第十章掃描電子顯微分析與電子探針

1第十章掃描電子顯微分析與電子探針

2第一節(jié)掃描電子顯微鏡工作原理及構造

一、工作原理

圖10-1掃描電子顯微鏡原理示意圖電子槍發(fā)射的電子束經過2-3個電磁透鏡聚焦

在樣品表面按順序逐行掃描，激發(fā)樣品產生各種物理信號:二次電子、背散射電子、吸收電子等。信號強度隨樣品表面特征而變。它們分別被相應的收集器接受，經放大器按順序、成比例地放大后，送到顯像管。3二、構造與主要性能掃描電子顯微鏡由電子光學系統(tǒng)(鏡筒)、偏轉系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等部分組成電子光學系統(tǒng)偏轉系統(tǒng)信號檢測放大系統(tǒng)圖像顯示和記錄系統(tǒng)電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)41．電子光學系統(tǒng)由電子槍、電磁聚光鏡、光欄、樣品室等部件組成。作用：獲得掃描電子束，作為使樣品產生各種物理信號的激發(fā)源。

電子槍電磁聚光鏡光欄樣品室5表10-1幾種類型電子槍性能比較為了獲得較高的信號強度和掃描像（尤其是二次電子像）分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。6最末級聚光鏡因為緊靠樣品上方，且在結構設計等方面有一定的特殊性，故也稱物鏡。是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對電子軌跡的干擾。

樣品臺有三軸x,y,z移動裝置，其中x,y方向的移動用于把樣品及標樣移至電子束下方，而z方向的移動是為了保證顯微鏡的聚焦。兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。具有不同孔徑的光欄可以提高束流或增大景深，從而改善圖像質量。72．偏轉系統(tǒng)

作用：使電子束產生橫向偏轉，包括用于形成光柵狀掃描的掃描系統(tǒng)，以及使樣品上的電子束間斷性消隱或截斷的偏轉系統(tǒng)。偏轉系統(tǒng)可以采用橫向靜電場，也可采用橫向磁場。8掃描系統(tǒng)可通過雙偏轉線圈控制，上偏轉線圈裝在末級聚光鏡的物平面位置上。當上、下偏轉線圈同時起作用時，電子束在樣品表面作光柵掃描，即既有x方向的行掃，又有y方向的幀掃，掃描位移量相等，所以為正方形。當下偏轉線圈不起作用、末級聚光鏡起著第二次偏轉作用時，電子束在樣品表面作角光柵掃描。

電子束的消隱和截斷是指將射到樣品上的電子束變成短脈沖，使其持續(xù)時間比重復出現的周期小。這樣可將電子束產生的某種微弱信號從穩(wěn)態(tài)信號中分離出來，或者可以測量出短的脈沖電子束照射樣品后信號的減弱。93．信號檢測放大系統(tǒng)

作用：收集(探測)樣品在入射電子束作用下產生的各種物理信號，并進行放大。不同的物理信號，要用不同類型的收集系統(tǒng)。閃爍計數器是最常用的一種信號檢測器，它由閃爍體、光導管、光電倍增管組成。具有低噪聲、寬頻帶(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特點，可用來檢測二次電子、背散射電子等信號。104．圖像顯示和記錄系統(tǒng)

作用：將信號檢測放大系統(tǒng)輸出的調制信號轉換為能顯示在陰極射線管熒光屏上的圖像，供觀察或記錄。

115．電源系統(tǒng)

作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應的安全保護電路組成126．真空系統(tǒng)

作用：確保電子光學系統(tǒng)正常工作、防止樣品污染、保證燈絲的工作壽命等。13SEM的主要性能（1）放大倍數

可從20倍到20萬倍連續(xù)調節(jié)。（2）分辨率影響SEM圖像分辨率的主要因素有：①掃描電子束斑直徑；②入射電子束在樣品中的擴展效應；③操作方式及其所用的調制信號；④信號噪音比；⑤雜散磁場；⑥機械振動將引起束斑漂流等，使分辨率下降。（3）景深SEM（二次電子像）的景深比光學顯微鏡的大，成像富有立體感。14(1)放大倍數

掃描電鏡的放大倍數可用表達式

M=AC/AS

AC是熒光屏上圖像的邊長，AS是電子束在樣品上的掃描幅度。目前大多數商品掃描電鏡放大倍數為20-200000倍，介于光學顯微鏡和透射電鏡之間。15(2)分辨本領（d/M）

SEM的分辨本領與以下因素有關：1）入射電子束束斑直徑由于掃描成像，小于入射電子束束斑的細節(jié)不能分辨。熱陰極電子槍的最小束斑直徑6nm，場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm。不同的物理信號調制的掃描象有不同的分辨本領。二次電子掃描象的分辨本領最高，約等于入射電子束直徑，一般為6-10nm，背散射電子為50-200nm，吸收電子和X射線為100-1000nm。

2）影響分辨本領的因素還有信噪比、雜散電磁場和機械震動等。16影響因素：束斑直徑擴展效應調制信號信號噪聲比雜散磁場機械振動引起的束斑漂流17(3)景深

SEM景深很大。它的景深取決于分辨本領d0和電子束入射半角ac。由圖可知，掃描電鏡的景深F為

因為ac很小，所以上式可寫作

18表10-2掃描電子顯微鏡景深掃描電子顯微鏡末級透鏡采用小孔徑角,長焦距,的角很?。s10-3rad），所以它的景深很大。它比一般光學顯微鏡景深大100-500倍，比透射電子顯微鏡的景深大10倍。例如在放大倍數是500倍時，焦深可達1000μm。因而對于復雜而粗糙的樣品表面，仍然可得清晰聚焦的圖像。并且圖像立體感強，易于分析.19第二節(jié)像襯原理與應用一、像襯原理

像的襯度就是像的各部分(即各像元)強度相對于其平均強度的變化。SEM可以通過樣品上方的電子檢測器檢測到具有不同能量的信號電子有背散射電子、二次電子、吸收電子、俄歇電子等。201．二次電子像襯度及特點在單電子激發(fā)過程中被入射電子轟擊出來的核外電子叫做二次電子。二次電子信號主要來自樣品表層5~10nm深度范圍，能量較低(小于50eV)。影響二次電子產額的因素主要有：(1)二次電子能譜特性；(2)入射電子的能量；(3)材料的原子序數；(4)樣品傾斜角。

21二次電子像的襯度可以分為以下幾類：(1)形貌襯度(2)成分襯度(3)電壓襯度(4)磁襯度(第一類)右圖為形貌襯度原理22(1)形貌襯度

由于二次電子信號主要來自樣品表層5-l0nm深度范圍，它的強度與原子序數沒有明確的關系，適用于顯示形貌襯度。入射電子束與試樣表面法線間夾角愈大，二次電子產額愈大。2324(2)成分襯度由于部分二次電子是由背散射電子激發(fā)的，而背散射電子與原子序數Z關系密切，所以產額也隨Z的增加而增大，只是增大的數值不是很大。特別是當入射電子能量小于5KeV時，電子射程已降到100nm，此時背散射電子的影響減少。故二次電子能反映出表面薄膜的成分變化。25(3)電壓襯度有些樣品表面可能處于不同的電位，如半導體的p-n結、加偏壓的集成電路等，這些局部電位將影響二次電子的軌跡和強度，造成樣品正偏壓處的二次電子好像被拉住不易逸出，圖像較暗，而負偏壓處的二次電子易被推出，故圖像較亮?？捎糜谘芯坎牧虾推骷墓に嚱Y構等。26(4)磁襯度(第一類)具有一定規(guī)律的二次電子還可能會受到樣品表面處外延磁場的偏轉而形成某種襯度，表現出條紋襯度。鐵磁體材料（如鈷）中的磁疇、錄音（像）磁帶的磁場或集成電路上薄膜導線的磁場等都會形成這種外延磁場。27二次電子像襯度的特點：

（1）分辨率高（2）景深大，立體感強（3）主要反應形貌襯度。

什么是最小襯度？28（1）立體感強

由于電子檢測器上偏壓的吸引，低能二次電子的軌跡可以彎曲，因此背對檢測器區(qū)域所產生的電子有相當一部分可以通過彎曲軌跡到達檢測器，這使得檢測器的有效收集立體角增大，二次電子信號強度提高，圖像立體感增強，并可清晰地反應出樣品背對檢測器區(qū)域的細節(jié)。

29（2）最小襯度

熒光屏上的亮度決定于從樣品來的信號強度，當樣品相鄰區(qū)域的信號強度差別太小時，人眼就不能加以區(qū)別，這就存在一個最小襯度。最小襯度限制著分辨率，同時與樣品處的信噪比有關。一般認為：樣品處的襯度（即相對強度）必須大于噪聲與信號之比的5倍，人眼才能區(qū)分這兩個區(qū)域。同時，當樣品襯度很小時，電子束直徑將增大，不可能得到高分辨率的像。30ZnO31水泥漿體斷口322．背散射電子像襯度及特點

影響背散射電子產額的因素有：(1)原子序數Z

(2)入射電子能量E0

(3)樣品傾斜角

圖10-6背散射系數與原子序數的關系33(2)入射電子能量E0

當入射電子能量E0=10~100keV時，可近似認為電子產額與Z無關。(3)樣品傾斜角當<500時，背散射電子產額不隨變化，當由500增大至900時，背散射電子產額增大直至接近于1.34背散射電子襯度有以下幾類：

(1)成分襯度(2)形貌襯度(3)磁襯度(第二類)35(1)成分襯度由于被散射電子信號強度隨原子序數的變化比二次電子大得多，所以背散射電子有較好的成分襯度。樣品表面上平均原子序數較高的區(qū)域，產生較強的信號，在背散射電子像上顯示較高的亮度。復雜樣品中，元素原子序數相差較大的可提供高襯度信號。36(2)形貌襯度背散射電子的能量較高，離開樣品表面后沿直線軌跡運動，檢測器只能檢測到直接射向檢測器的背散射電子，有效收集的立體角較小，信號強度較低，那些背向檢測器區(qū)域所產生的背散射電子就無法達到檢測器，結果在圖像上造成陰影，掩蓋了部分細節(jié)。37(3)磁襯度(第二類)由于背散射電子在樣品中的平均自由程較長，外界磁場就有可能會影響兩次碰撞之間的軌跡，凡是軌跡彎向表面的電子易于從樣品逸出，相反，軌跡背離表面向內部彎曲的電子不易逸出，最終因電子產額不同造成不同的襯度。38背散射電子像的襯度特點：（1）分辨率低（2）背散射電子檢測效率低，襯度?。?）主要反應原子序數襯度39二次電子運動軌跡背散射電子運動軌跡圖10-7二次電子和背散射電子的運動軌跡40二、應用

1．斷口形貌觀察2．顯微組織觀察3．其它應用（背散射電子衍射花樣、電子通道花樣等用于晶體學取向測定）41斷口形貌觀察42斷口形貌觀察43材料表面形態(tài)（組織）觀察44磨損表面形貌45納米結構材料形態(tài)46生物樣品的形貌47原子序數襯度像48第三節(jié)電子探針X射線顯微分析（EPMA）

EPMA的構造與SEM大體相似，只是增加了接收記錄X射線的譜儀。EPMA使用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。電子探針X射線顯微分析儀是利用一束聚焦到很細且被加速到5~30keV的電子束，轟擊用顯微鏡選定的待分析樣品上的某個“點”，利用高能電子與固體物質相互作用時所激發(fā)出的特征X射線波長和強度的不同，來確定分析區(qū)域中的化學成分。491、分析手段簡化，分析時間縮減；2、所需樣品少，而且是一種無損分析方法；3、釋譜簡單且不受元素化合物狀態(tài)的影響。特點：50圖10-17電子探針結構示意圖51一、能譜儀

能譜儀全稱為能量分散譜儀(EDS)．目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關鍵部件是Si(Li)檢測器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測器，它實際上是一個以Li為施主雜質的n-i-p型二極管。圖10-18Si(Li)檢測器探頭結構示意圖

52以Si(Li)檢測器為探頭的能譜儀實際上是一整套復雜的電子學裝置。圖10-19Si(Li)X射線能譜儀53Si(Li)能譜儀的優(yōu)點：

(1)分析速度快能譜儀可以同時接受和檢測所有不同能量的X射線光子信號，故可在幾分鐘內分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na~92U，20世紀80年代推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測元素的范圍為4Be~92U。(2)靈敏度高

X射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10㎝左右)，無需經過晶體衍射，信號強度幾乎沒有損失，所以靈敏度高(可達104cps/nA，入射電子束單位強度所產生的X射線計數率)。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。(3)譜線重復性好。由于能譜儀沒有運動部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。54能譜儀的缺點：(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探頭直接對著樣品，所以由背散射電子或X射線所激發(fā)產生的熒光X射線信號也被同時檢測到，從而使得Si(Li)檢測器檢測到的特征譜線在強度提高的同時，背底也相應提高，譜線的重疊現象嚴重。故儀器分辨不同能量特征X射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。(2)工作條件要求嚴格。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)，即使是在不工作時也不能中斷，否則晶體內Li的濃度分布狀態(tài)就會因擴散而變化，導致探頭功能下降甚至完全被破壞。55二、波譜儀

波譜儀全稱為波長分散譜儀(WDS)。在電子探針中，X射線是由樣品表面以下m數量級的作用體積中激發(fā)出來的，如果這個體積中的樣品是由多種元素組成，則可激發(fā)出各個相應元素的特征X射線。被激發(fā)的特征X射線照射到連續(xù)轉動的分光晶體上實現分光(色散)，即不同波長的X射線將在各自滿足布拉格方程的2方向上被(與分光晶體以2:1的角速度同步轉動的)檢測器接收。56波譜儀的特點：波譜儀的突出優(yōu)點是波長分辨率很高。如它可將波長十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線清晰地分開。但由于結構的特點，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半徑就要足夠大，這時彎晶離X射線光源的距離就會變大，它對X射線光源所張的立體角就會很小，因此對X射線光源發(fā)射的X射線光量子的收集率也就會很低，致使X射線信號的利用率極低。此外，由于經過晶體衍射后，強度損失很大，所以，波譜儀難