现代分析测试技术-扫描电镜

化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineeringScanningElectronMicroscopy化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering2“清晨林中漫步”氧化锡纳米线的SEM照片化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering3“花粉上的黄昏”二氧化钛花粉表面的SEM照片。此花粉是通过形状不变的“气-固”替换反应被转化成了氧化钛。其外观上的粒状表面是纳米晶体锐钛矿。此图经后续图片加工，增加了颜色和照明效果。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering4人体单个淋巴细胞SEM图像苍蝇SEM图像蜜蜂SEM图像霍乱细菌SEM图像化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering5各种花粉的SEM图像化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering6教学目标（4学时）学习和掌握扫描电子显微镜(简称扫描电镜)的基本特征内容掌握扫描电子显微镜的基本原理、结构清楚理解扫描电子显微镜原理中的物理概念理解扫描电镜制样方法了解扫描电镜的应用化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering77人眼扫描电子显微镜分辨率：0.1~0.2mm0.2μm1nm光学显微镜透射电子显微镜一、与其他显微镜比较，扫描电镜的特点化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering88光学显微镜扫描电镜优点：可观察大块样品缺点：分辨本领、放大倍数、景深低透射电子显微镜优点：分辨本领、放大倍数高缺点：对样品厚度要求苛刻优点：分辨本领、放大倍数高，景深大，样品制备方便，配有X射线能谱仪装置，可同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析断口形貌分析纳米材料形貌分析微电子工业检测……化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering99(a)光学显微镜图像(b)扫描电子显微镜图像多孔硅的两种图像比较图像景深小成像质量差仅看清硅柱在某一高度附近的形貌图像景深大且分辨率较高完整的多孔硅形貌像化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1010样品电子束晶格位场电子库仑场透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子入射电子方向变化，动能无变化入射电子方向变化，动能变化散射弹性散射非弹性散射电子、光子、中子等二、电子与固体试样的交互作用化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1111样品电子束透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子二次电子是指被入射电子束轰击出来的样品中原子的核外电子。入射电子与样品中原子的价电子发生非弹性散射作用而损失的那部分能量（30～50eV）激发核外电子脱离原子，能量大于材料逸出功的价电子可从样品表面逸出，成为真空中的自由电子特征二次电子的能量较低。二次电子试样表面状态非常敏感，能有效显示试样表面的微观形貌；二次电子的分辨率可达5～10nm，即为扫描电镜的分辨率。2.1电子显微镜常用的信号化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1212样品电子束透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子背散射电子是被固体样品中的原子反弹回来的一部分入射电子。特征背散射电子反映样品表面的不同取向、不同平均原子量的区域差别，产额随原子序数的增加而增加；利用背散射电子为成像信号，可分析形貌特征，也可显示原子序数衬度而进行定性成分分析。与样品中原子核作用而形成的弹性背散射电子与样品中核外电子作用而形成的非弹性背散射电子化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1313样品电子束透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子x射线入射电子和原子中的内层电子发生非弹性散射作用而损失一部分能量（几百个eV），激发内层电子发生电离，形成离子，该过程称为芯电子激发。除了二次电子外，失去内层电子的原子处于不稳定的较高能量状态，将依一定的选择定则向能量较低的量子态跃迁，跃迁过程中发射出反映样品中元素组成信息的特征X射线特征X射线光子反应样品中元素的组成情况，可用于材料的成分分析。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering14高速度粒子(电子或光子)激发态KLhKL=L-KKL=h=hc/对于原子序数为Z的确定的物质来说，各原子能级的能量差是固有的，所以λ也是固有的特征X射线产生示意图：化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1515样品电子束透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子Auger电子在特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为Auger（俄歇）电子。特征俄歇电子的平均白由程很小(1nm左右).只有在距离表面层1nm左右范围内(即几个原子层厚度)逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特别适用于表面层的成分分析。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1616样品电子束透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子吸收电子入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽,最后被样品吸收。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。利用测量吸收电子产生的电流，既可以成像，又可以获得不同元素的定性分布情况特征当电子束入射一个多元素的样品表面时，则产生背散射电子较多的部位(原子序数大)其吸收电子的数量就较少。可进行微区成分定性分析。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1717样品电子束透射电子背散射电子二次电子X射线Auger电子阴极发光吸收电子透射电子如果被分析的样品很薄．那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。特征它含有能量和入射电子相当的弹性散射电子，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。携带被样品衍射、吸收的信息，可进行微区成份定性分析。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering1818电子在样品内散射区域的形状主要取决于原子序数，改变电子能量只引起作用体积大小的改变而不会显著改变形状。2.2各种信号的深度与区域大小高能电子束受到物质原子的散射作用偏离入射方向，向外发散；随着深度的增加，分布范围增大，动能不断降低、直至为0，形成一个作用区。“梨形作用体积”：对轻元素样品，入射电子经多次小角散射，在未达到较大散射角之前已深入样品内部；最后散射角增大，达到漫散射的程度。“半球形作用体积”：对重元素样品，入射电子在样品表面不很深的位置就达到漫反射的程度。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering19化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering2020深度能逸出材料表面的俄歇电子距表面的深度：0.4~2nm；能逸出材料表面的二次电子距表面的深度：5~10nm；能逸出材料表面的X射线距表面的深度：500nm~5μm。分辨率二次电子像的分辨率主要取决于电子探针束斑尺寸和电子枪的亮度。二次电子的最高分辨率可达0.25nm。扫描电镜的分辨率指的是二次电子的分辨率。表面信号俄歇电子二次电子背散射电子X射线﹥﹥5~10nm50~200nm100~1000nm化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering2121三、扫描电镜工作原理光栅扫描：电子束受扫描系统的控制在样品表面上逐行扫描；试样的扫描区与显示器上的图象一一对应。逐点成像：电子束扫描的每一点都会产生相应的信号，信号越强，像点越亮。逐点成像光栅扫描化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering2222四、扫描电镜的构造扫描电镜电子光学系统信号收集及显示系统真空系统和电源系统化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering23扫描电镜图像的放大倍数定义为显像管中电子束在荧光屏上的扫描振幅和电子光学系统中电子束在试样上扫描振幅的比值.M=L/lM:放大倍数L：为显像管的荧光屏尺寸l：电子束在试样上扫描距离化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering2424电子枪电磁透镜扫描系统样品室4.1电子光学系统：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。主要组成部分化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering251）电子枪发卡式钨灯丝热阴极电子枪六硼化镧热阴极电子枪场发射电子枪化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering26栅极电压比阴极更负，自偏压回路起限制和稳定电子束流的作用。发射电子使电子汇聚使电子加速热阴极电子枪原理化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering27钨灯丝电子枪发射率较低，只能提供亮度104-105A/cm2、直径20-50um的电子源。经电子光学系统中二级或三级聚光镜缩小聚焦后，在样品表面束流强度为1011-1013A/cm2时，扫描电子束最小直径才能达到60-70nm。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering28六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用LaB6只要在1500K即可达到，而且亮度更高，因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子能量散布为1eV，比钨丝要好。但因LaB6在加热时活性很强，所以必须在较好的真空环境下操作，因此仪器的购置费用较高。一般LaB6开始是一个完整的晶体，烧到最后就失去原来的形状，尖端没了，呈紫红色。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering场发射枪的电子发射是通过外加电场将电子从枪尖拉出来实现的。由于越尖锐处枪体的电子脱出能力越大，因此只有枪尖部位才能发射电子。这样就在很大程度上缩小了发射表面。通过调节外加电压可控制发射电流和发射表面。在样品表面可以得到3-5nm的电子束斑。场发射电子枪原理化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering30场发射电子枪必需保持超高真空度，来防止阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格极为高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否则较少采用场发射电子枪。化学化工学院TheSchoolofChemistryandChemicalEngineering312）电磁透镜—汇聚电子束电磁透镜为什么会汇聚电子束？电荷在磁场中运动时会受到洛仑兹力作用洛仑兹力总是垂直于与电子运动方向和磁场方向不会改变电子运动速率，只会改变其方向旋转对称的磁场对电子束有聚焦作用，能使电子束聚焦成像。产生这种旋转对称非均匀磁场的线圈装置就是电磁透镜。化学化工学院