掃描電子顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用

1、掃描電子顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用摘 要：介紹了掃描電子顯微鏡的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其發(fā)展，闡述了掃描電子顯微鏡在材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。關(guān) 鍵 詞：掃描電子顯微鏡；構(gòu)造；材料；應(yīng)用掃描電子顯微鏡（SEM）于20世紀(jì)60年代問(wèn)世，是用來(lái)觀察樣品表面微區(qū)形貌和結(jié)構(gòu)的一種大型精密電子光學(xué)儀器。其工作原理是利用一束極細(xì)的聚焦電子束掃描樣品表面，激發(fā)出某些與樣品表面結(jié)構(gòu)有關(guān)的物理信號(hào)（如二次電子、背散射電子）來(lái)調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯像管在相應(yīng)位置的亮度而成像。掃描電子顯微鏡主要用于觀察固體厚試樣的表面形貌，具有很高的分辨力和連續(xù)可調(diào)的放大倍數(shù)，圖像具有很強(qiáng)的立體感。掃描電鏡能夠與電子能譜儀、波譜儀、電子背散射衍射

2、儀相結(jié)合，構(gòu)成電子微探針，用于物質(zhì)化學(xué)成分和物相分析。因此，掃描電子顯微鏡在冶金、地質(zhì)、礦物、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。1. 掃描電鏡的原理和構(gòu)造1.1 掃描電子顯微鏡的工作原理 掃描電子顯微鏡的原理是利用電子槍采用真空加熱鎢燈絲，發(fā)生熱電子束，在0. 530 kV的加速電壓下，經(jīng)過(guò)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚極細(xì)電子束，并在樣品表面聚焦。末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在熒光屏上就有一亮點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比，掃描電子顯微鏡是采用逐點(diǎn)成像的圖像分解法進(jìn)行的，光點(diǎn)成像的順序是從左上方開(kāi)始到右下方，直到

3、最后一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幅圖像。對(duì)掃描電子顯微鏡成像有影響的信號(hào)主要有二次電子、背散射電子和X射線譜線等（見(jiàn)圖1）。其中二次電子是樣品與初始束電子相互作用而被激發(fā)出來(lái)的樣品原子所含的電子，它們能量很低，只能從樣品表面很淺的區(qū)域逸出，是掃描電子顯微鏡檢測(cè)出的主要信號(hào)，對(duì)應(yīng)的圖像被稱為二次電子圖像，具有立體感，成像分辨率最好，能準(zhǔn)確地反映樣品表面的形貌(凹凸)特征；背散射電子是與樣品原子核發(fā)生彈性碰撞而被散射出樣品的電子束電子，這部分電子能量很高，其成像分辨率不高；X射線譜線是當(dāng)入射電子流轟擊到樣品表面時(shí)，如果能量足夠高，樣品內(nèi)部分原子的內(nèi)層電子會(huì)被轟出，使原子處于能級(jí)較高的激發(fā)態(tài)，

4、樣品原子各能級(jí)間出現(xiàn)電子躍遷而產(chǎn)生的，其成像分辨率最差。掃描電子顯微鏡探頭收集樣品釋放出的二次電子，背散射電子，X射線等信號(hào)（其作用見(jiàn)表2）。這些信號(hào)分別被不同的接收器接收，經(jīng)放大后用來(lái)調(diào)制熒光屏的亮度。當(dāng)電子束以一定方式掃描時(shí)，按掃描的先后順序?qū)⒘炼鹊淖兓@示出來(lái)，即可得到樣品表面形貌圖。收集信號(hào)要類別功能二次電子形貌分析背散射電子成分分析特征X射線成分分析俄歇電子成分分析圖1 電子束與固體樣品 表1 掃描電鏡中主要信號(hào)及其作用 作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)1.2 掃描電子顯微鏡的構(gòu)造掃描電鏡是根據(jù)電子光學(xué)原理，用電子束和電磁透鏡代替光束和光學(xué)透鏡，將物質(zhì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)在非常高的放大倍數(shù)下成像，它主要由電子

5、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)四大部分構(gòu)成（見(jiàn)圖2）。圖2 掃描電鏡的構(gòu)造1.2.1 電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。（1）電子槍掃描電子顯微鏡中的電子槍與透射電子顯微鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電子顯微鏡低。（2）電磁透鏡掃描電子顯微鏡中各電磁透鏡都不作成像透鏡用，而是作聚光鏡用，它們的功能只是把電子槍的束斑(虛光源)逐級(jí)聚焦縮小，使原來(lái)直徑約為 50um的束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)個(gè)納米的細(xì)小斑點(diǎn)。（3）掃描線圈掃描線圈的作用是使電子束偏轉(zhuǎn)，并在樣品表面作有規(guī)則的掃動(dòng)，電子束在樣品上的掃描動(dòng)作和顯像管上的掃描動(dòng)作保持嚴(yán)格同步

6、。（4）樣品室樣品臺(tái)本身是一個(gè)復(fù)雜而精密的組件，它能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品作平移、傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，以利于對(duì)樣品上每一特定位置進(jìn)行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實(shí)際上是一個(gè)微型試驗(yàn)室，它帶有多種附件，可使樣品在樣品臺(tái)上加熱、冷卻和進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)(如拉伸和疲勞)。樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置信號(hào)探測(cè)器。1.2.2 信號(hào)的收集和圖像顯示系統(tǒng)二次電子、背散射電子和透射電子的信號(hào)都可采用閃爍計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光信號(hào)通過(guò)光導(dǎo)管送入光電倍增器，光信號(hào)放大，即又轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出，電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)

7、。由于鏡筒中的電子束和顯像管中電子束是同步掃描的，而熒光屏上每一點(diǎn)的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)制的，因此樣品上各點(diǎn)的狀態(tài)各不相同，所以接收到的信號(hào)也不相同，于是就可以在顯像管上看到一幅反映試樣各點(diǎn)狀態(tài)的掃描電子顯微圖像。1.3.3 真空系統(tǒng)為保證掃描電子顯微鏡電子光學(xué)系統(tǒng)的正常工作，對(duì)鏡筒內(nèi)的真空度有一定的要求。如果真空度不足，除樣品被嚴(yán)重污染外，還會(huì)出現(xiàn)燈絲壽命下降，極間放電等問(wèn)題。2. 掃描電鏡的發(fā)展掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想早在1935年便已提出，1942年在實(shí)驗(yàn)室制成第一臺(tái)掃描電鏡，1965年，在各項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)有了很大進(jìn)展的前提下才在英國(guó)誕生了第一臺(tái)實(shí)用化的商品儀器。此后，荷蘭、美

8、國(guó)、西德也相繼研制出各種型號(hào)的掃描電鏡，日本二戰(zhàn)后在美國(guó)的支持下生產(chǎn)出掃描電鏡，我國(guó)則在20世紀(jì)70 年代生產(chǎn)出自己的掃描電鏡。近20年來(lái)，掃描電鏡主要是在提高分辨率方面取得了較大進(jìn)展，主要采取以下措施來(lái)改進(jìn): (1) 降低透鏡球像差系數(shù)，以獲得小束斑；(2) 增強(qiáng)照明源即提高電子槍亮度(如采用LaB6或場(chǎng)發(fā)射電子槍)；(3) 提高真空度和檢測(cè)系統(tǒng)的接收效率；(4) 盡可能減小外界振動(dòng)干擾。2.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡1968年，就采用場(chǎng)致發(fā)射電子槍代替普通鎢燈絲電子搶，槍需要很高的真空度，在高真空度下由于電子束的散射更小，其分辨率進(jìn)一步得到提高。但是近幾年來(lái)，各廠家采用多級(jí)真空系統(tǒng)(機(jī)械泵+分子泵

9、+離子泵)，真空度可達(dá)10-7Pa。同時(shí)，采用磁懸浮技術(shù)，噪音振動(dòng)大為降低，燈絲壽命也有增加。場(chǎng)致發(fā)射掃描電鏡的特點(diǎn)是二次電子像分辨率高，如果采用低加速電壓技術(shù)，在TV狀態(tài)下背散射電子(BSE)成像良好，對(duì)于未噴涂非導(dǎo)電樣品也可得到高倍像。2002年，日本日立公司最近推出了S-4800型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)，該電鏡的電子發(fā)射源為冷場(chǎng)，物鏡為半浸沒(méi)式。采取改進(jìn)的電子光學(xué)設(shè)計(jì)(E×B)來(lái)收集和分離各種不同純二次電子(SE) 信號(hào)、復(fù)合二次電子（SE+BSE)信號(hào)及背反射電子(BSE)信號(hào)。與其它很多內(nèi)置透鏡的FESEM相比，S-4800不僅擁有超高的分辨率，且擁有更大的樣品

10、室，因此，是研究納米材料的有利工具。2.2 分析型掃描電鏡所謂分析型掃描電鏡即是指將掃描電鏡配備多種附加儀器，以便對(duì)被測(cè)試樣進(jìn)行多種信息的分析。2.2.1 EDS（能譜儀）附件能譜儀 ( 即X射線能量色散譜儀，簡(jiǎn)稱EDS) 通常是指X射線能譜儀。目前，最先進(jìn)的采用超導(dǎo)材料生產(chǎn)的能譜儀，分辨率達(dá)到了515eV，已超過(guò)了25eV分辨率的波譜儀，這是目前能譜儀發(fā)展的最高水平。能譜儀主要是用來(lái)分析材料表面微區(qū)的成分，分析方式有定點(diǎn)定性分析、定點(diǎn)定量分析、元素的線分布、元素的面分布。2.2.2 EBSD（電子背散射衍射）附件EBSD主要可做單晶體的物相分析，同時(shí)提供花樣質(zhì)量、置信度指數(shù)、彩色晶粒圖，可做

11、單晶體的空間位向測(cè)定、兩顆單晶體之間夾角等信息，要求所測(cè)單晶體完整并且沒(méi)有應(yīng)力，在聚合物中應(yīng)用極少。2.2.3 WDS（波譜儀）附件WDS是隨著電子探針的發(fā)明而誕生的，它是電子探針的核心部件，用作成分分析。與能譜儀相比較，波譜儀的檢測(cè)靈敏度更高，在電子探針的理想工作條件下能達(dá)到100 ×10-6的檢測(cè)能力。但也有電子束流大，樣品要求非常平整并且只能水平放置，對(duì)X射線取出角要求很大等局限性。2.3 現(xiàn)代掃描電鏡在二次電子像分辨率上取得了較大的進(jìn)展后，掃描電鏡又因?yàn)樾枰诒３衷嚇釉紭用驳幕A(chǔ)上進(jìn)行分析，發(fā)展了低電壓，低真空和環(huán)境掃描電鏡。2.3.1 低電壓掃描電鏡在掃描電鏡中，低電壓是

12、指電子束流加速電壓在1kV左右。此時(shí)，對(duì)未經(jīng)導(dǎo)電處理的非導(dǎo)體試樣其充電效應(yīng)可以減小，電子對(duì)試樣的輻照損傷小，且二次電子的信息產(chǎn)額高，成像信息對(duì)表面狀態(tài)更加敏感，邊緣效應(yīng)更加顯著，能夠適應(yīng)半導(dǎo)體和非導(dǎo)體分析工作的需要。這對(duì)聚合物材料來(lái)說(shuō)是十分有利的技術(shù)改革。2.3.2 低真空掃描電鏡真空是為了解決不導(dǎo)電試樣分析的另一種工作模式。其關(guān)鍵技術(shù)是采用了一級(jí)壓差光欄，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)真空。當(dāng)聚焦的電子束進(jìn)入低真空樣品室后，與殘余的空氣分子碰撞并將其電離，這些離化帶有正電的氣體分子在一個(gè)附加電場(chǎng)的作用下向充電的樣品表面運(yùn)動(dòng)，與樣品表面充電的電子中和，這樣就消除了非導(dǎo)體表面的充電現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)非導(dǎo)體樣品自然狀

13、態(tài)的直接觀察。2.3.3 環(huán)境掃描（ESEM）電鏡環(huán)境掃描電鏡低真空壓力可達(dá)到2600Pa，可配置水瓶向樣品室輸送水蒸氣或輸送混合氣體，若跟高溫或低溫樣品臺(tái)聯(lián)合使用則可模擬樣品的周?chē)h(huán)境結(jié)合掃描電鏡觀察，可得到環(huán)境條件下試樣的變化情況。其核心技術(shù)來(lái)自于采用兩級(jí)壓差光柵和氣體二次電子探測(cè)器，能達(dá)到 3.5nm 的二次電子圖像分辨率。ESEM的特點(diǎn)是：（1）非導(dǎo)電材料不需噴鍍導(dǎo)電膜，可直接觀察，分析簡(jiǎn)便迅速，不破壞原始形貌；（2）可保證樣品在100%濕度下觀察，即可進(jìn)行含油含水樣品的觀察，能夠觀察液體在樣品表面的蒸發(fā)、凝結(jié)以及化學(xué)腐蝕行為；（3）可進(jìn)行樣品熱模擬及力學(xué)模擬的動(dòng)態(tài)變化實(shí)驗(yàn)研究，也可以

14、研究微注入液體與樣品的相互作用等。因?yàn)檫@些過(guò)程中有大量氣體釋放，只能在環(huán)掃狀態(tài)下進(jìn)行觀察。環(huán)境掃描電鏡最大的優(yōu)勢(shì)便是，可以在一定可調(diào)的水蒸汽環(huán)境真空模式中，原位和動(dòng)態(tài)觀察親水性高分子或是環(huán)境敏感水凝膠，即直觀地觀察其動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)變化和各種平衡響應(yīng)。3. 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用3.1 材料的組織形貌觀察材料剖面的特征、零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及損傷的形貌,都可以借助掃描電鏡來(lái)判斷和分析。反射式的光學(xué)顯微鏡直接觀察大塊試樣很方便，但其分辨率、放大倍數(shù)和景深都比較低。而掃描電子顯微鏡的樣品制備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動(dòng)，還能夠根據(jù)觀察需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)動(dòng)，以

15、利于使用者對(duì)感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析；掃描電子顯微圖像因真實(shí)、清晰，并富有立體感，在顯微組織三維形態(tài)(如圖3)和金屬斷口(如圖3)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。圖3 用SEM觀察集成電路芯片的剖面多層結(jié)構(gòu) 圖4 用SEM觀察環(huán)氧樹(shù)脂端口圖3.2 鍍層表面形貌分析和深度檢測(cè) 金屬材料零件在使用過(guò)程中不可避免地會(huì)遭受環(huán)境的侵蝕，容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。為保護(hù)母材，成品件，常常需要進(jìn)行諸如磷化、達(dá)克羅等表面防腐處理。有時(shí)為利于機(jī)械加工，在工序之間也進(jìn)行鍍膜處理。由于鍍膜的表面形貌和深度對(duì)使用性能具有重要影響，所以常常被作為研究的技術(shù)指標(biāo)。鍍膜的深度很薄，由于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的局限性，使用金

16、相方法檢測(cè)鍍膜的深度和鍍層與母材的結(jié)合情況比較困難，而掃描電鏡卻可以很容易完成.使用掃描電鏡觀察分析鍍層表面形貌是方便、易行的最有效的方法，樣品無(wú)需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察。3.3 微區(qū)化學(xué)成分分析 在樣品的處理過(guò)程中，有時(shí)需要提供包括形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向在內(nèi)的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進(jìn)行判斷分析。為此，相繼出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡、電子探針多種分析功能的組合型儀器。掃描電子顯微鏡如配有X射線能譜(EDS)和X射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分等信息。材料內(nèi)部的夾雜物等，由于它們的體積細(xì)小，因此，無(wú)法采用常規(guī)的化學(xué)方法進(jìn)行定位鑒定。掃描電鏡可以提供

17、重要的線索和數(shù)據(jù)。工程材料失效分析常用的電子探針的基本工作方式為：(1)對(duì)樣品表面選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描定性； (2)電子束沿樣品表面選定的直線軌跡作所含元素濃度的線掃描分析； (3)電子束在樣品表面作面掃描，以特定元素的X射線信號(hào)調(diào)制陰極射線管熒光屏亮度，給出該元素濃度分布的掃描圖像。一般而言，常用的X射線能譜儀能檢測(cè)到的成分含量下限為0.1% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可以應(yīng)用在判定合金中析出相或固溶體的組成、測(cè)定金屬及合金中各種元素的偏析、研究電鍍等工藝過(guò)程形成的異種金屬的結(jié)合狀態(tài)、研究摩擦和磨損過(guò)程中的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及失效件表面的析出物或腐蝕產(chǎn)物的鑒別等方面。3.4 顯微組織及超微尺寸材料的研究

18、 鋼鐵材料中諸如回火托氏體、下貝氏體等顯微組織非常細(xì)密，用光學(xué)顯微鏡難以觀察組織的細(xì)節(jié)和特征。在進(jìn)行材料、工藝試驗(yàn)時(shí)，如果出現(xiàn)這類組織，可以將制備好的金相試樣深腐蝕后，在掃描電鏡中鑒別。下貝氏體與高碳馬氏體組織在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)均呈針狀，且前者的性能優(yōu)于后者。但由于光學(xué)顯微鏡的分辨率較低，無(wú)法顯示其組織細(xì)節(jié)，故不能區(qū)分。電子顯微鏡卻可以通過(guò)對(duì)針狀組織細(xì)節(jié)的觀察實(shí)現(xiàn)對(duì)這種相似組織的鑒別。在電子顯微鏡下，可清楚地觀察到針葉下貝氏體是有鐵素體和其內(nèi)呈方向分布的碳化物組成。 納米材料是納米科學(xué)技術(shù)最基本的組成部分?，F(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只有幾個(gè)納米的顆粒。由于納米材料表面上的原子只

19、受到來(lái)自內(nèi)部一側(cè)的原子的作用，十分活潑，所以使用納米金屬顆粒粉作催化劑，可加快化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。納米材料的應(yīng)用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難以加工等缺點(diǎn)，納米陶瓷在一定的程度上可增加韌性，改善脆性。復(fù)合納米固體材料亦是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如含有20%超微鈷顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料；金屬鋁中摻進(jìn)少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐熱性強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)材料。納米材料的一切獨(dú)特性能主要源于它的超微尺寸，因此必須首先切確地知道其尺寸，否則對(duì)納米材料的研究及應(yīng)用便失去了基礎(chǔ)。目前該領(lǐng)域的檢測(cè)手段和表征方法可以使用透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等技術(shù)，但高分辨率的掃描電鏡(SEM)在納米級(jí)別材料的形貌觀察和尺寸檢測(cè)方面因具有簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，也被大量采用。4. 結(jié)語(yǔ)掃描電子顯微鏡在材料的分析和研究方面應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于材料斷口分析、微區(qū)成