SEM原理和EPMA

扫描电子显微镜电子束与固体样品的交互作用引言扫描电镜结构原理扫描电镜图象及衬度扫描电镜结果分析示例扫描电镜的主要特点电子与固体试样的交互作用一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。样品入射电子Auger电子阴极发光背散射电子二次电子X射线透射电子X射线衍射仪电子探针仪扫描电镜X射线二次电子韧致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当高速电子照射到固体样品表面时，就可以发生相互作用，产生一次电子的弹性散射，二次电子，等信息。这些信息与样品表面的几何形状以及化学成份等有很大的关系。通过这些信息的解析就可以获得表面形貌和化学成份的目的。表面电子信息各种信息的作用深度从图中可以看出，俄歇电子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次电子小于10nm。各种信息分辨率比较材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主要分析材料的几何形貌，材料的颗粒度以及颗粒度的分布等方面。扫描电子显微镜是最常用的显微形貌分析仪器之一。引言显微镜的工作原理三种显微镜比较扫描电镜结构原理1.扫描电镜的工作原理及特点扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。SEM是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。SEM与电子探针（EPMA）的功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱仪（WDS）。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。扫描电镜成像示意图扫描电镜成像示意图JSM-6700F场发射扫描电镜返回2.扫描电镜的主要结构主要包括有电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图象显示和记录系统、电源和真空系统等。透射电镜一般是电子光学系统（照明系统）、成像放大系统、电源和真空系统三大部分组成。比较1）电子光学系统电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。1电子枪：其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数电镜采用热阴极电子枪（钨丝）。其优点是价格便宜，对真空度要求不高，缺点是电子发射效率低，发射源直径较大，在样品表面上的电子束斑直径最小为5-7nm。现在，高等级电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度，并且价格昂贵。2电磁透镜其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50mm的束斑聚焦成一个只有数nm的细小束斑。其工作原理是电磁聚焦。一般有三组透镜，前两个为强透镜，用来缩小电子束光斑直径。第三个是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。3扫描线圈其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。扫描线圈是电子显微镜的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。4样品室样品室中主要部件是样品台。可进行三维空间的移动，及倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40毫米，倾斜范围：0－50度左右，转动角度：360度。样品室中还要安置各种信号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。样品台还可以带有多种附件，例如样品在样品台上加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。样品台可放置的最大样品：直径2cm、高度1cm。其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：二次电子检测器，背散射电子检测器和X射线检测器。电子检测器最常用到，它由闪烁体、光导管和光电倍增器组成。2）信号检测放大系统当信号电子进入闪烁体时将引起电离；离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着光导管传送到光电倍增器进行放大，并转变成电流信号输出；电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染，提供高的真空度，一般情况下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。3）真空系统和电源系统1放大倍数若入射电子束在样品表面扫描的幅度为As，在荧光屏阴极射线同步扫描的幅度为Ac，则扫描电镜的放大倍数为:M=Ac/As由于荧光屏尺寸是固定不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度来实现的。如果荧光屏的宽度Ac=100mm，当As=5mm时，放大倍数为20倍。如果减少扫描线圈的电流，电子束在试样上的扫描幅度为Ac=0.05mm，放大倍数可达2000倍。目前商品化的电镜放大倍数可以从20－40倍调节到数十万倍。4）电子显微镜的放大倍数和分辨率2分辨率分辨率是电镜的主要性能指标。对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。分辨率大小由入射电子束直径和检测信号类型共同决定。电子束直径越小，分辨率越高。但由于用于成像的物理信号不同，在样品表面的发射范围也不相同，从而影响其分辨率。例如SE和BE，一般SE像的分辨率约为5-10nm，BE像的分辨率约为50-200nm。影响分辨率的主要因素：△初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑△入射电子在样品中的散射效应△对比度扫描电镜图象及衬度二次电子像背散射电子像二次电子像入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子（价带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于50eV电子统称为二次电子，仅在样品表面5nm－10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重要原因之一。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，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，一般可达到5-10nm。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，它主要取决与表面形貌。因此一般所说的电子显微镜照片即是指收集到的二次电子信号转化成的图象。简称形貌像。二次电子信号主要来自样品表层5-10nm深度范围，因为只有在这个深度范围，由于入射电子激发而产生的二次电子，才具有足够的能量，克服材料表面的势垒，使二次电子从样品中发射出来。入射电子能量E较低时，随束能增加二次电子产额δ增加，而在高束能区，δ随E增加而逐渐降低。原因是进入试样的深度…除了与入射能量有关外，δ还与二次电子束与试样表面法线之间的夹角有关，二者之间满足以下关系：δ＝k/cosθδ：二次电子产额θ：电子束与试验表面法线之间的夹角k：比例常数可见，入射电子束与试样夹角越大，二次电子产额也越大。产生上述规律的原因：随θ角的增加，入射电子束在样品表层范围内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多，产生二次电子数量就增加；其次，是随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多，从而二次电子的产额增大。凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探测器很容易全部被收集，所以二次电子图像无阴影效应。注意在扫描电镜中，二次电子检测器一般是装在入射电子束轴线垂直的方向上。二次电子信号主要来处样品表层5－10nm的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，便对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。形貌衬度原理左图中样品上B面的倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低。反之，C面倾斜度最大，亮度也最大。二次电子像的优点：（1）分辨率高,最高可达60A；（2）放大倍数灵活，几十到10万可调（3）景深大，是光学显微镜的几百倍，所以立体感强（4）反差对比度好，图象细节清楚（5）可以与成分分布状态结合观察（后述）背散射电子像背散射电子是指入射电子与样品相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样品表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量(E。)。背散射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。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度的那些入射电子，其能量基本无变化（几到几十KeV）。非弹性背反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。能量范围很宽，从数十eV到数千eV。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样品的100nm-1mm深度，能量在几十－几千eV。背散射电子成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。背散射电子及二次电子的产额随原子序数的增加而增加，但二次电子增加的不明显。而背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性地成分分析。iiizcZ背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为43~32ZI式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。背散射电子像背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z大的部位而形成较亮的区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子像。由于ZrO2相平均原子序数远高于Al2O3相和SiO2相，所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石－斜锆石共析体，基体灰色相为莫来石。玻璃不透明区域的背散射电子像三、二次电子象与背散射电子象的比较二次电子象背散射象主要利用形貌衬度成分衬度收集极+250－500V－50V分辨率高较差无阴影有阴影信号大，信噪比好扫描电镜结果分析示例β—Al2O3试样高体积密度与低体积密度的形貌像2200×抛光面断口分析典型的功能陶瓷沿晶断口的二次电子像，断裂均沿晶界发生，有晶粒拔出现象，晶粒表面光滑，还可以看到明显的晶界相。粉体形貌观察α—Al203团聚体(a)和团聚体内部的一次粒子结构形态(b)(a)300×(b)6000×钛酸铋钠粉体的六面体形貌20000×返回扫描电镜的主要性能与特点放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M总）景深大（F≈d0/β）保真度好样品制备简单放大倍率高从几十放大到几十万倍，连续可调。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择。如果放大倍率为M，人眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则有效放大率M＝0.2106nm5nm=40000（倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率，不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪器放大倍率指标。分辨率高分辨率指能分辨的两点之间的最小距离。分辨率d可以用贝克公式表示：d=0.61/nsin，为透镜孔径半角，为照明样品的光波长，n为透镜与样品间介质折射率。对光学显微镜＝70－75，n=1.4。因为nsin1.4，而可见光波长范围为：＝400nm-700nm，所以光学显微镜分辨率d0.5，显然d200nm。要提高分辨率可以通过减小照明波长来实现。SEM是用电子束照射样品，电子束是一种DeBroglie波，