扫描电镜教程

1、第十章第十章 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 返回首页返回首页 扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英 文 缩 写 为文 缩 写 为 S E M ( S c a n n i n g E l e c t ro n Microscope)。SEM与电子探针（与电子探针（EPMA）的的 功能和结构基本相同，但功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱一般不带波谱 仪（仪（WDS）。）。 。现在。现在SEM都与能谱都与能谱 （EDS）组合，可以进行成分分析。所以，组合，可以进行成分分析。所以， SEM也是也是显微结构分析显微结构分析的主要仪器，已广泛的主要仪器，已广泛 用于材

2、料、冶金、矿物、生物学等领域。用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。 引言引言 扫描电镜结构原理扫描电镜结构原理 1. 扫描电镜的工作原理及特点扫描电镜的工作原理及特点 扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。 扫描电镜成像示意图 扫描电镜成像示意图 JSM-6700F场发射扫描电镜场发射扫描电镜 2. 扫描电镜的主要结构扫描电镜的主要结构 主要包括有电子光学系统、扫描系主要包括有电子光学系统、扫描系 统、信号检测放大系统、图象显示和记统、信号检测放大系统、图象显示和记 录系统、电源和真空系统等。录系统、电源和真空系统等。 透射电镜一般是透射电镜一般是电子光学

3、系统（照明电子光学系统（照明 系统）系统）、成像放大系统成像放大系统、电源电源和和真空系统真空系统 三大部分组成。三大部分组成。 比较比较 3.3.电子与固体试样的交互作用电子与固体试样的交互作用 一束细聚焦的电子束轰击试样表面一束细聚焦的电子束轰击试样表面 时，入射电子与试样的原子核和核外电时，入射电子与试样的原子核和核外电 子将产生弹性或非弹性散射作用，并激子将产生弹性或非弹性散射作用，并激 发出反映试样形貌、结构和组成的各种发出反映试样形貌、结构和组成的各种 信息，有：二次电子、背散射电子、信息，有：二次电子、背散射电子、 阴极发光、特征阴极发光、特征X 射线、俄歇过程和俄射线、俄歇过程

4、和俄 歇电子、吸收电子、透射电子等。歇电子、吸收电子、透射电子等。 样品样品 入射电子入射电子 AugerAuger电子电子 阴极发光阴极发光 背散射电子背散射电子 二次电子二次电子 X射线射线 透射电子透射电子 各种信息的作用深度各种信息的作用深度 从图中可以看出，从图中可以看出， 俄歇电子的穿透俄歇电子的穿透 深度最小，一般深度最小，一般 穿透深度小于穿透深度小于 1nm，二次电子二次电子 小于小于10nm。 q二次电子像二次电子像 q背散射电子像背散射电子像 入射电子与样品相互作用后，使样入射电子与样品相互作用后，使样 品原子较外层电子（价带或导带电子）品原子较外层电子（价带或导带电子）

5、 电离产生的电子，称二次电子电离产生的电子，称二次电子。二次电。二次电 子能量比较低，习惯上把子能量比较低，习惯上把能量小于能量小于50eV 电子统称为二次电子，电子统称为二次电子，仅在样品表面仅在样品表面 5nm10nm的深度的深度内才能逸出表面，内才能逸出表面， 这是二次电子分辨率高的重要原因之一。这是二次电子分辨率高的重要原因之一。 背散射电子与二次电子背散射电子与二次电子 的信号强度与的信号强度与Z Z的关系的关系 结论结论 二次电子信号在原序二次电子信号在原序 数数Z20Z20后，其信号强后，其信号强 度随度随Z Z变化很小。变化很小。 用用 背散射电子像可以观背散射电子像可以观 察

6、未腐蚀样品的抛光察未腐蚀样品的抛光 面元素分布或相分布，面元素分布或相分布， 并可确定元素定性、并可确定元素定性、 定量分析点定量分析点。 1二次电子象二次电子象 。因为二次电子信。因为二次电子信 号主要来处样品表层号主要来处样品表层510nm的深度范围，的深度范围， 它的强度与原子序数没有明确的关系，便对它的强度与原子序数没有明确的关系，便对 微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏 感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于 显示形貌衬度。显示形貌衬度。 凸凹不平的样品表面所产生的二次电凸凹不平的样品表面所产生的二次电

7、子，用二次电子探测器很容易全部被收集，子，用二次电子探测器很容易全部被收集， 所以二次电子图像无阴影效应，二次电子所以二次电子图像无阴影效应，二次电子 易受样品电场和磁场影响。二次电子的产易受样品电场和磁场影响。二次电子的产 额额 K/cos K为常数，为常数，为入射电子与样品表面法为入射电子与样品表面法 线之间的夹角，线之间的夹角， 角越大，二次电子产额越高，这表角越大，二次电子产额越高，这表 明二次电子对样品表面状态非常敏感明二次电子对样品表面状态非常敏感。 同学们请看书上同学们请看书上P109页解释的原因页解释的原因 形貌衬度原理形貌衬度原理 背散射电子像背散射电子像 背散射电子背散射电

8、子是指入射电子与样品相是指入射电子与样品相 互作用互作用( (弹性和非弹性散射弹性和非弹性散射) )之后，再次之后，再次 逸出样品表面的高能电子，其能量接近逸出样品表面的高能电子，其能量接近 于入射电子能量于入射电子能量( ( E E。) )。背射电子的产背射电子的产 额随样品的原子序数增大而增加，所以额随样品的原子序数增大而增加，所以 背散射电子信号的强度与背散射电子信号的强度与样品的化学组样品的化学组 成成有关，即与组成样品的各元素有关，即与组成样品的各元素平均原平均原 子序数子序数有关。有关。 i i i zcZ 背散射电子的信号强度背散射电子的信号强度I与原子序数与原子序数Z的关系为的

9、关系为 4 3 3 2 ZI 式中式中Z为原子序数，为原子序数，C为百分含量为百分含量(Wt%)。 背散射电子像背散射电子像 ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背系耐火材料的背 散射电子成分像，散射电子成分像，1000 ZrO2-Al2O3-SiO2系系 耐火材料的背散射耐火材料的背散射 电子像。由于电子像。由于ZrO2 相平均原子序数远相平均原子序数远 高于高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以图中白色相，所以图中白色 相为斜锆石，小的相为斜锆石，小的 白色粒状斜锆石与白色粒状斜锆石与 灰色莫来石混合区灰色莫来石混合区 为莫来石斜锆石为莫来石斜锆石 共析体，基体灰色共析体，基体灰色

10、 相为莫来石。相为莫来石。 玻璃不透明区域的背散射电子像玻璃不透明区域的背散射电子像 抛光面抛光面 断口分析断口分析 粉体形貌观察粉体形貌观察 Al203团聚体团聚体(a)和和 团聚体内部的一次粒子结构形态团聚体内部的一次粒子结构形态(b) (a) 300 (b) 6000 钛酸铋钠粉体的六面体形貌钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000 放大倍率高（放大倍率高（M=Ac/As） 分辨率高（分辨率高（d0=dmin/M总总） 景深大（景深大（F d0/） 保真度好保真度好 样品制备简单样品制备简单 放放大倍率高大倍率高 从几十放大到几十万倍，连续可调。放大从几十放大到几十万倍，连续可调。放大 倍率

11、不是越大越好，要根据有效放大倍率和分倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分 析样品的需要进行选择。如果放大倍率为析样品的需要进行选择。如果放大倍率为M， 人眼分辨率为人眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为仪器分辨率为5nm， 则有效放大率则有效放大率M0.2 106nm 5nm=40000 （倍）。如果选择高于倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率，倍的放大倍率， 不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意 义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪 器放大倍率指标。器放大倍率指标。 分辨率高分辨率高 分辨率指能分辨

12、的两点之间的最小距离。分辨率分辨率指能分辨的两点之间的最小距离。分辨率d可以可以 用贝克公式表示：用贝克公式表示：d=0.61 /nsin ， 为透镜孔径半角，为透镜孔径半角， 为照明样品的光波长，为照明样品的光波长，n为透镜与为透镜与 样品间介质折射率。对光学显微镜样品间介质折射率。对光学显微镜 70 75 ， n=1.4。因为因为 nsin1.4，而可见光波长范围为：而可见光波长范围为： 400nm-700nm ，所以光学显微镜分辨率所以光学显微镜分辨率 d 0.5 ， 显然显然 d 200nm。要提高分辨率可以通过减小照明波要提高分辨率可以通过减小照明波 长来实现。长来实现。SEM是用电

13、子束照射样品，电子束是一种是用电子束照射样品，电子束是一种 D e B r o g l i e 波 ， 具 有 波 粒 二 相 性 ，波 ， 具 有 波 粒 二 相 性 ， 12.26/V 0 . 5 (伏伏) ，如果，如果V20kV时，则时，则 0.0085nm。目前用目前用W灯丝的灯丝的SEM，分辨率已达到分辨率已达到 3nm-6nm, 场发射源场发射源SEM分辨率可达到分辨率可达到1nm 。高分高分 辨率的电子束直径要小，分辨率与子束直径近似相等。辨率的电子束直径要小，分辨率与子束直径近似相等。 景深景深D大大 景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口

14、 样品观察需要大景深的样品观察需要大景深的SEM。SEM的景深的景深f可可 以用如下公式表示：以用如下公式表示： f = a D d M ) 2 . 0 ( 式中式中D为工作距离，为工作距离，a为物镜光阑孔径，为物镜光阑孔径，M 为为 放大倍率，放大倍率，d为电子束直径。可以看出，长为电子束直径。可以看出，长 工作距离、小物镜光阑、低放大倍率能得到大工作距离、小物镜光阑、低放大倍率能得到大 景深图像。景深图像。 一般情况下，一般情况下，SEM景深比景深比TEM大大 10倍，比光学显微镜（倍，比光学显微镜（OM）大大 100倍。如倍。如10000倍时倍时,TEM :D 1 m，SEM:10 m,

15、 100倍时，倍时， OM:10 m，SEM=1000 m。 保真度好保真度好 样品通常不需要作任何处理即样品通常不需要作任何处理即 可以直接进行观察，所以不会由于可以直接进行观察，所以不会由于 制样原因而产生假象。这对断口的制样原因而产生假象。这对断口的 失效分析特别重要。失效分析特别重要。 样品制备简单样品制备简单 样品可以是自然面、断口、块状、样品可以是自然面、断口、块状、 粉体、反光及透光光片，对不导电的样粉体、反光及透光光片，对不导电的样 品只需蒸镀一层品只需蒸镀一层20nm的导电膜。的导电膜。 另外，现在许多另外，现在许多SEM具有图像处理具有图像处理 和图像分析功能。有的和图像分

16、析功能。有的SEM加入附件加入附件 后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等 动态过程的观察。动态过程的观察。 电子探针的应用范围越来越广，特别是材料电子探针的应用范围越来越广，特别是材料 显微结构工艺性能关系的研究，电子探针起显微结构工艺性能关系的研究，电子探针起 了重要作用。电子探针显微分析有以下几个特点：了重要作用。电子探针显微分析有以下几个特点： 1. 显微结构分析显微结构分析 电子探针是利用电子探针是利用0.5m1m的高能电子束激发所的高能电子束激发所 分析的试样，通过电子与试样的相互作用产生的特征分析的试样，通过电子与试样的相互作用产生的特征X 射线、二

17、次电子、吸收电子、射线、二次电子、吸收电子、 背散射电子及阴极荧光等背散射电子及阴极荧光等 信息来分析试样的微区内信息来分析试样的微区内(m范围内范围内)成份、形貌和化学成份、形貌和化学 结合状态等特征。结合状态等特征。电子探针成分分析的空间分辨率（微电子探针成分分析的空间分辨率（微 区成分分析所能分析的最小区域）是几个立方区成分分析所能分析的最小区域）是几个立方m范围，范围， 微区分析是它的一个重要特点之一微区分析是它的一个重要特点之一, 它能将微区化学成份它能将微区化学成份 与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般。而一般 化学分析、化学分析

18、、 X 光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较 大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应, 不不 能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。 返回 电子探针所分析的元素范围一般从硼电子探针所分析的元素范围一般从硼 (B)铀铀()，因为电子探针成份分析是利因为电子探针成份分析是利 用元素的特征用元素的特征X 射线，而氢和氦原子只有射线，而氢和氦原子只有K 层电子，不能产生特征层电子，不能产生特征X 射线，所以无法进射线，所以无法进 行电子探针成分分析。锂行电子探针成分分析。

19、锂(Li)和铍和铍(Be)虽然能虽然能 产生产生X 射线，但产生的特征射线，但产生的特征X 射线波长太长，射线波长太长， 通常无法进行检测，通常无法进行检测，少数电子探针用大面间少数电子探针用大面间 距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元元 素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相 同，分析元素范围从硼同，分析元素范围从硼(B)铀铀() 返回 3. 定量分析准确度高定量分析准确度高 电子探针是目前微区元素定量分析最准电子探针是目前微区元素定量分析最准 确的仪器。电子探针的检测极限确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到能检测

20、到 的元素最低浓度的元素最低浓度)一般为一般为（0.010.05）%， 不同测量条件和不同元素有不同的检测极限，不同测量条件和不同元素有不同的检测极限， 但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感 量极限值约为量极限值约为10-14g，主元素定量分析的相主元素定量分析的相 对误差为对误差为(13)%，对原子序数大于，对原子序数大于11 的元的元 素，含量在素，含量在10% 以上的时，其相对误差通以上的时，其相对误差通 常小于常小于2%。 返回 4. 不损坏试样、分析速度快不损坏试样、分析速度快 现在电子探针均与计算机联机，可以连续自现在电子探针均与计算机联机，

21、可以连续自 动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数 据分析，对含据分析，对含10个元素以下的试样定性、定量分个元素以下的试样定性、定量分 析，新型电子探针在析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果左右可以完成，如果 用用EDS 进行定性、定量分析，几进行定性、定量分析，几分种分种即可完成。即可完成。 对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以 自动聚焦分析。自动聚焦分析。 电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样 分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分分析后，可

22、以完好保存或继续进行其它方面的分 析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证 据等的稀有试样分析尤为重要。据等的稀有试样分析尤为重要。 返回 5. 微区离子迁移研究微区离子迁移研究 多年来，还用电子探针的入射电子多年来，还用电子探针的入射电子 束注入试样来诱发离子迁移，研究了固束注入试样来诱发离子迁移，研究了固 体中微区离子迁移动力学、离子迁移机体中微区离子迁移动力学、离子迁移机 理、离子迁移种类、离子迁移的非均匀理、离子迁移种类、离子迁移的非均匀 性及固体电解质离子迁移损坏过程等，性及固体电解质离子迁移损坏过程等， 已经取得了许多新的结果。已经取得了

23、许多新的结果。 返回 电子探针仪的构造和工作原理电子探针仪的构造和工作原理 电子探针仪的构造和扫描电镜相似电子探针仪的构造和扫描电镜相似 电子探针分析的基本原理电子探针分析的基本原理 1. 定性分析的基本原理定性分析的基本原理 电子探针除了用电子与试样相互作电子探针除了用电子与试样相互作 用产生的二次电子、背散射电子进行形用产生的二次电子、背散射电子进行形 貌观察外，主要是利用波谱或能谱，测貌观察外，主要是利用波谱或能谱，测 量入射电子与试样相互作用产生的特征量入射电子与试样相互作用产生的特征 X 射线波长与强度，从而对试样中元素射线波长与强度，从而对试样中元素 进行定性、定量分析。进行定性、

24、定量分析。 式中式中为元素的特征为元素的特征X 射线频率，射线频率，Z为原子序数，为原子序数， K与与均为常数，均为常数，C为光速。当为光速。当1时，时， 与与Z的关系式可写成的关系式可写成: 定性分析的基础是定性分析的基础是Moseley关系式关系式: 由式可知，组成试样的元素由式可知，组成试样的元素(对应的原子序数对应的原子序数Z) 与它产生的特征与它产生的特征X 射线波长射线波长()有单值关系，即每有单值关系，即每 一种元素都有一个特定波长的特征一种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对射线与之相对 应，应， 它不随入射电子的能量而变化。如果用它不随入射电子的能量而变化。如果用X 射射

25、 线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X 射线波射线波 长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类，这长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类，这 就是定性分析的基本原理。就是定性分析的基本原理。 能谱定性分析主要是根据不同元素之能谱定性分析主要是根据不同元素之 间的特征间的特征X 射线能量不同，即射线能量不同，即Eh，h 为普朗克常数，为普朗克常数，为特征为特征X 射频率，射频率， 通通 过过EDS 检测试样中不同能量的特征检测试样中不同能量的特征X 射线，射线， 即可进行元素的定性分析，即可进行元素的定性分析，EDS 定性速度定性速度 快，但由于它分辨率低

26、，不同元素的特征快，但由于它分辨率低，不同元素的特征 X 射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断 才能获得正确的结果，分析过程中如果谱才能获得正确的结果，分析过程中如果谱 峰相互重叠严重，可以用峰相互重叠严重，可以用WDS和和EDS联合联合 分析，这样往往可以得到满意的结果。分析，这样往往可以得到满意的结果。 返回返回 2 试样中试样中A元素的相对含量元素的相对含量CA与该元素产生的特与该元素产生的特 征征X射线的强度射线的强度IA (X射线计数射线计数)成正比成正比:CAIA，如如 果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和果在相同的电子探针分析条件下，同时测

27、量试样和 已知成份的标样中已知成份的标样中A 元素的同名元素的同名X 射线射线(如如K线线) 强度，经过修正计算，就可以得出试样中强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的元素的 相对百分含量相对百分含量CA: 式中式中CA为某为某A元素的百分含量，元素的百分含量， K 为常数，根据不同的修正方法为常数，根据不同的修正方法K 可用不同的表达式表示，可用不同的表达式表示，IA 和和 I(A) 分别为试样分别为试样 中和标样中中和标样中A元素的特征元素的特征X 射线强度，同样方法可射线强度，同样方法可 求出试样中其它元素的百分含量。求出试样中其它元素的百分含量。 返回返回 电子探针的仪器构造电子

28、探针的仪器构造 电子探针的主要组成部份为电子探针的主要组成部份为:1. 电子电子 光学系统、光学系统、2. X射线谱仪系统、射线谱仪系统、3.试样室、试样室、 4.电子计算机、电子计算机、5.扫描显示系统、扫描显示系统、6.真空真空 系统等系统等。 1. 电子光学系统电子光学系统 电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫 描线圈等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电描线圈等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电 子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的X 射线射线 激发源。激发源。 （

29、a）电子枪电子枪 电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主 要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针探针)。从加。从加 热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一 个个10m100m交叉点（交叉点（Crossover)，再经过二级会聚再经过二级会聚 透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于1m 的电子探针。电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改的电子探针。电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改 变

30、，变， 加速电压可变范围一般为加速电压可变范围一般为1kV30kV。 电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠 近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透 镜一般分两级，是把电子枪形成的镜一般分两级，是把电子枪形成的 10m100m 的交叉点缩小的交叉点缩小1 100 倍后，进入试样上方的物镜，物倍后，进入试样上方的物镜，物 镜可将电子束再缩小并聚焦到试样上。镜可将电子束再缩小并聚焦到试样上。 为了挡掉大散射角的杂散电子，使入为了挡掉大散射角的杂散电子，使入 射到试样的电子束直径尽可能小，会射到试样的电子束直径尽可能小，会 聚透镜和物镜下方都有光阑。聚透镜

31、和物镜下方都有光阑。 （a）波长色散谱仪波长色散谱仪 X射线谱仪的性能，直接影响到元素分射线谱仪的性能，直接影响到元素分 析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电 子与试样相互作用产生的子与试样相互作用产生的X 射线波长和强度。射线波长和强度。 谱仪分为二类谱仪分为二类:一类是波长色散谱仪一类是波长色散谱仪(WDS)， 一类是能量色散谱仪一类是能量色散谱仪(EDS)。 众所周知，众所周知，X 射线是一种电磁辐射，具有波射线是一种电磁辐射，具有波 粒二象性，粒二象性， 因此可以用二种方式对它进行描因此可以用二种方式对它进行描 述。如果把它视为连续的电磁波，那么

32、特征述。如果把它视为连续的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同 元素就对应不同的特征元素就对应不同的特征X 射线波长，如果不射线波长，如果不 同同X 射线入射到晶体上，就会产生衍射，根射线入射到晶体上，就会产生衍射，根 据据Bragg公式：公式： 可以选用已知面间距可以选用已知面间距d的合适晶体分光，只要的合适晶体分光，只要 测出不同特征射线所产生的衍射角测出不同特征射线所产生的衍射角2，就可以求就可以求 出其波长出其波长，再根据公式就可以知道所分析的元再根据公式就可以知道所分析的元 素种类，特征素种类，特征X 射线的强度是从波谱仪的

33、探测器射线的强度是从波谱仪的探测器 (正比计数管正比计数管)测得。根据以上原理制成的谱仪称测得。根据以上原理制成的谱仪称 为波长色散谱仪为波长色散谱仪(WDS)。 不同波长的不同波长的X 射线要用不同面间距的晶体进行分射线要用不同面间距的晶体进行分 光，光， 日本电子公司的电子探针通常使用的四种日本电子公司的电子探针通常使用的四种 晶体面间距及波长检测范围见表晶体面间距及波长检测范围见表 分光晶体及波长范围分光晶体及波长范围 表中表中STEPb(C18H35O2)2为硬脂酸铅，为硬脂酸铅， TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊，为邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异为异 戊四醇，

34、戊四醇，LiF为氟化锂晶体。为氟化锂晶体。 （b）能量色散谱仪能量色散谱仪 如果把如果把X射线看成由一些不连续的光子组成，射线看成由一些不连续的光子组成， 光子的能量为光子的能量为 E，为普朗克常数，为普朗克常数，为光为光 子振动频率。不同元素发出的特征子振动频率。不同元素发出的特征X射线具有不同射线具有不同 频率，频率， 即具有不同能量，当不同能量的即具有不同能量，当不同能量的X射线光子射线光子 进入锂漂移硅进入锂漂移硅Si(Li)探测器后，在探测器后，在Si(Li)晶体内将产晶体内将产 生电子空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条生电子空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条 件下，产生一个电子

35、空穴对平均消耗能量件下，产生一个电子空穴对平均消耗能量为为 3.8eV。能量为能量为E 的的X 射线光子进入射线光子进入Si(Li)晶体激发晶体激发 的电子空穴对的电子空穴对NE/,入射光子的能量不同，所入射光子的能量不同，所 激发出的电子空穴对数目也不同，例如，激发出的电子空穴对数目也不同，例如，Mn K 能量为能量为5.895keV,形成的电子空穴对为形成的电子空穴对为1550 个。个。 探测器输出的电压脉冲高度，由电子空穴对探测器输出的电压脉冲高度，由电子空穴对 的数目的数目N 决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降 低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置

36、放大器对低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对 信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器， 把不同能量的把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备射线光子分开来，并在输出设备 （如显像管）上显示出脉冲数（如显像管）上显示出脉冲数脉冲高度曲线，纵脉冲高度曲线，纵 坐标是脉冲数，即入射坐标是脉冲数，即入射X 射线光子数，与所分析元射线光子数，与所分析元 素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关， 这样就可以测出这样就可以测出X 射线光子的能量和强度，从而得射线光子的能量和强度，从而得 出所分析

37、元素的种类和含量，这种谱仪称能量色散出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称能量色散 谱仪谱仪(EDS)，简称能谱仪。简称能谱仪。 能谱仪能谱仪70 年代问世以来，发展速度很快，年代问世以来，发展速度很快， 现在分辨率已达到现在分辨率已达到130eV左右左右 ，以前，以前Be窗口能窗口能 谱仪分析元素范围从谱仪分析元素范围从11Na92U，现在用新型现在用新型 有机膜超薄窗口，分析元素可从有机膜超薄窗口，分析元素可从4Be92U。 元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等 原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱。原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱。 近年

38、来能谱仪的图象处理和图象分析功能发展近年来能谱仪的图象处理和图象分析功能发展 很快。探测器的性能也有提高，能谱使用时加很快。探测器的性能也有提高，能谱使用时加 液氮，不使用时不加液氮。有的能谱探测器用液氮，不使用时不加液氮。有的能谱探测器用 电制冷方法冷却，使探头维护更方便。电制冷方法冷却，使探头维护更方便。 能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同 时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所 以分析速度远比波谱快。能谱探头紧靠试样，使以分析速度远比波谱快。能谱探头紧靠试样，使X 射线收集效率提高，这有利于试

39、样表面光洁度不好射线收集效率提高，这有利于试样表面光洁度不好 及粉体试样的元素定性、定量分析。另外，能谱分及粉体试样的元素定性、定量分析。另外，能谱分 析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的试析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的试 样，例如生物试样、快离子导体试样等损伤小。但样，例如生物试样、快离子导体试样等损伤小。但 能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量 分析结果一般不如波谱等。分析结果一般不如波谱等。 表为能谱和波谱主要性能的比较。表为能谱和波谱主要性能的比较。 现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能现在大部分扫描电镜、电

40、子探针及透射电镜都配能 谱仪，使成分分析更方便。谱仪，使成分分析更方便。 比较内容比较内容WDSEDS 元素分析范围元素分析范围4Be92U4Be92U 定量分析速度定量分析速度慢慢快快 分辨率分辨率高（高（5eV）低（低（130 eV） 检测极限检测极限10-2 (%)10-1 (%) 定量分析准确度定量分析准确度高高低低 X射线收集效率射线收集效率低低高高 峰背比（峰背比（WDS/EDS）101 能谱和波谱主要性能的比较能谱和波谱主要性能的比较 用于安装、交换和移动试样。试样可以沿用于安装、交换和移动试样。试样可以沿X、 Y、Z轴方向移动，有的试样台可以倾斜、旋转。轴方向移动，有的试样台可

41、以倾斜、旋转。 现在试样台已用光编码定位，准确度优于现在试样台已用光编码定位，准确度优于1m， 对表面不平的大试样进行元素面分析时，对表面不平的大试样进行元素面分析时，Z轴轴 方向可以自动聚焦。方向可以自动聚焦。 试样室可以安装各种探测器，例如二次电子试样室可以安装各种探测器，例如二次电子 探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及 光学显微镜等。光学显微镜用于观察试样光学显微镜等。光学显微镜用于观察试样(包括包括 荧光观察荧光观察)，以确定分析部位，利用电子束照射，以确定分析部位，利用电子束照射 后能发出荧光的试样（如后能发出荧光的试样（如Zr02），）

42、，能观察入射能观察入射 到试样上的电子束直径大小。到试样上的电子束直径大小。 扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察 图像的荧光屏（图像的荧光屏（CRT）进行同步光栅扫描，把进行同步光栅扫描，把 电子束与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子束与试样相互作用产生的二次电子、背散射 电子及电子及X 射线等信号，经过探测器及信号处理系射线等信号，经过探测器及信号处理系 统后，送到统后，送到CRT 显示图像或照相纪录图像。以显示图像或照相纪录图像。以 前采集图像一般为模拟图像，现在都是数字图像，前采集图像一般为模拟图像，现在都是数字图像， 数字图像可以进行图像处

43、理和图像分析数字图像可以进行图像处理和图像分析。 真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真 空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯 丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般 为为0.01Pa0.001Pa，通常用机械泵油扩散泵通常用机械泵油扩散泵 抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击 下，会分解成碳的沉积物，影响超轻元素的定量下，会分解成碳的沉积物，影响超轻元素的定量 分析结果，特别是对碳的分析影响严重。用液氮分析结果，特

44、别是对碳的分析影响严重。用液氮 冷阱冷却试样附近的冷指，或采用无油的涡轮分冷阱冷却试样附近的冷指，或采用无油的涡轮分 子泵抽真空，可以减少试样碳污染。子泵抽真空，可以减少试样碳污染。 电子探针的试样要求电子探针的试样要求 （a）试样尺寸试样尺寸 所分析的试样应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据所分析的试样应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据 不同仪器的试样架大小而定。定量分析的试样要均质，厚不同仪器的试样架大小而定。定量分析的试样要均质，厚 度通常应大于度通常应大于5m。例如对例如对JCXA-733 电子探针仪，最大电子探针仪，最大 试样尺寸为试样尺寸为32mm25mm。EPMA-8705 电子探

45、仪所允电子探仪所允 许的最大试样尺寸为许的最大试样尺寸为102mm20mm。由于电子探针是微由于电子探针是微 区分析，定点分析区域是几个立方微米，电子束扫描分析区分析，定点分析区域是几个立方微米，电子束扫描分析 和图像观察区域与放大倍数有关，但最大也不会超过和图像观察区域与放大倍数有关，但最大也不会超过5mm。 所以均匀试样没有必要做得很大，有代表性即可。所以均匀试样没有必要做得很大，有代表性即可。 如果试样均匀，在可能的条件下，试样应尽量小，特如果试样均匀，在可能的条件下，试样应尽量小，特 别对分析不导电试样时，小试样能改善导电性和导热性能。别对分析不导电试样时，小试样能改善导电性和导热性能

46、。 （b）具有较好的电导和热导性能具有较好的电导和热导性能 金属材料一般都有较好的导电和导热金属材料一般都有较好的导电和导热 性能，而硅酸盐材料和其它非金属材料一般性能，而硅酸盐材料和其它非金属材料一般 电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击 下将产生电荷积累，造成电子束不稳定，图下将产生电荷积累，造成电子束不稳定，图 像模糊，并经常放电使分析和图像观察无法像模糊，并经常放电使分析和图像观察无法 进行。试样导热性差还会造成电子束轰击点进行。试样导热性差还会造成电子束轰击点 的温度显著升高，往往使试样中某些低熔点的温度显著升高，往往使试样中某些低熔点 组份挥

47、发而影响定量分析准确度度组份挥发而影响定量分析准确度度。 电子束轰击试样时，只有电子束轰击试样时，只有0.5%左右的能量转变成左右的能量转变成X 射线，射线， 其余能量大部份转换成热能，热能使试样轰击其余能量大部份转换成热能，热能使试样轰击 点温度升高，点温度升高，Castaing用如下公式表示温升用如下公式表示温升T(K): 式中式中V。(kV)为加速电压，为加速电压，i(A)为探针电流，为探针电流， d(m)为电子束直径，为电子束直径，k 为材料热导率为材料热导率(Wcm-1k-1)。例例 如，对于典型金属如，对于典型金属(k=1 时时)，当，当V。20kV，d1m， i1A 时，时，T9

48、6K。 对于热导差的典型晶体，对于热导差的典型晶体， k=0.1，典型的有机化合物典型的有机化合物k=0.002。对于热导差的材料，对于热导差的材料， 如如K=0.01, V0=30kV， i=0.1A， d=1m时时, 由公式得由公式得 T=1440K。如果试样表面镀上如果试样表面镀上10nm的铝膜，则的铝膜，则T减减 少到少到760K。因此因此, 对于硅酸盐等非金属材料必须在表面对于硅酸盐等非金属材料必须在表面 均匀喷镀一层均匀喷镀一层20nm左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加试左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加试 样表面的导电和导热性能。样表面的导电和导热性能。 试样表面必须抛光，在试样表面必须

49、抛光，在100 倍反光显微倍反光显微 镜下观察时，能比较容易地找到镜下观察时，能比较容易地找到 50m50m无凹坑或擦痕的分析区域。因无凹坑或擦痕的分析区域。因 为为X 射线是以一定的角度从试样表面射出，射线是以一定的角度从试样表面射出， 如果试样表面凸凹不平，就可能使出射如果试样表面凸凹不平，就可能使出射X 射射 线受到不规则的吸收，降低线受到不规则的吸收，降低X 射线测量强度，射线测量强度， 图图8.15表明试样表面台阶引起的附加吸收。表明试样表面台阶引起的附加吸收。 试样表面台阶引起的附加吸收试样表面台阶引起的附加吸收 （a）粉体试样粉体试样 粉体可以直接撒在试样座的双面碳导粉体可以直接

50、撒在试样座的双面碳导 电胶上，用表面平的物体，例如玻璃板压电胶上，用表面平的物体，例如玻璃板压 紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。 当颗粒比较大时，例如大于当颗粒比较大时，例如大于5m，可以可以 寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将 粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后， 进行粗磨、细磨及抛光方法制备。进行粗磨、细磨及抛光方法制备。 对于小于对于小于5m小颗粒，严格讲不符合定量分析条小颗粒，严格讲不符合定量分析条 件，但实际工作中有时可以采取一些措施得到较好的分件，但实际工作中有

51、时可以采取一些措施得到较好的分 析结果。析结果。对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉 料堆积较厚的区域，以免激发出试样座成分料堆积较厚的区域，以免激发出试样座成分。为了获得。为了获得 较大区域的平均结果，往往用扫描的方法对一个较大区较大区域的平均结果，往往用扫描的方法对一个较大区 域进行分析。要得到较好的定量分析结果，最好将粉体域进行分析。要得到较好的定量分析结果，最好将粉体 用压片机压制成块状，此时标样也应用粉体压制。用压片机压制成块状，此时标样也应用粉体压制。对细对细 颗粒的粉体分析时，特别是对团聚体粉体形貌观察时，颗粒的粉体分析时，特别是对团聚

52、体粉体形貌观察时， 需将粉体用酒精或水在超声波机内分散，再用滴管把均需将粉体用酒精或水在超声波机内分散，再用滴管把均 匀混合的粉体滴在试样座上，待液体烘干或自然干燥后，匀混合的粉体滴在试样座上，待液体烘干或自然干燥后， 粉体靠表面吸附力即可粘附在试样座上。粉体靠表面吸附力即可粘附在试样座上。 （b）块状试样块状试样 块状试样，特别是测定薄膜厚度、离子迁移深块状试样，特别是测定薄膜厚度、离子迁移深 度、背散射电子观察相分布等试样，度、背散射电子观察相分布等试样，可以用环氧树可以用环氧树 脂等镶嵌后，进行研磨和抛光脂等镶嵌后，进行研磨和抛光。较大的块状试样也。较大的块状试样也 可以直接研磨和抛光，但容易产生倒角，会影响薄可以直接研磨和抛光，但容易产生倒角，会影响薄 膜厚度及离子迁移深度的测定，对尺寸小的试样只膜厚度及离子迁移深度的测定，对尺寸小的试样只 能镶嵌后加工。对多孔或较疏松的试样，例如有些能镶嵌后加工。对多孔或较疏松的试样，例如有些 烧结材料、腐蚀产物等，需采用真空镶嵌方法。将烧结材料、腐蚀产物等，需采用真空镶嵌方法。将 试样用环氧树脂胶浸泡，在试样用环氧树脂胶浸泡，在500C600C 时放入低时