第三章 掃描電鏡

1、分析測(cè)試中心分析測(cè)試中心 掃描電子顯微鏡是利用聚焦電子束在試樣上掃描時(shí)，激發(fā)的一些物理信號(hào)來(lái)調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯像管在相應(yīng)位置的亮度而成像的一種顯微鏡。SEM是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種大型精密電子光學(xué)儀器，它是觀察樣品微區(qū)形貌和結(jié)構(gòu)的有力工具，在冶金、地質(zhì)、礦物、高分子、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織形貌的觀察和微區(qū)成分分析。 1932年德國(guó)發(fā)明了第一臺(tái)電子顯微鏡，并于1986年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。電子顯微鏡主要特征：l以電子束代替光鏡中的光束作為入射光 電子束的波長(zhǎng)由加速電壓所決定 例：V=100 kV時(shí)，=0.003

2、9 nm，此時(shí)分辯率為0.002 nml以電磁透鏡代替光鏡中的玻璃透鏡 電磁透鏡的本質(zhì)是一個(gè)透過(guò)直流電的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，電子束受到磁場(chǎng)力的作用而改變其運(yùn)動(dòng)方向和速度，如同光束通過(guò)玻璃透鏡，最終會(huì)聚焦。 掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦的非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過(guò)對(duì)這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得對(duì)試樣表面形貌的觀察。 具有高能量的入射電子束與固體樣品的原子核及核外電子發(fā)生作用后，可產(chǎn)生多種物理信號(hào)如下圖所示。從樣品表面從樣品表面5-10nm深度深度范圍內(nèi)被入射電子激發(fā)出范圍內(nèi)被入射電子激發(fā)出來(lái)的，能量小于來(lái)的，能量小于50eV的的電子電子入射電子打到樣入射電子

3、打到樣品表面被樣品散品表面被樣品散射后向反方向運(yùn)射后向反方向運(yùn)行逸出樣品表面行逸出樣品表面的能量高于的能量高于50ev的電子的電子原子的內(nèi)層電子被入原子的內(nèi)層電子被入射電子束激發(fā)或電離射電子束激發(fā)或電離時(shí)，處于激發(fā)狀態(tài)的時(shí)，處于激發(fā)狀態(tài)的外層電子向內(nèi)層躍遷外層電子向內(nèi)層躍遷時(shí)釋放出的具有特征時(shí)釋放出的具有特征能量的能量的X射線射線背射電子：背射電子：背射電子是指被固體樣品原子反射回來(lái)的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。二次電子二次電子 ：二次電子是指被入射電子轟擊出來(lái)的核外電子。當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散

4、射過(guò)程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。 特征X射線 ：特征X射線試原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。俄歇電子 ：如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出來(lái)的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮樱@種二次電子叫做俄歇電子。 l二次電子成像原理 形貌襯度-由于二次電子是從樣品表面5-10nm深度范圍內(nèi)激發(fā)出來(lái)的，因此二次電子對(duì)微區(qū)表面的幾何形狀十分敏感，影響二次電子圖像襯度的主要因素是表面凹凸形貌造成的襯度。 原子序數(shù)襯度- 原子

5、序數(shù)大的地方射出的二次電子多，圖像亮；而原子序數(shù)小的地方射出的二次電子少，圖像暗。 電位襯度- 電位低的地方二次電子少，圖像暗；而電位高的地方二次電子多，圖像亮。l背散射電子成像原理原子序數(shù)襯度在原子序數(shù)Z小于40的范圍內(nèi)，背散射電子的產(chǎn)額對(duì)原子序數(shù)十分敏感。樣品中原子序數(shù)較高的區(qū)域由于收集到的背散射電子數(shù)量較多，故屏幕上的圖像較亮，而輕元素區(qū)域則較暗，因此可以利用原子序數(shù)造成的襯度變化對(duì)各種金屬和合金進(jìn)行定性的成分分析。形貌襯度 由于背散射電子是在一個(gè)較大的作用范圍內(nèi)被入射電子激發(fā)的，所以用背散射電子信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率比二次電子低。 (a)二次電子(SE)像 (b)背散射電子(BS

6、E)像 亞共析鋼中鐵素體和珠光體的SEM形貌 (a)二次電子(SE)像 (b)背散射電子(BSE)像 半導(dǎo)體器件斷口的SEM形貌l掃描電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。SEM- 儀器型號(hào)：JSM-5600LV型 生產(chǎn)廠家：JEOL公司EDS - 儀器型號(hào)： IE 300 X 生產(chǎn)廠家： Oxford 一、電子光學(xué)系統(tǒng)一、電子光學(xué)系統(tǒng)燈絲燈絲聚光鏡聚光鏡掃描線圈掃描線圈物鏡物鏡二、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)二、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)二次電子檢測(cè)器二次電子檢測(cè)器背散射電背散射電子檢測(cè)器子檢測(cè)器能譜探頭能譜探頭二次電子/背散射電子捕集器閃爍體電離產(chǎn)生可見(jiàn)光光導(dǎo)管光電倍增管得到放大的電信號(hào)視頻放

7、大器放大 調(diào)制顯像管亮度得到圖像l分辨率分辨率 分辨率是指圖像上可以分辨的兩個(gè)特征物（顆粒或區(qū)域）之間的最小距離。JSM-5600LV型掃描電鏡的分辨率為：3.5nm(高真空分辨率)和4.5nm(低真空分辨率)。由于二次電子的逸出深度和廣度較小，故二次電子的圖像分辨率最高，圖像清晰。 l放大倍數(shù)放大倍數(shù) 放大倍數(shù)是指電子束在顯像管上掃描幅度Ac 與試樣上掃描幅度As之比（ Ac / As ）。由于掃描電鏡的熒光屏是固定的，因此只要減小或增加鏡筒中電子束的掃描幅度就可以相應(yīng)地增大或減小放大倍數(shù)。 JSM-5600LV型掃描電鏡的放大倍數(shù)范圍為18-300,000倍。l分辨率高分辨率高 l景深大景

8、深大l放大倍數(shù)范圍寬放大倍數(shù)范圍寬 l制樣簡(jiǎn)單制樣簡(jiǎn)單 l對(duì)樣品損傷小對(duì)樣品損傷小 l得到的信息多得到的信息多 l固體樣品表面微區(qū)形貌觀察；l材料斷口形貌及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析；l微粒或纖維形狀觀察及其尺寸分析；l固體樣品表面微區(qū)成分的定性和半定量分析。 斷裂是工程構(gòu)件和機(jī)械零件失效形式中最主要、最具危害性的失效。在對(duì)斷口形貌的實(shí)際觀察和研究中，掃描電鏡由于具有放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)、景深大、立體感強(qiáng)、無(wú)需另外制備樣品等優(yōu)點(diǎn)，從而在斷口分析中得到了廣泛的應(yīng)用。脆性斷裂（brittle fracture）脆性斷裂是幾乎不伴隨塑性變形而形成脆性斷口（斷裂面通常與拉應(yīng)力垂直，宏觀上由具有光澤的亮面組成）的斷裂。

9、脆性斷裂一般包括沿晶脆性斷裂、解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂、疲勞斷裂、腐蝕疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、氫脆斷裂等。塑性斷裂(ductile fracture)與脆性斷裂不同，塑性斷裂是材料斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂方式。 斷斷裂裂斷裂機(jī)制斷裂機(jī)制韌窩斷裂韌窩斷裂解理斷裂解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂準(zhǔn)解理斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂 韌窩是金屬塑性斷裂的主要微觀特征。它是材料在微區(qū)范圍內(nèi)塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞，經(jīng)形核、長(zhǎng)大、聚集最后相互連接而導(dǎo)致斷裂后，在斷口表面上所留下的痕跡。 韌窩的大小包括平均直徑和深度。影響韌窩大小的主要因素從材料方面講為第二相的大小、密度、基體的塑性變形能力、形變硬化指數(shù)等，從

10、外界條件講與應(yīng)力大小和加載速率有關(guān)。一般在斷裂條件相同時(shí)，韌窩尺寸越大，表示材料的塑性越好。l韌窩韌窩一些大小不等的圓形或橢圓形的凹坑。l韌窩內(nèi)經(jīng)?？梢钥匆?jiàn)夾雜物或第二相粒子。l實(shí)際斷裂中，受局部區(qū)域應(yīng)力的影響可能出現(xiàn)不同形狀的韌窩，如等軸韌窩、剪切韌窩、沿晶韌窩等。 解理斷裂是金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵破壞而造成的沿一定的晶體學(xué)平面（即解理面）快速分離的過(guò)程，是一種脆性斷裂。l材料受拉應(yīng)力作用沿著某特定的晶體學(xué)晶面產(chǎn)生分離而形成的斷口，晶體學(xué)晶面稱為解理面。l由于金屬材料中晶體取向是無(wú)序的，故沿不同解理面擴(kuò)展的裂紋相交成具有不同特征的花樣，如：河流花樣、扇形花樣、舌狀花樣、魚(yú)骨狀花樣

11、等。 準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間一種過(guò)渡斷裂形式，準(zhǔn)解理的形成過(guò)程是首先在許多不同部位同時(shí)產(chǎn)生許多解理裂紋核，然后按解理方式擴(kuò)展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，與相鄰的解理小刻面相連，形成撕裂嶺。l斷裂沿一定的結(jié)晶面擴(kuò)展，斷口上有河流花樣，但又具有較大塑性變形產(chǎn)生的撕裂棱，準(zhǔn)解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種斷裂方式。l準(zhǔn)解理斷口經(jīng)常顯示有較明顯的放射狀花樣，其微觀形貌特征既不同于解理斷口，也有別于韌窩斷口。 沿晶斷裂又稱晶間斷裂，它是多晶體沿不同取向晶粒間晶界分離的現(xiàn)象。l由于晶界處的機(jī)械、物理和化學(xué)性能與晶粒內(nèi)部不同，在受力狀態(tài)下金屬材料容易沿晶粒邊界開(kāi)裂。l沿晶斷裂

12、可分為脆性沿晶斷裂和延性沿晶斷裂。前者的微觀斷口為冰糖狀，晶界面清潔光滑，棱角分明，多面體感強(qiáng)；后者斷口表面上有大量的細(xì)小韌窩。 疲勞斷裂指金屬在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展而導(dǎo)致的斷裂，其斷口在宏觀上由疲勞源、擴(kuò)展區(qū)和最后破斷區(qū)三個(gè)區(qū)域構(gòu)成，在微觀上可出現(xiàn)疲勞條紋。l疲勞斷裂是在沒(méi)有出現(xiàn)明顯塑性變形情況下產(chǎn)生的突然斷裂，是一種低應(yīng)力脆斷破環(huán)現(xiàn)象。l疲勞斷裂是損傷積累過(guò)程的結(jié)果，是與時(shí)間相關(guān)的破環(huán)方式。l疲勞輝紋是疲勞斷口的主要特征。晶間腐蝕（intercrystalline corrosion）晶間腐蝕是指金屬材料或構(gòu)件沿晶界產(chǎn)生并沿晶界擴(kuò)展導(dǎo)致金屬材料或物件的損傷。 應(yīng)力腐蝕(st

13、ress corrosion)金屬構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下所導(dǎo)致的脆性斷裂為應(yīng)力腐蝕。斷裂前沒(méi)有預(yù)兆，不易預(yù)防，危害性極大。l在腐蝕物介質(zhì)作用下發(fā)生腐蝕破裂形成的斷口。l有晶界腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氧化物腐蝕等。 能譜儀是用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，檢測(cè)和分析特征X射線的能量及強(qiáng)度，從而進(jìn)行表面微區(qū)成分分析的一種儀器。它是在電子光學(xué)和X射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效率的分析儀器。能譜儀與掃描電鏡相結(jié)合，可以滿足表面微區(qū)形貌、 組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分三位一體同位分析的需要。實(shí)際的譜是更為復(fù)雜的，因?yàn)樵佑卸鄬榆壍溃ɡ?L，M 和 N 層）。在EDS 中

14、L-線系譜可能高達(dá) 6 或 7 條譜。Ma aLb bLa aKa aKb b原子核原子核顯示器顯示器 (MCA Display)HP計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)EDAMIIIPCI杜瓦瓶杜瓦瓶前置放大器前置放大器SEM鏡筒鏡筒終透鏡終透鏡樣品臺(tái)樣品臺(tái)樣品室樣品室探頭探頭窗口窗口準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器FET 電子束打到樣品表面激發(fā)出元素的特征X射線，各種元素都有自己的特征X射線波長(zhǎng)，特征波長(zhǎng)的大小則取決于能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放的特征能量。能譜儀就是利用不同元素X射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行成分分析的。 X射線光子由鋰漂移硅Si(Li)檢測(cè)器收集，當(dāng)光子進(jìn)入檢測(cè)器后，在Si(Li)晶體內(nèi)激發(fā)出一定數(shù)目的電子-空穴對(duì)，產(chǎn)生一個(gè)空穴對(duì)的最低平均能量是一定的，因此由一個(gè)X射線光子造成的空穴對(duì)的數(shù)目N= / 。利用加在Si(Li)晶體兩端的偏壓