扫描电子显微分析与电子探针

1、扫描电子显微分析与电子探针扫描电子显微分析与电子探针 第一节第一节 扫描电子显微镜工作原理及构造扫描电子显微镜工作原理及构造 p一、工作原理 图10-1 扫描电子显微镜原理示意图 二、构造与主要性能二、构造与主要性能 p扫描电子显微镜由电子光学系统(镜筒)、偏转系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、电源系统和真空系统等部分组成 1电子光学系统电子光学系统 p由电子抢、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。p作用：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。 图10-2 电子光学系统示意图 表10-1 几种类型电子枪性能比较2偏转系统偏转系统 p作用：使电子束产生横向偏转，包括用于形

2、成光栅状扫描的扫描系统，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的偏转系统。p偏转系统可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。 3信号检测放大系统信号检测放大系统 p作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大。p不同的物理信号，要用不同类型的收集系统。p闪烁计数器是最常用的一种信号检测器，它由闪烁体、光导管、光电倍增管组成。具有低噪声、宽频带(10Hz1MHz)、高增益(106)等特点，可用来检测二次电子、背散射电子等信号。 4图像显示和记录系统图像显示和记录系统 p作用：将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线管荧光屏上的图像，供观察或记录。 5电源系统电

3、源系统 p作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。p由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成 6真空系统真空系统 p作用：确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作寿命等。 SEM的主要性能的主要性能p（1）放大倍数 p可从20倍到20万倍连续调节。 p（2）分辨率 p影响SEM图像分辨率的主要因素有：p 扫描电子束斑直径 ；p 入射电子束在样品中的扩展效应；p 操作方式及其所用的调制信号； p 信号噪音比；p 杂散磁场；p 机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。 p（3）景深pSEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有立体感。 表10-2 扫描电子显微镜景深第二节第二

4、节 像衬原理与应用像衬原理与应用 p一、像衬原理 p像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。 pSEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。 1二次电子像衬度及特点二次电子像衬度及特点 p二次电子信号主要来自样品表层510nm深度范围，能量较低(小于50eV)。p影响二次电子产额的因素主要有： p(1)二次电子能谱特性；p(2)入射电子的能量；p(3)材料的原子序数；p(4)样品倾斜角。 二次电子像的衬度可以分为以下几类：二次电子像的衬度可以分为以下几类： p(1)形貌衬度 p(2)成分衬度 p(3)电压衬度

5、 p(4)磁衬度(第一类) 右图为形貌衬度原理 二次电子像衬度的特点：二次电子像衬度的特点： p（1）分辨率高p（2）景深大，立体感强p（3）主要反应形貌衬度。 p什么是最小衬度？ZnO水泥浆体断口水泥浆体断口断口分析断口分析 因为靠近二次电子检测器的断裂面亮度大，背面则暗，故断口呈冰糖块状或里石块状。含Cr、Mo的合金钢产生回火脆时发生沿晶断裂，一般认为其原因是S、P等有害杂质元素在晶界上偏聚使晶界强度降低，从而导致沿晶断裂。沿晶断裂属于脆性断裂，断口上无塑性变形迹象。 沿晶断口沿晶断口(1)韧窝断口韧窝断口 (2) 因为韧窝的边缘类似尖棱，故亮度较大，韧窝底部比较平坦，图像亮度较低。有些韧

6、窝的中心部位有第二相小颗粒，由于小颗粒的尺寸很小，入射电子束能在其表面激发出较多的二次电子，所以这种颗粒往往是比较亮的。韧窝断口是一种韧性断裂断口，无论是从试样的宏观变形行为上，还是从断口的微观区域上都能看出明显的塑性变形。因此，在二次电子像中，这些撕裂棱显亮衬度。韧窝断口是穿晶韧性断裂。 解理断口解理断口 (3) 解理断裂是脆性断裂，是沿着某特定的晶体学晶面产生的穿晶断裂。对于体心立方的-Fe来说，其解理面为(001)。从图中可以清楚地看到，由于相邻晶粒的位向不一样(二晶粒的解理面不在同一个平面上，且不平行)，因此解理裂纹从一个晶粒扩展到相邻晶粒内部时在晶界处(过界时)开始形成河流花样(解理

7、台阶)。 纤维增强复合材料断口纤维增强复合材料断口(4) 断口上有很多纤维拔出。由于纤维的强度高于基体，因此承载时基体先开裂，但纤维没有断裂，仍能承受载荷，随着载荷进一步增大，基体和纤维界面脱粘，直至载荷达到纤维断裂强度时，纤维断裂。由于纤维断裂的位置不都在基体主裂纹平面上，一些纤维与基体脱粘后断裂位置在基体中，所以断口上有大量露头的拔出纤维，同时还可看到纤维拔出后留下的孔洞。 样品表面形貌观察 烧结体烧结观察 图(a)成分为ZrO2-2mol%Y2O3，烧结温度1500，为晶粒细小的正方相。图(b)为500烧结ZrO26mol%Y2O3陶瓷的自然表面形态，为晶粒尺寸较大的单相立方相.图(c)

8、为正方相与立方相双相混合组织，细小的晶粒为正方相，其中的大晶粒为方方相。 金相表面观察 为经抛光腐蚀之后金相样品的二次电子像可以看出其分辨率及立体感均远好于光学金相照片。光学金相上显示不清的细节在这里可以清晰地显示出来，如珠光体中的Fe3C与铁素体的层片形态及回火组织中析出的细小碳化物等。 材料变形与断裂动态过程的原位观察 p双相钢 可以看出，铁素体首先产生塑性变形并且裂纹先萌生于铁素体(F)中，扩展过程中遇到马氏体(M)受阻。加大载荷，马氏体前方的铁素体中产生裂纹，而马氏体仍没有断裂，继续加大载荷，马氏体才断裂将裂纹连接起来向前扩展。 复合材料 可清楚地看到，裂纹遇到Al3Ti颗粒时受阻而转

9、向，沿着颗粒与基体的界面扩展，有时颗粒也产生断裂使裂纹穿过 粒子扩展。 2背散射电子像衬度及特点背散射电子像衬度及特点 p影响背散射电子产额的因素有： p(1)原子序数Z p(2)入射电子能量E0 p(3)样品倾斜角 图10-6 背散射系数与原子序数的关系 背散射电子衬度有以下几类：背散射电子衬度有以下几类： p(1)成分衬度 p(2)形貌衬度 p(3)磁衬度(第二类) 背散射电子像的衬度特点：背散射电子像的衬度特点： p（1）分辩率低p（2）背散射电子检测效率低，衬度小p（3）主要反应原子序数衬度 二次电子运动轨迹 背散射电子运动轨迹图10-7 二次电子和背散射电子的运动轨迹 二、应用二、应

10、用 p1断口形貌观察 p2显微组织观察 p3其它应用（背散射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取向测定）用二次电子信号作形貌分析时，可以在检测器收集栅上加以一定大小的正电压(一般为250500V)，来吸引能量较低的二次电子，使它们以弧形路线进入闪烁体，这样在样品表面某些背向检测器或凹坑等部位上逸出的二次电子也能对成像有所贡献，图像层次(景深)增加，细节清楚。 第三节第三节 电子探针电子探针X射线显微分析（射线显微分析（EPMA） pEPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。pEPMA使用的X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。 p电子探针的功能主要是进行微区成分分析。它是在

11、电子光学和x射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率分析仪器。p其原理是用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征x射线，分析特征x射线的波长(或特征能量)即可知道样品中所含元素的种类(定性分析)，分析x射线的强度，则可知道样品中对应元素含量的多少(定量分析)。p电子探针仪镜筒部分的构造大体上和扫描电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是x射线谱仪，专门用来检测x射线的特征波长或特征能量，以此来对微区的化学成分进行分析。p电子探针仪是作为附件安装在扫描电镜或透射电镜镜简上，以满足微区组织形貌、晶体结构及化学成分三位一体同位分析的需要。 图10-17 电子探针结构示意图 一、能谱仪一、能

12、谱仪 p能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS)p目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器，即锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型二极管。图10-18 Si(Li)检测器探头结构示意图 （一）、工作原理p各种元素具有自己的x射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量E。能谱仪就是利用不同元素x射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。 px射线光子由锂漂移硅Si(Li)检测器收集，当光子进入检测器后，在Si(Li)晶体内激发出一定数目的电子空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量是一定的，因此由一个x射线光子造成的电子

13、空穴对的数目为N，NE/。入射x射线光子的能量越高，N就越大。 p利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对经前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小，电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行计数，这样就可以描出一张特征x射线技能量大小分布的图谱。 p（二）、构造（二）、构造p以Si(Li)检测器为探头的能谱仪实际上是一整套复杂的电子学装置。图10-19 Si(Li)X射线能谱仪 （三）、（三）、Si(Li)能谱仪的优点：能谱仪的优点： p(1)分析速度快 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

14、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11Na92U，20世纪80年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析Be以上的轻元素，探测元素的范围为4Be92U。 p(2)灵敏度高 X射线收集立体角大。由于能谱仪中Si(Li)探头可以放在离发射源很近的地方(10左右)，无需经过晶体衍射，信号强度几乎没有损失，所以灵敏度高(可达104cps/nA，入射电子束单位强度所产生的X射线计数率)。此外，能谱仪可在低入射电子束流(10-11A)条件下工作，这有利于提高分析的空间分辨率。 p(3)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

15、失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析工作。 能谱仪的缺点：能谱仪的缺点： p(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能谱仪的探头直接对着样品，所以由背散射电子或X射线所激发产生的荧光X射线信号也被同时检测到，从而使得Si(Li)检测器检测到的特征谱线在强度提高的同时，背底也相应提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特征X射线的能力变差。能谱仪的能量分辨率(130eV)比波谱仪的能量分辨率(5eV)低。p(2)工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在液氦冷却的低温状态，即使是在不工作时也不能中断，否则晶体内Li的浓度分布状态就会因扩散而变化，导致探头功能下降甚至完全被破坏。 p（3）测试范

16、围。测试范围。能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素X射线的测量，因此它只能分析原子序数大于11的元素，而波谱仪可测定原子序数从4到92之间的所有元素。 二、波谱仪二、波谱仪 p波谱仪全称为波长分散谱仪(WDS)。p（一）、工作原理p在电子探针中，X射线是由样品表面以下m数量级的作用体积中激发出来的，如果这个体积中的样品是由多种元素组成，则可激发出各个相应元素的特征X射线。p被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散)，即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收。 （二）、构造分光晶体直线运动时，检测器能在

17、几个位置上接收到衍射束，表明试样被激发的体积内存在着相应的几种元素。衍射束的强度大小和元素含量成正比。聚焦圆的圆心O不能移动，分光晶体和检测器在聚焦圆的圆周上以1：2的角速度运动，以保证满足布拉格方程。这种波谱仪结构比直进式波谱仪结构来得简单，出射方向改变很大，在表面不平度较大的情况下，由于x线在样品内行进路线不同，往往会因吸收条件变化而造成分析上的误差。 （三）、波谱仪的特点：p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VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开。p但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，

18、聚焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距离就会变大，它对X射线光源所张的立体角就会很小，因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也就会很低，致使X射线信号的利用率极低。p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。 (a)能谱曲线；(b)波谱曲线能谱议和波谱仪的谱线比较能谱议和波谱仪的谱线比较电子探针分析的基本工作方式电子探针分析的基本工作方式 p一是定点分析，即对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进行定性或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量分析；p二是线扫描分析，即电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析；p三是面扫描分析，即电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量分数分布的扫描图像。 p下图给出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体定点成分分析结果，可见析出相（t相）Y2O3含量低，而基体(c相)Y2O3含量高，这和相图是相符合的。 ZrO2(Y2O3)