搜索
扫描电子显微镜基础一、扫描电子显微镜发展历程、基本结构和电子光学基础。二、扫描电子显微镜中成像技术：二次电子成像、背散射成像、扫描透射成像、低电压成像、低真空成像、环境扫描成像。三、扫描电子显微镜的最新发展动态曾雄辉2013年9月参考资料1、扫描电镜与能谱仪分析技术，张大同编著，华南理工大学出版社，20082、电子显微分析，章晓中编著，清华大学出版社，20063、微分析物理及应用，丁泽军、吴自勤，孙霞，张人佶编著，中国科学技术大学出版社20084、HandbookofMicroscopyfornanotechnology,VolII:ElectronMicroscopy,纳米技术中的显微学手册，姚楠，王中林主编，清华大学出版社。5、FEI，Hitachi,Zeiss,Jeol等各大电镜厂商网站。电子显微镜的发展历程1931－1933第一台TEM，1939年德国西门子公司制造了第一台商业化TEM，分辨率达到10nm。1986年，Ruska获得诺贝尔奖。通常人眼的分辨率为0.2mm。光学显微镜的分辨率近似为入射波长的一半。以绿光550nm为入射光，分辨率也就是300nm左右200KeV电子波长：0.00251nm20eV电子波长：0.25nm折射率放大镜收集半角波长一、扫描电子显微镜发展历程、基本结构和电子光学基础。光学显微镜分辨率：1935年，德国的Knoll提出扫描电镜的概念1938年，VonArdenne在透射电镜上加了个扫描线圈，做成了扫描透射电子显微镜(STEM)。1965年出现商业化的SEM，由CambrigeScientificInstruments公司制造。透射电子显微镜的发明早于扫描电子显微镜，原因可能是透射电子电子显微镜的光路更类似于光学显微镜。SEM结构示意图SEM光路示意图可以将SEM简单类比为一个反射模式的光学显微镜，虽然这些反射信号可能是经过了转换的信号。电子枪产生的电子称为入射电子镜筒部分主要由电子光学系统组成，包括电子枪、聚光镜、物镜、扫描系统、物镜光阑、合轴线圈和消像散器等。仪器电子光学系统要保证在尽可能小的束斑尺寸下而能获得最大的稳定束流。(1)电子枪：钨灯丝电子枪、LaB6电子枪、场发射（钨单晶）电子枪（分冷场和热场）钨灯丝（钨多晶），特点：1、自偏压回路调整栅极电位，保证束流稳定。2、束流大，可达2µA。缺点：1、前端曲率半径达100µm，导致最终电子束斑较粗，大概几个纳米；2、因为加热温度高达2800k，寿命短，大约100小时左右。色差大。LaB6（多晶）电子枪：LaB6阴极发射率高，有效发射截面小，在亮度和电子源直径等性能上都比钨阴极好。LaB6和钨灯丝电子枪均是利用阴极高温使电子克服阴极表面的逸出功势垒发射出来的。所以电子束的能量散布较大，即发射能量的均一性差，寿命也较短。场发射（钨单晶）电子枪：发射体尖端为具有确定取向的钨单晶。冷场发射阴极：发射面为钨单晶（310）面。特点：1、不需要加温，色差小为0.3－0.5eV；2、表面需要很清洁，真空要求在10-8-10-9Pa，需要定期Flashing，Flashing后大约需要10min在针尖表面才能形成单层气体分子，从而束流稳定。热场发射阴极：发射面为(100)，表面沉积ZrO2，降低功函数。特点：1、加温至1800k，不需要Flashing；2、束流大，可达100nA；冷场冷场热场热场电电子子枪枪比比较较加热加热18001800kk室温室温2800K2800K0.60.6--0.8eV0.8eV0.30.3--0.50.5eVeV2.3eV1－２年33－－55年年数十小时持续通电使用时通电使用时通电使用时通电使用时通电操作温度能量发散度寿命灯丝尖是否通电束流稳定度10100nA0nA2nA2nA22µµAA稳定稳定需要轰击需要轰击稳定稳定高分辨图像高分辨图像分析性能分析性能束流钨灯丝真空要求1010--77PaPa1100--88PaPa1010--33PaPa现代场发射扫描电镜的真空泵通常包括：机械泵、分子泵、离子泵（2）聚光镜和物镜（由电磁线圈制作的）把电子源直径进一步缩小，形成直径1nm到数nm的束斑入射样品。聚光镜系统由一个或两个透镜组成，调整聚光镜激励可以改变束流大小。物镜（也称末级束斑形成透镜）决定了电子束最终束斑尺寸，调节物镜激励使电子束在样品表面聚焦，获得清晰图像。理论上可以把电子束的束斑调的很细，目前在高端透射电镜里，电子束的束斑可以小于0.1nm。左手定则确定受力方向电磁透镜的像差和电子源的色差，及其对分辨率的影响。电磁透镜也存在缺陷，使得实际分辨距离远小于理论分辨距离，对电镜分辨本领起作用的像差有几何像差（球差、像散等）和色差。（1）几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的；（2）色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。球差像散色差影响扫描电镜分辨率因素：1、电子束斑尺寸2、电子束在物质中的作用区域：和物质的性质相关。3、信号噪声比：电子束束流决定电子束斑尺寸的因素：理论上可以获得无限小的最终扫描束斑,但实际上电子光学系统的像差（球差、色差、衍射差)造成最终束斑总是一个有限尺寸的弥散斑。像散可以利用校正器消除。其中球差对电子束斑尺寸的影响最大。1、减少工作距离，可以同时减少束斑，提高信噪比。增加工作距离可以加大景深如何减少电子束斑尺寸，同时又保证一定的电子束束流（信号噪声比）？以场发射电镜为例：2、适当提高加速电压，电子波长减少，达到减少色差，衍射效应（减少束斑）、提高束流（增大信噪比）的目的。根据材料来选择加速电压，对金属、无机导电矿物样品可以采用较高的加速电压，电子束轰击样品后的扩散区域较小。3、增强聚光镜激励电流从而适当减少束斑尺寸，但可能会减少信号噪声比。4、调节物镜像散（Stigmator)，使电子束斑变圆，以便会聚电子束最小。左列为有像散情况,调焦时，图像朝一个方向变模糊右列为像散已经得到校正情况（3）扫描系统（成像时、电子束在样品表面呈光栅式扫描）现代扫描电镜均采用数字扫描系统。电子束扫描到某个点并停留一段时间，而后快速移动到下一点，在移动过程中，电子束关闭或者被遮挡，这个电子束消隐时间极短，如此周而复始，这是离散式的扫描过程。电子束停留时间内，电子束与样品相互作用，产生各种成像信号。（4）样品室样品室位于镜筒下部，内设样品台，并提供样品在X、Y、Z三个坐标方向的移动，以及样品绕自身轴转动R和倾斜T。现代电镜样品台由压电陶瓷驱动，重复精度可以到亚微米量级，而且提供物镜焦距和Z坐标的link。（5）信号检测与放大系统不同的物理信号，要用不同类型的检测系统。大致分为三类，即电子探测器、阴极荧光探测器和X射线探测器。二次电子探测器由闪烁体、光导管和光电倍增管组成，是最常用的电子探测器，也用于检测透射电子和部分背散射电子。二、扫描电子显微镜中成像技术：二次电子成像、背散射电子成像二次电子主要体现形貌衬度，凸的区域比凹的区域要亮。在理想情况下，二次电子像的分辨率应等于束斑直径。二次电子接收栅网，位于样品侧上方背散射电子接收器，位于样品正上方背散射电子成像的分辨率通常低于二次电子成像。特征X射线为反映元素特征的谱线，现代扫描电镜通常配备能谱仪来分析物质成分二次电子的边缘效应、荷电效应δ=δ0/cosθδ:二次电子产率；δ0:水平样品的二次电子产率θ:入射电子与法线的夹角1、倾斜角大，入射电子作用距离长，产生二次电子多2、作用区更靠近表面，二次电子更容易离开荷电效应对于不导电样品，电子束在表面连续扫描时，随着电子束不断的注入，表面很快积累大量负电荷，当表面负电场足够强时，会排斥入射电子，并偏转二次电子（主要作用）,图像发生畸变或不规则移动，这种现象称为荷电效应。发白的区域主要是样品表面累计了大量负电荷，二次电子更容易发射导致的。减少荷电效应的方法……喷金、喷碳、低真空、环境真空、冷场电镜并且采用低加速电压等。背散射电子成像主要体现成分衬度。AuNiCuCu和Ni原子序数仅相差1,所以衬度差不明显；对于Au和Ni，原子序数相差51,衬度差非常明显1、两个临近区域的强度相差在5-10%以上时，人眼才能分辨。2、图像平均强度越高，那么对比度越低。背散射电子产率η~Z曲线的斜率随Z增加而下降，在低原子序数区，Z相差1的两个元素如Al-Si，衬度为6.7%，而在高原子序数区，Z相差1的两元素如Au-Pt衬度降到0.41%。在BSE模式成像时，一般要求有高的加速电压，增大作用区域（BSE逸出深度为作用区域深度的1/3)，以提高BSE产额，提高信噪比。10KV加速电压下二、扫描电子显微镜中成像技术：扫描透射成像技术(暗场像）(明场像）电子束和块体样品作用时，不能产生透射电子，但和薄膜样品（比如厚度小于100nm时），可以产生透射电子。以上图片由Hitachi－天美提供FEI提供二、扫描电子显微镜中成像技术：低电压成像技术通常电镜工作在5-30KV，但对于导电性不好或者不耐电子束辐照的样品，往往需要在5KV以下工作。目前有厂家报道在20V加速电压下可以得到50000X的清晰金颗粒图像。1、增强样品表面形貌衬度2、减少荷电效应3、减少电子束辐照损伤降低加速电压，电子波长增大，色差增大，衍射效应增大、束流减少，将会降低电镜分辨率。低电压=低分辨率？电镜厂家在低电压技术方面做了很多的技术革新，如S4800在1KV下可达到2.3nm分辨率，如采用减速模式可达到1.4nm分辨率。1、采用高亮度场发射电子枪：增加束流，减少色差；2、改进探测器：抬高探测器，使其位于物镜内部或者位于物镜上方。3、采用减速模式。在减速之前很好的利用了较高加速电压带来的减少色差的优势。二、扫描电子显微镜中成像技术：低真空成像技术通常SEM都工作在高真空模式（压强通常在10-2至10-4Pa)下，为什么要发展低真空成像技术（10-130Pa)?1、对有些不导电样品，低加速电压模式并不总是work。2、某些动植物样品不必固定、脱水，避免复杂的制备过程3、适合观察放气样品，比如陶瓷、粉末冶金制品等。4、为不导电复合材料动态拉伸观察提供方便5、适合对不导电样品直接进行成分分析泡沫利用压差光阑实现差分真空系统。二次电子电离气体，产生信号放大，正电荷同时中和表面累计的负电荷“裙边电子”（SkirtElectron)效应二、扫描电子显微镜中成像技术：环境扫描成像技术0℃，609Pa三相共存22℃，2700PaB点为水饱和蒸汽压条件。在常温状态下，保持压力在2700Pa，可以进行含水样品的原生态观察。现代环境扫描电镜的腔室压力可调，压强范围为10-4000Pa。长期工作在ESEM模式，样品室内的水蒸汽可以认为是个“污染源”。1、样品室内温度最低的是能谱探测器，水蒸汽会使探测器晶体结冰。超薄窗口会有水或油滴凝集，使窗口增厚，探测轻元素灵敏度降低；2、闪烁体、物镜极靴和样品工作台都会受到影响。如果有油污染后果更严重。图6-21三、扫描电子显微镜的最新发展动态1、追求亚纳米级的分辨率石棉样品，其(020)晶面间距为0.903nm2、发展信号探测器，拓展SEM功能。除常见的二次电子、背散射电子、X-ray能谱探测器外，还有电子束背散射衍射探测器、阴极荧光探测器、扫描透射探测器、低真空和环境真空探测器等。大大拓展了SEM的探测能力。GaN的C面的EBSD下图显示的是双相不锈钢中奥氏体和铁素体两相的分离。奥氏体是面心立方结构，铁素体是体心立方结构，采用x射线微区成分分析是无法将它们区分开的。Mapping上显示38.6%的黄色区域为铁素体，60.7%的紫色区域为奥氏体。3、将SEM和其他加工、操纵手段集成，发展原位动态加工、观测技术全自动、多功能纳米机械手谢谢！