第九章-掃描電子顯微鏡

第九章掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope,SEM)

材料現(xiàn)代研究方法電子與物質(zhì)作用產(chǎn)生什么？電磁透鏡像差包括哪些？如何加以校正？背散射電子和二次電子的區(qū)別？場發(fā)射電子顯微鏡和一般的掃描顯微鏡的不同之處？場發(fā)射電子槍的種類？電子探針顯微分析的基本原理？掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)和成像原理9.2場發(fā)射掃描電子顯微鏡9.3電子與物質(zhì)的相互作用9.1第九章掃描電子顯微鏡電子探針顯微分析9.4其它電子成像技術(shù)結(jié)合EDS分析9.5EMPA-掃描電子顯微鏡分析方法和應用9.69.1電子與物質(zhì)的相互作用12電子散射背散射電子3二次電子

9.1.1電子散射

當高速運動的電子與物質(zhì)的原子碰撞以后，由于原子核的質(zhì)量遠大于電子的質(zhì)量因而除了電子的動量發(fā)生改變以外，其能量幾乎不變，即發(fā)生彈性散射。圖9-1電子與物質(zhì)的相互作用

9.1.1電子散射

(1)彈性散射（9-1）(2)非彈性散射(3)多次散射圖9-2散射截面與原子序數(shù)的相互關(guān)系

9.1.2背散射電子

入射電子經(jīng)過試樣表面散射后改變運動方向后又從試樣表面反射回來的電子成為背散射電子，又稱背反射電子。背反射系數(shù)可用表示，其中K,m均為與原子序數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

9.1.3二次電子

二次電子發(fā)射系數(shù)可用下式表示：(9-2)圖9-3二次電子散射幾率示意圖二次電子可以提供樣品的表面形貌特征

9.1.3二次電子

圖9-4二次電子的逃逸

9.1.3二次電子

圖9-5散射電子的能量分布

9.1.3二次電子

圖9-6散射電子的產(chǎn)率

9.1.3二次電子

圖9-7電子與物質(zhì)的作用的體積9.2掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)和成像原理12掃描電子顯微鏡的工作原理掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)34掃描電子顯微鏡的性能掃描電子顯微鏡的特點56樣品制備影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

(一)電磁透鏡的工作原理在電子顯微鏡本身結(jié)構(gòu)方面，最主要的電磁透鏡源自J.J.Thomson作陰極射線管實驗時觀察到電場及磁場可偏折電子束。圖9-8電子在磁透鏡中的運動軌跡

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

圓的半徑:(9-3)焦距f可用下式來表示：

(9-4)

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

圖9-9透鏡的球差球面像差（球差）：電子透鏡中，由于透鏡中離軸遠的地方聚焦能力要比離軸近的地方強，其成像點較沿軸電子束成像之高斯成像平面距透鏡為近

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

圖9-10透鏡的色差色差：電子的運動速度不同，其波長也不同，因而在電磁透鏡的成像位置也不同，即形成色差。

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

圖9-11透鏡的像散像散：由透鏡磁場不對稱而來，使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點上。

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

（二）二次電子像由于二次電子的發(fā)射區(qū)只略微比電子束直徑稍大一些，但比背散射電子發(fā)射區(qū)要小很多，因此，二次電子成像的分辨率比較高。（三）背散射電子像背散射電子為彈性散射，其能量在入射前和散射后保持一致，因此，較深層的背散射電子由于能量不變也可以逸出樣品的表面，所以背電子散射的監(jiān)測深度比二次電子大。

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

（四）吸收電子像由于入射電子可以被樣品表面吸收使之帶上負電荷，因此可以測定樣品的接地電流從而得到吸收電子像。（五）透射電子像對于薄膜樣品，入射電子可以透過樣品，通過測定透過電子的數(shù)量，就可得到透射電子像。

9.2.1掃描電子顯微鏡的工作原理

（六）電子通道花樣對于單晶體，晶體的趨向直接影響著背散射電子和二次電子的強度。圖9-12釩單晶的（111）通道花樣（背散射電子）

9.2.2掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡主要由電子光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)組成．圖9-13掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)圖圖9-14掃描電子顯微鏡實物圖

9.2.2掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

（1）電子光學系統(tǒng)（2）真空系統(tǒng)（3）電源系統(tǒng)（4）掃描系統(tǒng)（5）信號探測系統(tǒng)（6）顯示系統(tǒng)（7）吸收電子檢測（8）X射線檢測

9.2.2掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)

圖9-15掃描電鏡電子信號收集器

9.2.3掃描電子顯微鏡的性能

（1）分辨率：分辨率就是指清晰地分開兩個物體之間的距離。（2）景深：景深是指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前后可移動的距離。（3）放大倍數(shù)：掃描電鏡的放大倍數(shù)M定義為：電子束在熒光屏上最大掃描距離和在鏡筒中電子束在試樣上最大掃描距離的比值：

M=l/L(9-5)

9.2.3掃描電子顯微鏡的性能

圖9-16透鏡的景深

9.2.3掃描電子顯微鏡的性能

圖9-17一種海底輻射蟲（RadiolarianTrochodiscuslongispinus）在光學顯微鏡（左）和掃描電子顯微鏡（右）下的觀察照片

9.2.4掃描電子顯微鏡的特點

（1）掃描電鏡除了能顯示一般試樣表面的形貌外，還能將試樣微區(qū)范圍內(nèi)的化學元素、光、電、磁等性質(zhì)的差異以二維圖像形式顯示出來，并可用照相方式拍攝圖像。（2）掃描電鏡是一種有效的理化分析工具，通過它可進行各種形式的圖像觀察、元素分析、晶體結(jié)構(gòu)分析。

9.2.4掃描電子顯微鏡的特點

（3）分辨本領(lǐng)高——二次電子成像能觀察到試樣表面6nm左右的微區(qū)情況；放大倍數(shù)可調(diào)范圍大—一般可從100000-150000倍。（4）觀察試樣的景深大，圖像富有立體感，可直接觀察試樣表面起伏較大的粗糙結(jié)構(gòu)形態(tài)，如金屬表面形態(tài)、金屬斷口形態(tài)等。

9.2.5樣品制備（1）表面導電性良好，需能排除電荷；（2）不能有松動的粉末或碎屑以避免抽真空時粉末飛揚污染鏡柱體（3）樣品耐熱性良好（4）不能含液狀或膠狀物質(zhì)，以免揮發(fā)（5）非導體表面需鍍金(影像觀察)或鍍碳(成份分析)。

9.2.6影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素電子槍、電磁透鏡以及樣品室的潔凈度等，避免粉塵、水氣、油氣等污染；調(diào)節(jié)加速電壓、工作電流以及儀器調(diào)整、樣品處理、真空度；環(huán)境因素（振動、磁場、噪音、接地）。如何做好SEM的影像，一般由樣品的種類和所要的結(jié)果來決定觀察條件，調(diào)整適當?shù)募铀匐妷骸⒐ぷ骶嚯x、適當?shù)臉悠穬A斜，選擇適當?shù)膫蓽y器、調(diào)整合適的電子束電流。9.3場發(fā)射掃描電子顯微鏡12場發(fā)射掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)場發(fā)射掃描電子顯微鏡的特點9.3.1場發(fā)射掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖9-18場發(fā)射電子槍(A.電子槍的結(jié)構(gòu)，B.電子槍實物圖)9.3.1場發(fā)射掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)（1）冷場發(fā)射式電子槍必需在10-10torr的真空度下操作，需要定時短暫加熱針尖至2500K，以去除所吸附的氣體原子。（2）熱場發(fā)射式電子槍類似于冷場發(fā)射槍，不同的是熱場發(fā)射槍是在1800K溫度下操作，不需要針尖flashing，不易污染，具有較大的能量擴散。（3）肖特基發(fā)射式電子槍系在鎢(100)單晶上鍍ZrO覆蓋層，其操作溫度為1800K，ZrO的作用是將純鎢的功函數(shù)降低（4.5eV-2.8eV）。9.3.2場發(fā)射掃描電子顯微鏡的特點場發(fā)射掃描電子顯微鏡，廣泛用于生物學、醫(yī)學、金屬材料、高分子材料、化工原料、地質(zhì)礦物、商品檢驗、產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量控制、寶石鑒定、考古和文物鑒定及公安刑偵物證分析?？梢杂^察和檢測非均相有機材料、無機材料及在上述微米、納米級樣品的表面特征。9.4電子探針顯微分析（ElectronProbeMicroanalysis,EPMA）12EPMA原理和結(jié)構(gòu)X射線能譜儀34X射線波譜儀定性分析5定量分析9.4.1EPMA原理和結(jié)構(gòu)X-rays1895年德國科學家發(fā)現(xiàn)了X射線，1914年英國科學家HenryMoseley發(fā)現(xiàn)了特征X射線與原子序數(shù)之間的關(guān)系。1913年莫塞萊發(fā)現(xiàn)了元素的特征X射線與其原子序數(shù)之間有著一定的關(guān)系：

(9-6)9.4.1EPMA原理和結(jié)構(gòu)圖9-19EPMA-SEM裝置9.4.2X射線能譜儀（EDS）（一）EDS系統(tǒng)的工作原理（1）EDS的結(jié)構(gòu)：由探測器、前置放大器、脈沖信號、處理單元、處理單元、D/AD/A、多道分析器等組成。圖9-20鋰漂移硅探測器9.4.2X射線能譜儀（EDS）圖9-21Si(Li)探測器的結(jié)構(gòu)9.4.2X射線能譜儀（EDS）(2)檢測過程：當X射線光子被探測器晶體捕獲，探測器晶體上產(chǎn)生空穴電子對，這些電子對通過偏轉(zhuǎn)線圈形成電荷脈沖，并通過牽制放大器，進一步轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。脈沖信號通過線性放大器進一步放大做后進入計算機X射線分析儀，轉(zhuǎn)化為能量與強度的譜圖。9.4.2X射線能譜儀（EDS）(3)檢測器的效率樣品產(chǎn)生的特征X射線非常接近于直線（寬度只有幾個電子伏特），但是由于檢測器類型的不同以及維護情況的差異使得圖譜上形成的峰變寬（可達135-200eV）。圖9-22X射線譜儀的分辨率9.4.2X射線能譜儀（EDS）(4)EDS的特點：X射線能譜儀具有如下一些特點（1）探測立體角大、探測效率高；（2）對薄樣品檢測效率由于厚塊狀樣品；（3）可同時顯示所有譜線，定性分析速度快。圖9-23特征X射線9.4.3X射線波譜儀（WavelengthDispersiveSpectrometry,WDS）

1.根據(jù)波長和頻率之間的關(guān)系，莫塞萊定律可以轉(zhuǎn)變?yōu)?(9-7)9.4.3X射線波譜儀（WavelengthDispersiveSpectrometry,WDS）2.X射線波譜儀的結(jié)構(gòu)：（1）分光晶體（2）X射線的聚焦圖9-24氣體等比計數(shù)器9.4.3X射線波譜儀（WavelengthDispersiveSpectrometry,WDS）圖9-25全聚焦光譜儀9.4.4定性分析掃描電鏡上做EDS能譜分析可以很快地完成所有元素的X射線能譜圖，通過鑒別圖譜中各個峰的能量來判斷該峰所對應的元素的含量，峰高與元素的含量成正比。圖9-26X射線的命名9.4.5定量分析電子探針定量分析的基礎(chǔ)是元素特征X射線的強度。在實際測定中由于分析條件的變化和儀器的穩(wěn)定性等各方面的因素，射線強度與元素含量的關(guān)系需要修正。定量分析方法之一是比較同樣測試條件下樣品X射線強度和已知含量樣品的X射線強度：（9-8）9.4.5定量分析圖9-27X射線熒光效率與原子序數(shù)的關(guān)系9.4.5定量分析圖9-28X射線譜儀獲得的BaTiO3的能譜和波譜9.4.5定量分析圖9-30EDS/WDS的比較9.5其它電子成像技術(shù)結(jié)合EDS分析除了掃描電子顯微鏡以及掃描探針分析之外，透射電子顯微鏡也是一種非常有價值的材料分析方法。圖