扫描电镜

扫描电子显微镜(SEM)ScanningElectronMicroscope1.电子束与固体样品作用时产生的信号2.扫描电子显微镜的构造和工作原理3.扫描电子显微镜的主要性能4.表面形貌衬度原理及其应用5.原子序数衬度原理及其应用6.电子探针X射线显微分析扫描电子显微镜(SEM)ScanningElectronMicroscope1．理解扫描电子显微镜的工作原理、结构与组成，掌握表征仪器性能的主要技术指标。2．熟悉扫描电子显微镜的样品制备方法。3．掌握二次电子像、背散射电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用；了解其它电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用。4．了解波谱仪和能谱仪的工作原理，掌握它们的应用特点。5．电子探针的点分析、线分析和面分析的应用本章要求SEM的特点和工作原理1965年第一台商用SEM问世;SEM能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点;景深大;放大倍数连续调节范围大;分辨本领比较高。为什么要发明扫描电镜？透射电镜的成像——电子束穿过样品后获得样品衬度的信号（电子束强度），利用电磁透镜（三级）放大成像。扫描电镜成像——利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。碳纤维水泥水泥熟料断面普通水泥浆体聚合物改性水泥浆体高分子材料制成的纳米筛荷叶的自洁效应日本的氧化铝粗粉红血球头发末梢的分叉牙斑花粉粒用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。电子、光子和中子是最常见的束源。入射束出射束物质微观结构分析基本原理高能电子束与样品作用产生各种信息：二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线、俄歇电子、透射电子等。1电子束与固体样品作用时产生的信号一.背散射电子1.产生：背散射电子是被固体样品中原子反弹回来的一部分入射电子。包括：弹性背散射电子——被样品中原子核反弹回来的入射电子，能量基本没有损失，能量很高。非弹性背散射电子——被样品中核外电子撞击后产生非弹性散射的入射电子，方向和能量均发生改变，经多次散射后仍能反弹出样品表面的入射电子。弹性背散射电子的能量为数千电子伏到数万电子伏非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。2.特点：背散射电子来自样品表层100nm到1μm的深度范围，其产额能随样品原子序数的增大而增多。3.作用：不仅能做形貌分析，还可定性作成分分析。二.二次电子1.产生：入射电子束轰击出来并离开样品表面的样品中的核外电子。2.特点：⑴能量较低（50eV）；⑵一般在表层5~10nm深度范围内发射出来，对样品表面形貌非常敏感。3.作用：样品表面形貌分析。三.吸收电子1.产生：入射电子多次非弹性散射后能量消失，最后被样品吸收。入射电子被样品吸收后也会产生电流强度。入射电子的电流强度=（无透射电子时）逸出表面的背散射电子的电流强度+二次电子电流强度+吸收电子的电流强度2.特点：样品中原子序数较大的元素产生的背散射电子的数目较多，相反，吸收电子的数量就较少；反之亦然。因此，吸收电子也可反映原子序数衬度，可进行定性微区成分分析。3.作用：定性微区成分分析。四.透射电子1.产生：如果被分析的样品很薄，则有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子。此时，入射电子强度（i）=背散射电子i+二次电子强度i+吸收电子i+透射电子i2.特点：⑴只有样品的厚度小于入射电子的有效穿入深度时，才会产生。⑵随样品厚度增加（质量厚度ρt），透射电子数目减小，吸收电子数量增加，当样品厚度超过有效穿透深度后，无透射电子。3.作用：配合电子能量分析器来进行微区成分分析。五.特征X射线1.产生：当入射电子的能量足够大，使样品原子的内层电子被激发或电离，此时外层电子向内层跃迁以填补内层电子的空位，从而辐射出具有原子序数特征的特征X射线。2.特点：反映了样品中原子序数特征。3.应用：微区成分分析（元素）。六.俄歇电子1.产生：入射电子激发样品的特征X射线过程中，外层电子向内层跃迁时辐射出来的能量不是以X射线的形式发射出去，而被外层的另一个电子吸收而摆脱原子核的束缚而逃离出来，这个被电离的电子称为俄歇电子。2.特征：⑴俄歇电子能量很低，并且具有反映原子序数的特征能量；⑵只有距离表面1nm左右范围内逸出的俄歇电子才具备特征能量。3.作用：表面层成分分析。除此之外，在固体中电子能量损失的40%~80%最终转化为热量，还有一些其他信号产生，例如阴极荧光、电子束感生效应和电动势等信号。扫描电镜（SEM）构成电子光学系统信号收集处理、图像显示和记录系统真空系统电源系统2扫描电子显微镜构造和工作原理一.电子光学系统（镜筒）1.电子枪功能：发射电子并加速，加速电压低于TEM。2.电磁透镜功能：只作为聚光镜，而不能放大成像。将电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径为50μm的束斑缩小成只有数个纳米的细小斑点。构成：由两级聚光镜构成，缩小电子束光斑。照射到样品上的电子束直径决定了其分辨率。3.扫描线圈作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动。电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作严格同步，由同一扫描发生器控制。扫描的两种方式光栅扫描（相貌分析）角光栅扫描（电子通道花样分析）4.样品室作用：放置样品，安置信号探测器。特点：①能容纳较大的试样，并在三维空间进行移动、倾斜和旋转；②带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验，以便进行断裂过程中的动态原位观察。二.信号的收集和图像显示系统信号电子——进入闪烁体后转变为可见光信号——光电倍增器放大——电流信号——经视频放大器放大——调制信号——显像管成像样品形貌像的形成：由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上的每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接受的信号也不相同，故可在荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图像。三.真空系统镜筒内要保持一定的真空度，目的是防止样品污染、极间放电，保证灯丝的工作寿命等等问题。一般情况下要求保持10-4－10-5Torr的真空度。四、电源系统作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成。一.分辨率电子束和固体物质作用时激发的信号有二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线、俄歇电子，这些信号均可调制成形貌像，各种信号成像时分辨率各不相同。3扫描电子显微镜的主要性能各种信号的成像分辨率（单位：nm）信号二次电子背散射电子分辨率5～1050～200吸收电子特征X射线俄歇电子100～1000100～10005～101.为什么各种信号分辨率不同？①因为各种信号成像的分辨率与入射电子束激发该信号时，在样品中的作用（活动）体积有关，作用体积大小相当于一个成像检测单元（即像点）。②电子束进入样品后会造成一个滴状作用体积，由于俄歇电子和二次电子是在样品浅表层内逸出，故作用体积小，分辨率高。③背散射电子能量较高，可从较深的部位弹射出表面，故作用体积较大，分辨率降低。④特征X射线是在更深的部位激发出来的，其作用体积更大，所以分辨率比背散射电子更低。2.影响分辨率的因素①电子束束斑大小；②检测信号的类型；③检测部位的原子序数。3.SEM分辨率的测定：和TEM类似，将图像上恰好能分辨开的两物点距离除以放大倍数。例如：用真空蒸镀金膜样品表面金颗粒的像间距除以放大倍数，即为此放大倍数下的分辨率。二.放大倍数——20～20万倍1.SEM的放大倍数为：显像管中电子束在荧光屏上最大扫描幅度和镜筒中电子束在试样上最大扫描幅度的比值：Ac——荧光屏上扫描幅度As——电子束在样品扫过的幅度2.如何改变放大倍数——由于观察图像的荧光屏宽度是固定的，只要减小电子束在样品上扫描长度（扫描面积为矩形），即可得到高放大倍数。csAMA介于光学显微镜和透射电镜之间扫描电镜的场深是指电子束在试样上扫描时，可获得清晰图像的深度范围。当一束微细的电子束照射在表面粗糙的试样上时，由于电子束有一定发散度，发散半角为β，除了焦平面处，电子束将展宽，设可获得清晰图像的束斑直径为d，由图中几何关系可得：三.场深MDmmdMdtgdD2.02.0d则，区分的最小距离时，即能的大小相当于荧光屏上若四.样品制备1．对试样的要求试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳定，含有水分的试样应先烘干除去水分。表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口或表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘干。对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。试样大小要适合仪器。2．块状试样对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需要进行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性较差的材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜。以避免电荷积累，影响图象质量，并可防止试样的热损伤。3、粉末试样的制备先将导电胶或双面胶纸粘结在样品座上，再均匀地把粉末样撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再镀上一层导电膜，即可上电镜观察。4、镀膜镀膜的方法有两种，一是真空镀膜，另一种是离子溅射镀膜。通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。离子溅射镀膜的原理是：在低气压系统中，气体分子在相隔一定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子，正离子飞向阴极，电子飞向阳极，二电极间形成辉光放电，在辉光放电过程中，具有一定动量的正离子撞击阴极，使阴极表面的原子被逐出，称为溅射，如果阴极表面为用来镀膜的材料（靶材），需要镀膜的样品放在作为阳极的样品台上，则被正离子轰击而溅射出来的靶材原子沉积在试样上，形成一定厚度的镀膜层。SEM原理与TEM的主要区别1）在SEM中电子束并不像TEM中一样是静态的在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。2）由于不需要穿过样品，SEM的加速电压远比TEM低；在SEM中加速电压一般在200V到50kV范围内。3）样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。如何获得扫描电镜的像衬度？主要利用样品表面微区特征（如形貌、原子序数或化学成分等）的差异，在电子束的作用下产生的物理信号强度不同，导致显像管荧光屏上不同区域的亮度差异，从而获得一定衬度的图像。4表面形貌衬度原理及其应用2221IIIIIC一.二次电子成像原理①二次电子能量较低，只能从样品表面层5~10nm深度范围内激发出来；②其数量和原子序数没有明显的关系，但对微区表面的形状十分敏感；如图所示，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大。θ大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次电子数目多，在荧光屏上的亮度大θ小的面，对应的荧光屏的亮度小根据上述原理画出二次电子形貌衬度的示意图对于实际样品，表面形貌要比上面衬度的情况复杂得多，但形成二次电子衬度的原理是相同的。实际样品中二次电子的激发过程示意图1)凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大2)平面上的SE产额较小，亮度较低。3)在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，但其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。二.二次电子形貌衬度的应用（一）样品表面形貌观察（二）断口分析（三）材料变形与断裂动态过程的原位观察（一）样品表面形貌观察1.烧结体烧结自然表面观察a.晶粒细小的正方相，t-ZrO2b.晶粒尺寸较大的单相立方相，c-ZrO2c.双向混合组织，正方相晶粒细小，立方相晶粒大。a.片状珠光体b.回火组织α+碳化物2.金相表面观察Al2O3+15%ZrO2复合陶瓷烧结表面Al2O3晶粒——有棱角大晶粒；ZrO2颗粒——白色球状小颗粒。（二）断口分析（1）沿晶断口（2）韧窝断口（3）解理断口（4）复合材料断口