扫描电镜与其附件的结构、原理和相关应用

扫描电镜与其附件的结构、原理和相关应用第一部分扫描电镜的结构、原理及分类前言扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope),简称扫描电镜（SEM），是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。目前，扫描电镜已经在多个领域得到了应用，尤其在材料研究领域，扫描电镜已经成为了应用最为广泛的设备之一，这就迫切要求我们对扫描电镜要进行细致深入的了解。1、扫描电子显微镜的历史德国科学家MaxKnoll在1935年设计的一台仪器被认为是第一台扫描电子显微镜。如左下图，他将一个阴极射线管改装，以便放入样品，从另一个阴极射线管获得图像。（两管用一个扫描发生器同步扫描，用二次电子信号调制另一台显示器。）束斑尺寸在0.1~1mm之间，因为二次电子发射的变化产生反差，但没有实用价值。装置虽然简单，但勾画出了扫描电镜的原理性轮廓。二战后英国剑桥大学工程系的CharlesOatley和McMullan在英格兰建造了他们的第一台SEM,到1952年，他们实现了50nm的分辨率。CharlesOatley和McMullan建造的扫描电镜第一台可以用来检测样品的扫描电镜是1942年，Zworykinetal在美国RCA实验室建造的，分辨率1微米。1965年首台商品化扫描电镜诞生，体现扫描电镜具有广泛的应用价值。英国剑桥仪器公司制造的第一台商品化扫描电镜2、扫描电子显微镜的构造现代扫描电镜结构示意图扫描电镜电子源比较3、扫描电子显微镜的工作原理材料与电子的相互作用被散射电子二次电子特征X光俄歇电子吸收电子入射电子透射电子试样试样表面形态对二次电子产额的影响少黑多亮中灰θ=0θ=25θ=45二次电子像的形成Hitachi冷场发射扫描电镜FEI热场发射扫描电镜扫描电镜的主要类型Hitachi钨灯丝扫描电镜KYKY钨灯丝扫描电镜日立TM3030台式扫描电镜第二部分扫描电镜的特点及应用前言扫描电镜因其独特的特点，相对简单的制样方法，丰富的功能及广泛的应用范围，受到越来越多的科研工作者的青睐。扫描电镜与X射线衍射仪，透射电镜已经成为材料分析测试中使用非常频繁的“三大件”。掌握扫描电镜的特点及其应用，成为我们能否用好扫描电镜以及充分发挥其功能的首要问题。1、扫描电子显微镜的特点扫描电子显微镜具有如下特点：（1）分辨率高高端的场发射扫描电镜分辨率目前已经可以达到或优于1nm。如右图所示。（2）放大倍率范围宽放大倍率可从几倍到几十万倍，例如日立S4800冷场发射扫描电镜的放大倍率可从20~800,000倍。（3）三维立体效果好（4）样品制备相对简单随着可变压力扫描电镜（VPSEM）和环境扫描电镜（ESEM）的发展，使一些常规的扫描电镜难以观察或难以获得较好图像的样品，如含水的动植物或绝缘体均可直接观察，大大拓宽了扫描电镜的应用范围。XL30ESEM-TMP环境扫描电镜(5)可加装多种附件，综合分析能力强SEM+EDS+EBSD拉伸台（1）几何尺寸合适。样品大小尺寸不能超过电镜样品仓允许安放的最大尺寸。（2）导电性尽量好。样品在电子束反复扫描下表面电位不会升高，避免荷电效应。（3）热稳定性好。不会在电子束照射下发生“热漂移”、“热损伤”、“热分解”现象，应该尽量减少或避免这些影响。（4）二次电子和背散射电子产率高。这两类信号电子的产率对于获得高质量图像是必要的。扫描电镜样品的基本要求：2、扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜的主要应用范围如下：（1）金属、陶瓷、高分子、矿物、水泥、半导体、纸张、化工产品的显微形貌观察以及材料的晶体结构、相组织分析。（2）各种材料微区化学成分的定性定量检测。（3）粉末、微粒、纳米样品形态观察和粒度测定。（4）机械零件与工业产品的失效分析。（5）镀层厚度、成分与质量测定。（6)刑侦案件物证分析与鉴定。（7）生物、医学和农业等领域。宣纸的表面形貌其它学科中扫描电镜的应用举例：草叶表面形貌手机用陀螺仪形貌微电路扫描电镜观察雪花扫描电镜观察（冷台）昆虫扫描电镜观察人的头发扫描电镜观察血细胞扫描电镜观察白细胞红细胞血小板高速钢中的碳化物组织扫描电镜在材料科学中的应用（1）材料组织或表面形貌观察氧化铝陶瓷表面形貌高分子心血管支架表面形貌人造金刚石形貌铝合金组织深腐蚀形貌摩擦磨损形貌（2）材料断口分析及失效分析钢铁沿晶断口钢铁疲劳断口解理断口韧窝断口汽车排气系统不锈钢管材的焊缝疲劳实验的断口照片，断裂在母材上，不在焊缝。分析：汽车尾气中含有有害元素，晶界偏聚低熔点元素（PbAsSnSb），弱化晶界，可能沿晶断裂。再有可能是晶间腐蚀和高温疲劳。铝合金车轮毂拉伸断口断口缺陷处局部放大(3)纳米材料的表征纳米氧化锌阵列银纳米线石墨烯的介孔结构石墨烯层片状结构(4)晶粒大小及颗粒粒度等尺寸统计钢铁马氏体组织氧化铝颗粒（5）相鉴别背反射电子产额原子序数样品倾角利用背反射电子不仅可观察形貌像，还可定性分析成分组成及各组分的分布，结合EDS可对样品中复杂夹杂物的形状、组成、分布等进行精细研究。二次电子像及其对应的背反射电子像SEBSE背反射成分像对多组分相的区分（6）微区成分定性、定量分析WDSEDS（7）确定晶体结构、取向等信息电子背散射衍射技术(EBSD)是基于扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出并形成的衍射菊池带的分析从而确定晶体结构、取向及相关信息的方法。SEM+EDS+EBSDEBSD的应用第三部分能谱仪的原理及工作模式前言能谱仪(EDS，EnergyDispersiveSpectrometer)是用来对材料微区成分进行分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜以及扫描透射电子显微镜使用的一种仪器。能谱仪诞生于20世纪70年代初，由于其结构简单，使用方便，检测速度快，与电镜和其他附件配合可提供样品相貌、成分、晶体学特征，实现综合分析，因此得到了广泛应用。使用Si（Li）探测器液氮制冷的能谱仪使用硅漂移（SDD)探测器电制冷的能谱仪1、能谱仪的结构计算机偏压电源低温供应Si(Li)探测器前置放大器主放大器脉冲处理器计算机输出与X射线能量成正比的电脉冲脉冲整形和放大信号降噪，将脉冲装换为计数，在对应通道内累加计数，消除脉冲堆积显示谱；数据处理；定性定量E0样品能谱仪工作流程方框图能谱仪的工作模式（1）点分析电子束固定在试样感兴趣的点上，进行定性或定量分析。该方法准确度高，用于显微结构的成份分析，对低含量元素定量的试样，只能用点分析。ElementWeight%Atomic%NetInt.NetInt.ErrorOK4.057.2734.220.06MgK73.3486.72730.90PK1.471.3625.90.08DyL17.593.1185.450.09ZnK3.551.5618.640.16（2）线扫描电子束沿一条分析线进行扫描时，能获得元素含量变化的线分布曲线。结果和试样形貌像对照分析能直观地获得元素在不同相或区域内的分布。（3）元素面分布电子束在试样表面扫描时，元素在试样表面的分布能在屏幕上以亮度（或彩色）分布显示出来，亮度越亮说明元素含量越高。研究材料中杂质、相的分布和元素偏析常用此方法。为了保证准确的定量结果，样品应满足如下条件：（1）在真空和电子束轰击下稳定，样品组分不会蒸发或分解。（2）分析面平坦，与电子束垂直。（3）样品上被检区域尺寸应大于X射线扩散范围，减少基体的影响。（4）有良好的导电和导热性能，没有荷电现象，分析部位稳定。（5）样品为均质材料，无污染。EDS分析对样品的要求：能谱仪探测器的元素检测范围：铍窗探测器的元素检测范围为11Na~92U。超薄高分子窗口探测器的检测范围为4Be~92U。能谱仪的最低检测限（CDL）：对于低于Na以下的轻元素(定量）均不能准确检测，而对于中等原子序数的元素，在最佳工作条件下，CDL约为1000ppm,相当于最低检测浓度为0.1%，一般来说检测限为0.1%~0.5%。关于能谱仪你应该知道的那点事：第四部分电子背散射衍射技术及其应用电子背散射衍射技术电子背散射衍射（ElectronBackScatterDiffraction,简称EBSD）技术是基于扫描电镜中电子束在倾斜样品表面激发出并形成的衍射菊池带的分析从而确定晶体结构、取向及相关信息的方法。在该技术的发展中，相关的名称也有所变化，如EBSP（electronbackscattereddiffractionpattern）,BKD（backscatteredKikuchidiffraction)。商业上强调其取向分析功能，因此又有以下名称：OIM(orientationimagingmicroscopy);ACOM(automatedcrystalorietationmapping);COS(crystalorientationsystem).EBSD系统的组成及原理EBSD探头的几何配置EBSD相机采集的菊池条带菊池条带的产生(1)电子束轰击样品(2)电子全方位散射(3)满足晶面(hkl)布拉格方程nλ=2dsinθ的电子出射，形成菊池条带(Kikuchibands）电子背散射衍射花样的采集和标定EBSD技术与其它技术比较EBSD⑴良好的空间分辨率（~10nm)⑵良好的角分辨率（~0.2°）⑶物相、晶粒尺寸、晶粒/亚晶的分布可视化⑷尺度mm~20nm的局部织构及局部的晶体取向可视化⑸可精准确定含量微少的物相⑹合理快速的自动化数据统计⑺可同时获取晶体的结构，取向等大量信息⑻良好的实用性并可获得二维和三维的信息⑼样品制备需要经验，且比较耗时⑽样品尺寸有限制光学金相法⑴样品制备容易⑵空间分辨率差⑶物相的确定需要依靠经验X射线衍射⑴样品制备简单⑵快速强有力的确定未知物相的技术⑶无法获取物相的分布信息⑷获取晶体的尺寸信息相对困难⑸低体积分数（~2%）物相的信息无法获得⑹可能出现峰重叠⑺数据的解析复杂而且需要一定的专业知识透射衍射⑴高达原子级别（~0.08nm)的空间分辨率⑵高精度⑶极其有限的分析区域⑷样品制备困难⑸有限的自动化操作⑹可获得少量的三维信息⑺较差的统计性EBSD是最快速、最值得信耐的从固态的晶体材料中获得晶体的结构和取向信息的材料研究手段。EBSD样品的制备EBSD的信号来自试样表层几纳米的晶格，因而是一种对样品表面很敏感的技术。因此，避免样品表层的损伤、污染以及氧化是非常重要的，这也使制样成为获得良好的EBSD数据的极为重要的因素。样品在进行EBSD分析时必须保持较大的倾角（通常是70度），所以要求样品表面形貌必须保持在一个绝对的最小值。如果样品制备不好，那么EBSD花样将会非常弱和模糊不清。不过，有时样品的固有特征（如经过冷变形）将会导致较差的EBSD花样，并且样品制备并不能对此进行改善。针对EBSD的制样方法有多种，根据样品的成分和结构才能正确地选择合适的制样方法。然而并没有哪种单独的制样方法对所有的样品都有效，因而有时不得不尝试用不同的方法来对你的样品进行制备。以下介绍几种常用的制样方法：（1）机械抛光基本包含四个步骤：镶嵌、研磨、抛光、精抛（硅胶）（2）电解抛光很多金属样品采用电解抛光的方法都可以将材料表面处理得很好，这种方法可以去除样品表面的形变层，包括表面的凹凸不平。但是并没有哪种电解抛光方法对所有的材料都有效——对于每种指定的样品都需要采用正确的抛光溶液。可通过科技文献和设备制造商网站查询抛光液配方。在抛光中，有很多因素可以影响抛光率：所用的抛光溶液，抛光电压，抛光液温度，样品尺寸和抛光时间。（3）化学腐蚀化学腐蚀相对于电解抛光来说是一种略微简单的制备方法，它对参数的设置并不是非常严格。通常来说样品在冲洗（通常用乙醇）以及吹干之前需要浸入腐蚀剂中数秒钟的时间。采用没有残留的腐蚀剂非常重要，同时选择合适你的材料的腐蚀剂。一种最常用的腐蚀剂是5%硝酸，95%乙醇。注意无论是腐蚀还是电解抛光，通常都需要经过至少研磨和精细抛光的几步，通过化学腐蚀或者电解抛光过程都可以增强样品的形貌特征。（4）离子腐蚀或离子研磨虽然在TEM分析的样品制备中离子束腐蚀已经是很常规的制样手段，但是在EBSD的制