间分辨率强烈依赖于被测材料的性质、仪器操作参数及EBSD类型，一般情况下，对于常规EBSD，用钨灯丝扫描电镜可获得大约0.25μm的空间分辨率，而用场发射电子枪扫描电镜（FEGSEM）的分辨率极限可达～50nm，同轴TKD可将EBSD的空间分辨率提高一个数量级，极限可达2 nm。通常，晶体取向的测量精度大约为0.5°。
EBSD采集EBSP的一般步骤如图6所示，在电子束扫描点产生背散射电子，满足布拉格定律的电子发生衍射产生菊池花样被荧光屏接收，经过霍夫变换后进行花样的检测，计算机进行快速数据库搜寻得到匹配的取向信息后对EBSP花样进行标定，最后输入该扫描点的相关取向信息并移动到下一个扫描点。
图6 EBSD基本工作流程图
图7为常规EBSD分析3D打印不锈钢样品的反极图，不同颜色代表不同取向。图8为常规EBSD分析矿物样品的相分布图，不同颜色代表不同的矿物相。
图7 常规EBSD分析3D打印不锈钢样品的反极图，不同颜色代表不同取向
图8 常规EBSD分析矿物样品的相分布图，不同颜色代表不同的矿物相