扫描电镜中的阴极发光技术及其在地学中的应用

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1、第3期电子显微学报扫描电镜中的阴极发光技术及其在地学中的应用周科子,)(中国地质科学院矿床地质研究所北京摘要本文介,绍了扫描电镜中的阴极发光技术方法及其原理结合作者对几十种矿物、的阴极发光现象的观氯探讨了它们在矿物成因地质产状以及微量元素地球化学面的意义。等方、,在扫描电镜电子探针分析领域里利用阴极发光技术研究晶态材料和矿物中的晶体缺、,陷杂质元素的存在形式矿物成因和矿物中微量元素的地球化学作用以及矿物在不同地质,,、环境下的某些标型特征等问题是一种很有潜力的矿物学研究方法已经在材料科学矿物、、。,学岩石学地球化学以及矿床学等学科中取得了一些成就阴极发光现象发现很早但作

2、。、、为扫描电镜的一种功能则是较晚的事情由于eres〔,〕smith和stenstron[2〕Long和毗、、,。Agrell〔”〕sipple〔‘〕〔“〕Herzog〔“〕和Remond〔,〕等人的工作使之不断发展业得到了应用一、概述。、阴极发光是样品在电子束轰击下产生的一种物理现象其强度颜色(波长)与材料的、、。。成分结构杂质及束流密度等有关这些信息可以作为研究物质性质的有用依据如mon〔“」,助d分另师天然闪锌矿和人造闪锌矿进行了阴极发光研究建立了阴极发光的空间分布,、;与自然痕量元素分布之间的关系为研究闪锌矿中含CuGa等杂质元素提供了依据smith〔2〕、、,

3、等人以沉积岩中最常涉及到的石英长石方解石和白云石等矿物为对象进行阴极发光研,,究的结果表明在成岩作用期间的碎屑颗粒上有附生现象出现业着重指出砂岩中的压力特。n”征与重结晶作用之间的差异此外还对主矿物中M的存在与发光强度之间的联系作了论。证。阴极发光在研究晶体缺陷方面所显示出的优越性已为许多人所证实这种缺陷常常是晶、。体在漫长的形成过程中受温度压力和各种物理化学条件作用曲产物阴极发光信息为研究这种多。元关系提供了新的可能:来稿日期1984年‘月30日电子显微学报1985年一、、、、、、作者几年来在JSM35型扫描电镜上对锡石错石萤石白钨矿方解石尖晶石、、、、、、、独居石磷

4、灰石长石石英辉石橄榄石云母闪石等几十种矿物的阴极发光进行了,、观察和拍照获得了一系列有关矿物成因。产状及地球化学信息实验与研究结果说,明用扫描电镜获得的阴极发光图象的分1,辨率通常为微米左右对于揭示晶体缺陷。的空间分布是一种较好的方法二、阴极发光的一般理论,发光现象起因于晶体物质的缺陷其过程可概括为激发~能量暂时储存~释放。、(即发光)由于矿物晶体的结构成分和.形成历史的复杂性对阴极发光的理论。解释目前尚不成熟通常人们用能带模型,步解释近年来也开始用配位场理论来比。〔“〕较深入地解释这种现象·能带理论能带理论把发光现象归结于价带与导带之间由各种因素谴成的附加能级间的电~

5、图。,1发光体中的能带模型图解(据Adirowitsch)刊沃迁过程如图1所示D能级是由激,F活剂(杂质)产生的能级是由晶格中。的空位所引起晶体对入射光子或电子的,吸收引起光效应也可以引起电子从价带奋翻喊娜晶格吸收,11和2杂质和映陷吸收抽获吸收向导带的跃迁用图中的箭头表梦。示这种一级过程引起晶体的基态吸收带。(见图2)由于激活剂的引入而派生出边级发射徽发带、、、份例,出棋粗的其它过程(箭头3456)产生杂。(、带,。瓜。。另一些特征性的吸收带如图2所示辐毙射中心即D能级是通过激活剂中心的光吸璐。收而产生的价带中由于晶格吸收能量而,产生空穴这些空穴被激活剂能级跃迁的发射

6、边缘,,电子所填充(箭头3)反过来这个过州侧蔽布。‘’心射程可形成新的D能级”,鑫炭现在导带中的一部分电子与刚刚电l4)孟一~-一-门,离的激活剂中心(图中的箭头重新一,结合的过程产生了特征波长的辐射这种、。图2电离发光体中的吸收激发和翩」过程及其现象就是发光现象光谱响应图解(据Garlick)·酬立场理论第3期扫描电镜中的阴极发光技术及其在地学中的应用3,以配位场理论为基础的现代概念使发光现象得到了新的解释即发光现象是由于激活剂,元素(稀土元素和过渡族元素)未填满的f电子轨道所致或者是由晶体中d轨道对称性的破坏所致。,。,d轨道有定向的趋势通常为立体定向的在自由离子中

7、所有五个轨道具有相同的能,65。,量自由离子具有球对称()如果自由离子结合到晶格中则酉啦基(配位多面体的阴离,。,子)的电子与d电子相互作用业和它们的能级相互作用由于电子之间相斥d电子的能。、级发生分裂有关的过渡金属(杂质)离子与其酬立基之间的能量差是由d电子的数目阳、阳离子、。离子的配位数一阴离子的键长阳离子的电荷以及配位基的对称性等因素所决定的,,,所以由于晶体能场的畸变可以得到附加的跃迁能级就使得由阴极射线引起的低能激发成为可能‘三、阴极发光装置和实验方法1.仪器装置。,扫描电镜中阴极发光探测器由光导管和光电倍增管构成光导管如图3所