材料现代研究方法04扫描电镜

1、第五章第五章 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 引言引言 o 扫描电子显微镜简称扫描电镜，英文缩写为扫描电子显微镜简称扫描电镜，英文缩写为SEM (Scanning Electron Microscope)。自从。自从1965 年剑桥科学仪器公司制造了世界上第一台商用扫描电子年剑桥科学仪器公司制造了世界上第一台商用扫描电子 显微镜以来，得到了迅速的发展。与光学显微镜相比，显微镜以来，得到了迅速的发展。与光学显微镜相比， 扫描电镜大大提高了分辨率和景深（大约是光学显微镜扫描电镜大大提高了分辨率和景深（大约是光学显微镜 景深的景深的300倍）。扫描电镜倍）。扫描电镜 。 现在现在SEM都与能谱仪（都与

2、能谱仪（EDS）组合，可以进行成分分）组合，可以进行成分分 析。所以，析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广也是显微结构分析的主要仪器，已广 泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。 5.1 扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理 o 扫描电镜的工作原理如下图，由电子枪发射出来的电子扫描电镜的工作原理如下图，由电子枪发射出来的电子 束（直径为束（直径为50微米），在加速电压的作用下经过磁透微米），在加速电压的作用下经过磁透 镜系统会聚，形成直径为镜系统会聚，形成直径为5nm的电子束，聚焦在样品的电子束，聚焦在样品 表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线

3、圈的作用下，表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下， 电子束在样品上做光栅状扫描。电子和样品相互作用，电子束在样品上做光栅状扫描。电子和样品相互作用， 产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换成光产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换成光 子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显 示系统上。扫描电镜的工作原理与光学显微镜不同：在示系统上。扫描电镜的工作原理与光学显微镜不同：在 光学显微镜下，全部图象一次显示，是光学显微镜下，全部图象一次显示，是“静态的静态的”；而；而 扫描电镜是把来自二次电子的图像信号作为时像信号，扫描

4、电镜是把来自二次电子的图像信号作为时像信号， 将一点一点的画面将一点一点的画面“动态动态”地形成三维的图像。地形成三维的图像。 扫描电镜的扫描电镜的 工作原理图工作原理图 扫描电镜的扫描电镜的 工作原理图工作原理图 东北大学东北大学SSX-550型扫描电子显微镜型扫描电子显微镜 5.2 扫描电镜成像的物理信号扫描电镜成像的物理信号 o 扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体试样而扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体试样而 激发产生的。一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入激发产生的。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子将产生弹性或非弹性射电子与试样的原子

5、核和核外电子将产生弹性或非弹性 散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种 信息，有：信息，有：二次电子、背散射电子、二次电子、背散射电子、阴极发光、阴极发光、特征特征X 射线射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。 样品样品 入射电子入射电子 俄歇俄歇电子电子 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 特征特征X射线射线 透射电子透射电子 o1. 背散射电子背散射电子 背散射电子是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子，背散射电子是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电

6、子， 又叫反射电子或初级背散射电子。它的能量损失较小，能量值接又叫反射电子或初级背散射电子。它的能量损失较小，能量值接 近入射电子的能量。这种电子是入射电子深入到样品内部后被反近入射电子的能量。这种电子是入射电子深入到样品内部后被反 射回来的，所以它在样品中产生区域较大（约为射回来的，所以它在样品中产生区域较大（约为1m）。背散射）。背散射 电子像与样品的原子序数有关，与样品的表面形貌也有一定关系，电子像与样品的原子序数有关，与样品的表面形貌也有一定关系， 所以可以用双探测器获得背散射电子的组成像和形貌像。所以可以用双探测器获得背散射电子的组成像和形貌像。 o2. 二次电子二次电子 二次电子是

7、被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电二次电子是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电 子。二次电子的能量比较低，一般小于子。二次电子的能量比较低，一般小于50eV；背散射电子的能；背散射电子的能 量比较高，其约等于入射电子能量量比较高，其约等于入射电子能量E0。从样品得到的二次电子产。从样品得到的二次电子产 率既与样品成分有关，又与样品的表面形貌有更密切的关系，所率既与样品成分有关，又与样品的表面形貌有更密切的关系，所 以它是研究样品表面形貌最佳的根据，通常所说的扫描电子像就以它是研究样品表面形貌最佳的根据，通常所说的扫描电子像就 是指二次电子像。是指二次电子像。 o 3.

8、特征特征X射线射线 入射电子打在核外电子上，把原子的内层电子（如入射电子打在核外电子上，把原子的内层电子（如 K层）打到原子之外，使原子电离，邻近壳层的电子层）打到原子之外，使原子电离，邻近壳层的电子 （如（如L层）填充电离出的电子穴位，同时释放出层）填充电离出的电子穴位，同时释放出X射线，射线， 该该X射线的能量为两个壳层的能量差。射线的能量为两个壳层的能量差。 E=EK-EL 由于各元素的各个电子能级能量为确定值，所以由于各元素的各个电子能级能量为确定值，所以 此时释放出的此时释放出的X射线叫特征射线叫特征X射线。分析特征射线。分析特征X射线的射线的 波谱和能谱就可以研究样品的元素和组成成

9、分。波谱和能谱就可以研究样品的元素和组成成分。 o4. 俄歇电子俄歇电子 样品原子中的内层（如样品原子中的内层（如K层）电子被入射电子激发时样品发生了弛层）电子被入射电子激发时样品发生了弛 豫过程，多余的能量除发射特征豫过程，多余的能量除发射特征X射线外，还可以使较外层（如射线外，还可以使较外层（如L 层）的两个电子相互作用后，一个跳到内层填充空穴，另一个获层）的两个电子相互作用后，一个跳到内层填充空穴，另一个获 得能量离开原子成为俄歇电子。不同的元素的俄歇电子能量有不得能量离开原子成为俄歇电子。不同的元素的俄歇电子能量有不 同的特定数值，分析俄歇电子能谱就可以确定样品组成元素。同的特定数值，

10、分析俄歇电子能谱就可以确定样品组成元素。 o5. 阴极发光阴极发光 有些固体受电子束照射后，价电子被激发到高能级或能带中，有些固体受电子束照射后，价电子被激发到高能级或能带中， 被激发的材料同时产生弛豫发光，这种光称为阴极荧光，其波长被激发的材料同时产生弛豫发光，这种光称为阴极荧光，其波长 是红外光、可见光或紫外光，也可用来作为信号电子。用它可以是红外光、可见光或紫外光，也可用来作为信号电子。用它可以 研究矿物中的发光微粒、发光半导体材料中的晶格缺陷和荧光物研究矿物中的发光微粒、发光半导体材料中的晶格缺陷和荧光物 质的均匀性等。质的均匀性等。 各种物理信号的作用深度各种物理信号的作用深度 可以

11、产生信号的区域称为有效可以产生信号的区域称为有效 作用区，有效作用区的最深处为电作用区，有效作用区的最深处为电 子有效作用深度。子有效作用深度。 但在有效作用区内的信号并不但在有效作用区内的信号并不 一定都能逸出材料表面、成为有效一定都能逸出材料表面、成为有效 的可供采集的信号。这是因为各种的可供采集的信号。这是因为各种 信号的能量不同，样品对不同信号信号的能量不同，样品对不同信号 的吸收和散射也不同。的吸收和散射也不同。 随着信号的有效作用深度增加，随着信号的有效作用深度增加， 作用区的范围增加，信号产生的空作用区的范围增加，信号产生的空 间范围也增加，这对于信号的空间间范围也增加，这对于信

12、号的空间 分辨率是不利的。分辨率是不利的。 从图中可以看出，俄歇电子的穿透深度最小，从图中可以看出，俄歇电子的穿透深度最小， 一般穿透深度小于一般穿透深度小于1nm，二次电子小于，二次电子小于10nm。 这就是说不同的物理信号来自不同的深度和广度，这就是说不同的物理信号来自不同的深度和广度， 这样，入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，这样，入射束有效束斑直径随物理信号不同而异， 分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物 理信号调制的扫描像有不同的分辨本领。二次电子理信号调制的扫描像有不同的分辨本领。二次电子 扫描像分辨本领最高，约等于入射电子束

13、直径，一扫描像分辨本领最高，约等于入射电子束直径，一 般为般为610nm，背散射电子为，背散射电子为50200nm，吸，吸 收电子和收电子和X射线为射线为1001000nm。 扫描电镜由五个系统组成，各系统的主要作用简介如下。扫描电镜由五个系统组成，各系统的主要作用简介如下。 o 1. 电子光学系统电子光学系统 电子光学系统即镜筒，由电子枪、聚光镜、物镜和样电子光学系统即镜筒，由电子枪、聚光镜、物镜和样 品室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚品室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚 焦成亮度高、直径小的入射束焦成亮度高、直径小的入射束(直径一般为直径一般为10nm或更或更 小

14、小)来轰击样品，使样品产生各种物理信号。来轰击样品，使样品产生各种物理信号。 o 2. 扫描系统扫描系统 扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是 使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电 子束在荧光屏上作同步扫描，同时改变入射束在样品表子束在荧光屏上作同步扫描，同时改变入射束在样品表 面的扫描振幅，可改变扫描像的放大倍数。面的扫描振幅，可改变扫描像的放大倍数。 5.3 扫描电镜的结构扫描电镜的结构 o 3.信号收集及显示系统信号收集及显示系统 检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然

15、后经视检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视 频放大作为显像系统的调制信号。普遍使用的是电子收集器，频放大作为显像系统的调制信号。普遍使用的是电子收集器， 它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。其作用是将电子它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。其作用是将电子 信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转 换成电信号输出，这种信号就用来作为扫描像的调制信号。换成电信号输出，这种信号就用来作为扫描像的调制信号。 另外另外X射线信号用射线信号用X射线谱仪检测。射线谱仪检测。 o 4. 图像显示和记录系统图像显示和记录系统 这系统

16、的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换成阴这系统的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换成阴 极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一 幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化 的扫描像。的扫描像。 o 5. 真空系统和电源系统真空系统和电源系统 真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止 样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持10-4-10- 5Torr的真空度

17、。 的真空度。 电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成， 其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。 5.4 扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能 o 1. 放大倍数放大倍数 扫描电镜的放大倍数可用表达式：扫描电镜的放大倍数可用表达式： M=Ac/As 来计算，其中来计算，其中Ac是荧光屏上图像的边长；是荧光屏上图像的边长；As是电子束在样品上的是电子束在样品上的 扫描振幅。一般地，扫描振幅。一般地， Ac是固定的是固定的(通常为通常为100mm)，这样就，这样就 可简单地通过改变可简单地通过改变As来改

18、变放大倍数，通常大多数商用扫描电来改变放大倍数，通常大多数商用扫描电 镜放大倍数为镜放大倍数为2020000倍。且连续可调。倍。且连续可调。 不过，放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分不过，放大倍率不是越大越好，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 0.1mm，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M 0.1 106nm 5nm=20000（倍）。如果选择高于（倍）。如果选择高于20000 倍的放大倍率，不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意倍的放大倍率，不会增加图像细节，

19、只是虚放，一般无实际意 义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪器放大倍率指标。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。 o 2. 分辨率分辨率 分辨率分辨率是指能分辨两点之间的最小距离。对扫描电是指能分辨两点之间的最小距离。对扫描电 镜来说，入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极镜来说，入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极 限。如束斑为限。如束斑为10nm，那么分辨率最高也是，那么分辨率最高也是10nm， 一般配备的热阴极电子枪的扫描电镜的最小束斑直径可一般配备的热阴极电子枪的扫描电镜的最小束斑直径可 缩小到缩小到6nm，相应的仪器最高分辨本领也就是，相应的仪器最高分辨

20、本领也就是6nm左左 右。右。 如前所述，用不同的物理信号调制的扫描像有不同如前所述，用不同的物理信号调制的扫描像有不同 的分辨本领。二次电子扫描像分辨本领最高，约等于入的分辨本领。二次电子扫描像分辨本领最高，约等于入 射电子束直径，一般为射电子束直径，一般为610nm，背散射电子为，背散射电子为 50200nm，吸收电子和，吸收电子和X射线射线1001000nm。 o 3. 景深景深 扫描电镜以景深大而著名。景深是指一个透镜对高低不平的试扫描电镜以景深大而著名。景深是指一个透镜对高低不平的试 样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。扫描电镜的景深样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。扫描电镜的

21、景深F(单单 位为位为m)为：为： 其中其中d0为分辨本领，为分辨本领，c为电子束入射半角。为电子束入射半角。 o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 :1 m，SEM:10 m, 100倍倍 时，时，OM:10 m，SEM=1000 m。 cc Mtg mm tg d F 1 . 0 0 5.5 扫描电镜的像衬度扫描电镜的像衬度 所谓衬度，即是像面上相邻部份间的黑白对比度或所谓衬度，即是像面上相邻部份间的黑白对比度或 颜色差颜色差 。 扫描电镜衬度的形成主要是基于样品微区诸如表扫描

22、电镜衬度的形成主要是基于样品微区诸如表 面形貌、原子序数、晶体结构等方面存在差异。入射电面形貌、原子序数、晶体结构等方面存在差异。入射电 子与之相互作用，产生各种特征信号，其相度就存在着子与之相互作用，产生各种特征信号，其相度就存在着 差异，最后反映到显像管荧光屏上的图像就有一定的衬差异，最后反映到显像管荧光屏上的图像就有一定的衬 度。度。 o 二次电子像二次电子像 o 背散射电子像背散射电子像 o 1. 二次电子像二次电子像 如前所述，入射电子与样品相互作用后，使样品如前所述，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）电离产生的电子，原子较外层电子（价带或导带电子）电

23、离产生的电子， 称二次电子称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于 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5nm 10nm的深度的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率内才能逸出表面，这是二次电子分辨率 高的重要原因之一。高的重要原因之一。 o 二次电子象是表面形貌衬度，它是利用对样品表面二次电子象是表面形貌衬度，它是利用对样品表面 形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种 象衬度。象衬度。因为二次电子信号主要来处样品表层因为二次电子信号主要来处样品表层5 5 10n

24、m10nm的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的的深度范围，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关系，便对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，所以适用于显分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显 示形貌衬度。示形貌衬度。在扫描电镜中，二次电子检测器一般在扫描电镜中，二次电子检测器一般 是装在入射电子束轴线垂直的方向上。是装在入射电子束轴线垂直的方向上。 o 凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，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，测器很容易全部被

25、收集，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。二次电子的产额：二次电子易受样品电场和磁场影响。二次电子的产额： K/cos K/cos K K为常数，为常数，为入射电子与样品表面法线之间的夹为入射电子与样品表面法线之间的夹 角。角。 o 角越大，二次电子产额越高，反映到显像管荧光角越大，二次电子产额越高，反映到显像管荧光 屏上就越亮，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。屏上就越亮，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。 形貌衬度原理形貌衬度原理 o 2. 背散射电子像背散射电子像 背散射电子是指入射电子与样品相互作用背散射电子是指入射电子与样品相互作用( (弹性弹性 和

26、非弹性散射和非弹性散射) )之后，再次逸出样品表面的高能电子，之后，再次逸出样品表面的高能电子， 其能量接近于入射电子能量其能量接近于入射电子能量( E( E0 0) )。背射电子的产额随。背射电子的产额随 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 度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均 原子序数有关。原子序数有关。 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

27、含量为百分含量(Wt%)。 o 背散射电子像的形成，就是因为样品表面上背散射电子像的形成，就是因为样品表面上 平均原子序数平均原子序数Z Z大大的部位而形成的部位而形成较亮的区域较亮的区域， 产生较强的背散射电子信号；而平均原子序产生较强的背散射电子信号；而平均原子序 数较数较小小的部位则产生较少的背散射电子，在的部位则产生较少的背散射电子，在 荧光屏上或照片上就是荧光屏上或照片上就是较暗的区域较暗的区域，这样就，这样就 形成原子序数衬度。形成原子序数衬度。 MoSi2-Si3N4复合材料背散射扫描电镜图复合材料背散射扫描电镜图 42 两种图像的对比两种图像的对比 锡铅镀层的表面图像（左）二次

28、电子图像（右）背散射电子图像锡铅镀层的表面图像（左）二次电子图像（右）背散射电子图像 50 82 5.6 扫描电镜试样的制备扫描电镜试样的制备 o 扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对导电的金扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对导电的金 属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺 寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行 观察。观察。 o 对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产 生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二

29、次电子生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子 运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要 喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高 的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。左右。 o 对于不容易分散的粉状试样，一般采用超声波振荡分散。对于不容易分散的粉状试样，一般采用超声波振荡分散。 o 对于固体陶瓷试样，一般采用热侵蚀方法，使其晶粒和对于固体陶瓷试样，一般采用热侵蚀方法，使其晶粒和 晶界清晰。晶界清晰。 o 对于金属试样，也可采用化学侵

30、蚀方法，便于观察晶界。对于金属试样，也可采用化学侵蚀方法，便于观察晶界。 5.7 5.7 扫描电镜结果分析示例扫描电镜结果分析示例 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 第六章第六章 电子探针显微分析电子探针显微分析 o 电子探针显微分析（电子探针显微分析（electron probe microanalysis），）， 缩写为缩写为EPMA。 o 电子探针仪是一种微区成分分析仪器，

31、它利用被聚焦成电子探针仪是一种微区成分分析仪器，它利用被聚焦成 小于小于1m的高速电子束轰击样品表面，由的高速电子束轰击样品表面，由X射线波谱射线波谱 仪或能谱仪检测从试样表面有限深度和侧向扩展的微区仪或能谱仪检测从试样表面有限深度和侧向扩展的微区 体积内产生的特征体积内产生的特征X射线的波长和强度，从而得到体积射线的波长和强度，从而得到体积 约为约为 1m3微区的定性和定量的化学成分。微区的定性和定量的化学成分。 6.1 EPMA的工作原理的工作原理 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 o EPMA与与SEM的结构和原理大体相同，的结构和原理大体相同，只是增加了接只

32、是增加了接 收记录收记录X射线的谱仪。射线的谱仪。EPMA使用的使用的X射线谱仪有射线谱仪有波谱波谱 仪和能谱仪仪和能谱仪两类。但近年来人们也在扫描电镜上安装了两类。但近年来人们也在扫描电镜上安装了 波谱仪或能谱仪，使其能进行微区成分检测。因此目前波谱仪或能谱仪，使其能进行微区成分检测。因此目前 商用的扫描电镜一般都属于商用的扫描电镜一般都属于扫描电镜扫描电镜-电子探针组合型电子探针组合型 仪器仪器。 EPMA与与SEM的不同点的不同点 o 入射电子束束流强度不同入射电子束束流强度不同 对于电子探针来说电子束相对样品表面的入射角要固对于电子探针来说电子束相对样品表面的入射角要固 定，入射电子束

33、流强度要高，一般为定，入射电子束流强度要高，一般为10-810-6A； 对于扫描电镜，则完全相反，入射电子束束流强度一般对于扫描电镜，则完全相反，入射电子束束流强度一般 为为10-1210-9A，这样才能使入射电子束斑直径小于，这样才能使入射电子束斑直径小于 100nm以下，以保证形貌图象有较高的分辨本领。组以下，以保证形貌图象有较高的分辨本领。组 合型电子束束流强度通常为合型电子束束流强度通常为10-1310-5A。 6.2 EPMA微区分析的基本原理微区分析的基本原理 o 电子探针除了用电子与试样相互作用产生的电子探针除了用电子与试样相互作用产生的 二次电子、背散射电子进行形貌观察外，主二

34、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，测量入射电子与试样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相互作用产生的特征X 射线波长与强度，从射线波长与强度，从 而对试样中元素进行定性、定量分析。而对试样中元素进行定性、定量分析。 o 1. 微区定性分析基本原理微区定性分析基本原理 定性分析的基础是莫塞莱定性分析的基础是莫塞莱(Moseley)关系式关系式: 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， 为屏蔽系数，为屏蔽系数， K为常数，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: o 由

35、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)与它产与它产 生的特征生的特征X 射线波长射线波长()有单值关系，即每一种元素都有单值关系，即每一种元素都 有一个特定波长的特征有一个特定波长的特征X射线与之相对应，射线与之相对应， 它不随入射它不随入射 电子的能量而变化。如果用电子的能量而变化。如果用X 射线波谱仪射线波谱仪(WDS)测量电测量电 子激发试样所产生的特征子激发试样所产生的特征X 射线波长的种类，即可确定射线波长的种类，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。试样中所存在元素的种类，这就是定性分析的基本原理。 o 如果是采用能谱

36、仪如果是采用能谱仪(EDS)进行定性分析，则其原理为根进行定性分析，则其原理为根 据不同元素之间的特征据不同元素之间的特征X 射线能量不同，即射线能量不同，即: Eh 其中其中h 为普朗克常数，为普朗克常数，为特征为特征X 射线频率，射线频率， 通过通过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，即可进行元素的定射线，即可进行元素的定 性分析。性分析。 o EDS 定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特 征征X 射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断才能获得正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

37、峰相互重叠严重，可以用确的结果，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用 WDS和和EDS联合分析，这样往往可以得到满意的结果。联合分析，这样往往可以得到满意的结果。 o 2. 微区定量分析基本原理微区定量分析基本原理 试样中试样中A元素的相对含量元素的相对含量CA与该元素产生的特征与该元素产生的特征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 如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份 的标样中的标样中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，就强度，经过修正计算，就

38、可以得出试样中可以得出试样中A元素的相对百分含量元素的相对百分含量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，根据不同的修正方为常数，根据不同的修正方 法，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) 分别为试样中和标样分别为试样中和标样 中中A元素的特征元素的特征X 射线强度，同样方法可求出试样中其它元素的射线强度，同样方法可求出试样中其它元素的 百分含量。百分含量。 6.3 电子探针的仪器构造电子探针的仪器构造 o 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. 电子光学系统电子光学系统 2. X射线谱仪系统射线谱仪系统

39、3.试样室试样室 4.扫描显示系统扫描显示系统 5.真空系统等真空系统等。 o 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、消像散器和扫描线圈等。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、足够大的电子束流、尽可能小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，产生一个稳定的的电子束直径，产生一个稳定的X 射线激发源。射线激发源。 （1）电子枪）电子枪 电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用是电子枪是由阴极（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产生具有一定

40、能量的细聚焦电子束(探针探针)。从加热的钨灯丝发射。从加热的钨灯丝发射 电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10m100m交交 叉点（叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，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，随电子枪的加速电压而改变， 加速电压可变范围一般为加速电压可变范围一般为1kV 30kV。 （2）电磁透镜）电磁透镜 电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近

41、电子枪的透镜 称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的 10m100m 的交叉点缩小的交叉点缩小1100 倍后，进入倍后，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试样上方的物镜，物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，使入射到试样的电上。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，会聚透镜和物镜下方都有光阑。子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都有光阑。 2. X射线谱仪射线谱仪 X射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和 分辨本领

42、，它的作用是测量电子与试样相互作用产生的分辨本领，它的作用是测量电子与试样相互作用产生的 X 射线波长和强度。谱仪分为二类射线波长和强度。谱仪分为二类:一类是波长色散谱一类是波长色散谱 仪仪(WDS)，一类是能量色散谱仪，一类是能量色散谱仪(EDS)。 o (1) 波长色散谱仪波长色散谱仪(波谱仪波谱仪) o 众所周知，众所周知，X 射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性，射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性， 因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续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，那么特征的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长的射线就能看成具有固定波长的

43、 电磁波，不同元素就对应不同的特征电磁波，不同元素就对应不同的特征X 射线波长，如射线波长，如 果不同果不同X 射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据 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，只要测出不的合适晶体分光，只要测出不 同特征射线所产生的衍射角同特征射线所产生的衍射角2，就可以求出其波长，就可以求出其波长， 再根据公式就可以知道所分析的元素种类，特征再根据公式就可以知道所分析的元素种类，特征X 射线射线 的强度是从波谱仪的探测器的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管正比计数管)测得。根据以测得。根据以 上原理制成的

44、谱仪称为波长色散谱仪上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。 若将发生某一元素特征若将发生某一元素特征X射线的入射角射线的入射角固定，对固定，对 样品进行微区扫描，即可得到某一元素的样品进行微区扫描，即可得到某一元素的线分布或面分线分布或面分 布布图像。图像。 波谱仪的特点：波谱仪的特点： o 波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。如它可将波长十分接波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。如它可将波长十分接 近的近的VK (0.228434nm)、CrK 1(0.228962nm)和和 CrK 2(0.229351nm)三根谱线清晰地分开。三根谱线清晰地分开。 o 但由于结构的特点，谱仪要想有足够的

45、色散率，聚焦圆的半但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半 径就要足够大，这时弯晶离径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距离就会变大，它射线光源的距离就会变大，它 对对X射线光源所张的立体角就会很小，因此对射线光源所张的立体角就会很小，因此对X射线光源发射线光源发 射的射的X射线光量子的收集率也就会很低，致使射线光量子的收集率也就会很低，致使X射线信号的射线信号的 利用率极低。利用率极低。 o 此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪 难以在低束流和低激发强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。难以在低束流和低激发强度下使用

46、，这是波谱仪的两个缺点。 o (2) 能量色散谱仪能量色散谱仪(能谱仪能谱仪) 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， 光子光子 的能量为的能量为 E，为普朗克常数，为普朗克常数，为光子振动频率。为光子振动频率。 不同元素发出的特征不同元素发出的特征X射线具有不同频率，射线具有不同频率， 即具有不同即具有不同 能量，当不同能量的能量，当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅射线光子进入锂漂移硅Si(Li)探探 测器后，在测器后，在Si(Li)晶体内将产生电子晶体内将产生电子-空穴对，在低温空穴对，在低温 （如液氮冷却探测器）条件下，产生一个电子（如液氮冷却探测

47、器）条件下，产生一个电子-空穴对空穴对 平均消耗能量平均消耗能量为为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)晶体激发的电子晶体激发的电子-空穴对空穴对NE/,入射光子的能量入射光子的能量 不同，所激发出的电子不同，所激发出的电子-空穴对数目也不同，例如，空穴对数目也不同，例如，Mn K能量为能量为5.895keV,形成的电子形成的电子-空穴对为空穴对为1550 个。个。 探测器输出的电压脉冲高度，由电子探测器输出的电压脉冲高度，由电子-空穴对的数空穴对的数 目目N 决定，由于决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，电压脉冲信号非常小，为了降低噪音， 探测

48、器用液氮冷却探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放，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，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（如显像管）上显示出射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出 脉冲数脉冲数-脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，即入射脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，即入射X 射射 线光子数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，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，这样就可以测出与元素种类有关，这样就可以测出X 射线光子的能量和射线光子的能量和 强度，从而得出

49、所分析元素的种类和含量，这种谱仪称强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称 能量色散谱仪能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。，简称能谱仪。 能谱仪的优点能谱仪的优点 o(1) 分析速度快分析速度快 能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的X 射线光子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有射线光子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有 元素，带铍窗口的探测器可探测的元素范围为元素，带铍窗口的探测器可探测的元素范围为11Na92U，20世世 纪纪80年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析B

50、e以上以上 的轻元素，探测元素的范围为的轻元素，探测元素的范围为4Be92U。 o(2) 灵敏度高灵敏度高 X射线收集立体角大。由于能谱仪中射线收集立体角大。由于能谱仪中Si(Li)探头探头 可以放在离发射源很近的地方可以放在离发射源很近的地方(10左右左右)，无需经过晶体衍射，无需经过晶体衍射， 信号强度几乎没有损失，所以灵敏度高信号强度几乎没有损失，所以灵敏度高(可达可达104cps/nA，入射，入射 电子束单位强度所产生的电子束单位强度所产生的X射线计数率射线计数率)。此外，能谱仪可在低。此外，能谱仪可在低 入射电子束流入射电子束流(10-11A)条件下工作，这有利于提高分析的空间分条件

51、下工作，这有利于提高分析的空间分 辨率。辨率。 o(3) 谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没 有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题， 适合于比较粗糙表面的分析工作。适合于比较粗糙表面的分析工作。 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

52、收集效率射线收集效率低低高高 波谱和能谱主要性能的比较波谱和能谱主要性能的比较 3. 试样室试样室 o 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轴轴 方向移动，有的试样台可以倾斜、旋转。现在试样台已方向移动，有的试样台可以倾斜、旋转。现在试样台已 用光编码定位，准确度优于用光编码定位，准确度优于1m，对表面不平的大试，对表面不平的大试 样进行元素面分析时，样进行元素面分析时，Z轴方向可以自动聚焦。轴方向可以自动聚焦。 o 试样室可以安装各种探测器，例如二次电子探测器、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、及光学显

53、微镜等。光背散射电子探测器、波谱、能谱、及光学显微镜等。光 学显微镜用于观察试样学显微镜用于观察试样(包括荧光观察包括荧光观察)，以确定分析，以确定分析 部位，利用电子束照射后能发出荧光的试样（如部位，利用电子束照射后能发出荧光的试样（如 ZrO2），能观察入射到试样上的电子束直径大小。），能观察入射到试样上的电子束直径大小。 4.4.扫描显示系统扫描显示系统 o 扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察图像的荧光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（屏（CRT）进行同步光栅扫描，把电子束与试样相互）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、背散射电子及作用产生的

54、二次电子、背散射电子及X 射线等信号，射线等信号， 经过探测器及信号处理系统后，送到经过探测器及信号处理系统后，送到CRT 显示图像或显示图像或 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，数字图像可以进行图像处理和图像分析。是数字图像，数字图像可以进行图像处理和图像分析。 5. 真空系统真空系统 o 真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高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丝寿命，并减少了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。真空度一般为电子光

55、路的污染。真空度一般为0.01Pa0.001Pa ， 通常用机械泵油扩散泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸通常用机械泵油扩散泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸 汽在电子束的轰击下，会分解成碳的沉积物，影响超轻汽在电子束的轰击下，会分解成碳的沉积物，影响超轻 元素的定量分析结果，特别是对碳的分析影响严重。用元素的定量分析结果，特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子液氮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。泵抽真空，可以减少试样碳污染。 6.4 电子探针试样的制备电子探针试样的制备 o 1. 粉体试样粉体试样 粉体可以直接撒在试样座

56、的双面碳导电胶上，用表粉体可以直接撒在试样座的双面碳导电胶上，用表 面平的物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球吹去粘结面平的物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球吹去粘结 不牢固的颗粒。当颗粒比较大时，例如大于不牢固的颗粒。当颗粒比较大时，例如大于5m，可，可 以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将粗颗粒粉体以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，进行粗磨、细磨及抛光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。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

57、的分件，但实际工作中有时可以采取一些措施得到较好的分 析结果。对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉析结果。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。为了获得料堆积较厚的区域，以免激发出试样座成分。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。对细用压片机压制成块状，此时标样也应用粉体压制。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。 2. 块状试样块状试样 块状试样，特别是测定薄膜厚度、离子迁移深度、背散射电块状试样，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，可以用环氧树脂等镶嵌后，进行研磨和子观