扫描电镜原理-SEM剖析

第一节扫描电镜的基本结构及特征第二节电子束和样品作用产生的各类信号分析第三节能谱仪及X射线产生第四节扫描电镜成像及EDS成分分析操作扫描电子显微镜成像及能谱分析OpticalMicroscopeScanElectronMicroscope第一节扫描电镜的基本结构及特征样品腔电子束系统SEM控制台计算机系统样品腔样品台OM&SEMComparison显微镜类型照明源照射方式成像信息OM可见光光束在试样上以静止方式投射反射光/投射光SEM电子束电子束在试样上作光栅状扫描反射电子PicturesofSEM注射针头的扫描电镜照片PicturesofSEM果蝇：不同倍率的扫描电镜照片电子显微镜的分类工作模式：透射电子显微镜扫描电子显微镜分析功能普通型分析型应用范围生物样品用电镜材料科学用电镜电子枪类型场离子发射（FEG）六硼化镧LaB6钨灯丝样品室真空度ESEM环扫低真空普通高真空电子枪亮度单位面积单位立体角的电流密度场离子发射（FEG）107–109热场和冷场六硼化镧LaB6106钨灯丝105电子枪总束流钨灯丝–最大六硼化镧LaB6中间场离子发射–最小电子枪★焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究★放大倍数范围广，从几十倍到二三十万倍。★制样简单，样品的电子损伤小这些方面优于TEM，所以SEM成为高分子材料常用的重要剖析手段扫描电镜的最大特点SEM与TEM的主要区别★在原理上，SEM不是用透射电子成像，而是用二次电子和背散射电子成像。★在仪器构造上，除了光源、真空系统相似外，检测系统完全不同。SEM的主要受到电子束直径的限制，这里电子束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越随得到好的分辨效果。但电子束直径越小，信噪比越小。扫描电镜(SEM)基本概念分辨率SEM的焦深是较好光学显微镜的300－600倍。焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦。焦深衬度表面形貌衬度原子序数衬度dFa＝2△F——焦深；d——电子束直径；2a——物镜的孔径角原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背散射电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的差异相当敏感，而二次电子不敏感。衬度表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸(称为表面地理)决定的。一般情况下，入射电子能从试详表面下约5nm厚的薄层激发出二次电子。表面形貌衬度原子序数衬度扫描电镜(SEM)基本工作原理电镜构造的两个特点1、磁透镜磁透镜工作原理光学显微镜中的玻璃透镜不能用于电镜，因为它们没有聚焦成像的能力。由于电子带电，会与磁力线相互作用，而使电子束在线圈的下方聚焦。只要改变线圈的励磁电流，就可以使电镜的放大倍数连续变化。为了使磁场更集中在线周内部也包有软铁制成的包铁，称为极靴化，极靴磁透镜磁场被集中在上下极靴间的小空间内，磁场强度进一步提高。2、因为空气会便电子强烈地散射，所以凡有电子运行的部分都要求处于高真空，要达到1.33×10－4Pa或更高。一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当电子的运动方向被改变，称为散射。散射弹性散射非弹性散射电子只改变运动方向而电子的能量不发生变化电子的运动方向和能量都发生变化第二节电子束和样品作用产生的各类信号分析散射及散射电子透射电子直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射电镜(TEM)的成像和衍射二次电子如果入射电子撞击样品表面原子的外层电子，把它激发出来，就形成低能量的二次电子，在电场的作用下它可呈曲线运动，翻越障碍进入检测器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成像。二次电子的强度主要与样品表面形貌有关。二次电子和背散射电子共同用于扫描电镜(SEM)的成像。特征X射线如果入射电子把样品表面原子的内层电子撞出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能量以电磁辐射的形式放出，就产生特征X射线，可用于元素分析。俄歇(Auger)电子如果入射电子把外层电子打进内层，原子被激发了．为释放能量而电离出次外层电子，叫俄歇电子。主要用于轻元素和超轻元素(除H和He)的分析，称为俄歇电子能谱仪背散射电子入射电子穿达到离核很近的地方被反射，没有能量损失；反射角的大小取决于离核的距离和原来的能量，实际上任何方向都有散射，即形成背景散射阴极荧光如果入射电子使试样的原于内电子发生电离，高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较长(在可见光或紫外区)，称为阴极荧光，可用作光谱分析，但它通常非常微弱~10nm:二次电子~1~2mm:背散射电子~2~5mm:X-射线/阴极荧光交互作用区一次电子束电子束-样品交互作用区同一样品,不同能量电子束25kV15kV5kV不同样品,同一能量电子束银碳铁70倾斜30倾斜0无倾斜样品面倾斜效应-边缘效应X-射线的空间分辨率低原子序Z高原子序Z高加速电压kV低加速电压kV1.电子束斑大小基本不能影响分辨率2.而加速电压kV和平均原子序Z则起决定作用。信号的方向性SE信号–非直线传播通过探头前加有正电压的金属网来吸引BSE信号–直线发散传播探头需覆盖面积大X-射线信号–直线发散传播样品中出来的信号电子的能量和强度050eV2kVEPESEBSEAuger频数电子能量样品电流平衡IPCISEIBSEISC样品ISE+IBSE+ISC=IPC消除荷电效应镀层快速扫描较低的加速电压较小的束斑SEM样品室SE与BSE成象SE–主要反映边界效应，对充电敏感，非常小的原子序Z衬度。BSE–主要反映原子序Z衬度，无边界效应，不显示充电现象。第三节能谱仪及X射线产生物质受到高能粒子轰击所发出的波长为10-5~100Å的电磁辐射称为X-ray。X-射线信号的产生X-ray的波长λ与能量E的关系λ=hcEeE=hcλeh：普朗克常数6.6×10-27尔格/秒c：光速3×1010厘米/秒e：电荷4.8×10-10静电单位X-ray的强度单位时间内通过某一面积的X-ray光子的数量用cps表示：count-per-secondX-ray按产生机制分类：连续X-ray特征X-ray连续X-ray与特征X-ray连续X-ray：束电子与原子的原子核库仑电场相互作用，受到库仑电场制动，逐渐减速，同时辐射出X-ray。特征X-ray：束电子与原子相互作用，把原子的内层电子激发出来，在原子的内壳层上留下一个空位，这时原子处于受激状态；紧接着发生电子跃迁，外层电子跃迁到内层填补空位，从而使原子恢复到基态；电子跃迁的同时释放出具有特征能量的X-ray。X-ray的性质波粒二重性X-ray以光速传播，在电、磁场中不发生偏转X-ray会使气体、液体、固体电离X-ray有散射、吸收、荧光特性X-ray可使感光材料曝光X-ray与物质相互作用可以改变一些晶体结构电子进入样品后的情形一穿而过，不出信号电子进入样品后的情形二次电子不出信号电子进入样品后的情形背散射电子不出信号二次电子Xray电子进入样品后的情形可能产生X射线信号1.2.SE3.BSE4.Xray电子进入样品后的情形5.非弹性散射连续X-射线白光(连续X-射线)特征X-射线击出电子入射电子束Icm≈iZ平均（E0-E)/Ei：电子束流Z平均：样品的平均原子序数E0：入射电子能量E：X-ray光子能量连续X-ray的强度随入射电子束流增加而增加连续X-ray的强度随能量增加而下降连续X-射线强度特征X-射线特定元素原子释放出的X-ray具有特定的能量/波长B、C：常数Z：原子序数λ：特征X-ray波长原子的波尔模型（简单）—X-射线的产生实际的谱线是更为复杂的，因为原子有多层轨道,例如L,M和N层。在EDS中L-线系谱可能高达6或7条谱。MaLbLaKaKb原子核铁的特征X-射线能级特征X-射线分类方法根据被激发产生空位的核外电子层，将特征X-ray分为K、L、M、……线系；在线系中，根据跃迁前电子所在壳层分为α1、α2、β1、β2……子线系。CuKα1子线系符号元素符号线系符号特征X-射线符号组成轻元素往往只有K系谱线元素的特征X-射线原子序数越大，产生的线系越多，X-ray谱线越复杂重元素电子层多，结构复杂，因而特征X谱线也复杂。K，L、M系谱线会同时出现。特征X-ray谱线的权重Ka(1)Kb(0.1)La1,2(1)Lb1(0.7)Lb2(0.2)Lb3(0.08)Lb4(0.05)Lγ1(0.08)Lγ3(0.03)Ll(0.04)Lη(0.01)Ma(1)Mb(0.6)M(0.05)M(0.06)MIINIV(0.01)表示某系特征X-ray产生的相对几率New!特征X-ray的能量E：电子跃迁前后的势能之差同一元素，不同线系的能量：EKELEM…从原子中某电子层激发一个电子所需的最小能量临界激发能的关系是K﹥L﹥M因此，如果有K系特征谱峰就必然有L系、M系等特征X谱峰常用的加速电压为20KV～30KV，对有些重元素有可能激发不出K系特征X-ray。特征X-射线临界激发能X-ray的色散及探测X-ray的色散-Disperse：将不同能量或波长的X-ray光子分开波长色散：按波长不同将其分开-波谱仪能量色散：按能量不同将其分开-能谱仪New!X-射线谱线-色散-能量/强度直方图特征X-射线谱线将各元素的特征X-射线以能量/强度直方图方式展现特征X-ray的探测：探测器名称探测器所用物质探测效率能量分辨率闪烁体计数器闪烁体（NaI)低低正比计数器P10气体(90%氩+10%甲烷）高低半导体探测器Si(Li)高高真实的K,L和M谱线(峰)按原子序数顺序的K线峰的位置0~10kV之间可见特征谱线(峰)K线系-Be(Z=4)到Ga(Z=31)L线系-S(Z=16)到Au(Z=79)M线系-Zr(Z=40)到最高可能出现的原子序号。每一个元素（Z3）在0.1到10keV都具有至少一个可见谱线。对一些重叠状态，可能需要在10到20keV的范围进行测定。能谱仪硬件几何参数硬件示意图显示器(MCADisplay)计算机EDAMPCI杜瓦瓶前置放大器SEM镜筒终透镜样品台样品室探头窗口准直器FET信号处理示意图电子束和样品相互作用谱解析信号处理信号检测X-射线信号电子束POLEe-E-TRAPSAMPLETOASAWINDOW(&LIGHTTRAP)OVERGRIDACTIVESi(Li)FETDEADLAYERToPREAMPCOLDFINGERhCOLLIMATOR探头参数物镜极靴取出角y采集立体角W探头样品谱的异常X-射线的吸收探头电子束荧光X-射线交互作用区样品背散射电子X-射线信号探测的方向性ABC探头方向样品样品台表面形貌对谱的计数率和成分分析（取出角和吸收效应）有着重大的影响。BACA=较低的低能端峰B=正常C=较高的低能端峰取出角在C点最高而在A点最低。在成分均匀的同一颗粒上3个位置的3个不同的谱。X-射线信号探测的方向性倾斜的效应(FeCO3)EDS仪器和信号检测X-射线探头X-射线探头的检测效率几何效应信号处理及信号处理器能量分辨率准直器POLEe-E-TRAPSAMPLETOASAWINDOW(&LIGHTTRAP)OVERGRIDACTIVESi(Li)FETDEADLAYERToPREAMPCOLDFINGERhCOLLIMATORX-探头的窗口和晶体部分(Sapphire)X-射线（光子）电镜样品室探头真空腔探头窗8uBe或0.3u聚合物+,-空位，电子Si(Li)探头晶体至前置放大器(FET)金属层，（85Â）及Si死层-500至1000伏CaXray=3690eV/3.8eV/e-=971e-NXray=392/3.8=103e-DetectorWindowSUTW,4-ply--poly/Al/poly/Al.TotalThicknessis0.34mm.Siliconsupportgridwithverticallyoriented“venetianblind”arrangement–80%transmis