扫描电子显微镜6

1、电子扫描显微镜谭明洋扫描电镜(Scanning Electron Microscope，简写为SEM)一种新型的电子光学仪器，是一个复杂的系统，浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术，是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。由于制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大以及SEM与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析等特点，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。KYKY-1000B扫描电镜外貌图引言一、扫描电镜的发展1923年，法国科学家Louis de Broglie发现，微观粒子本身除具有粒子

2、特性以外还具有波动性。他指出不仅光具有波粒二象性，一切电磁波和微观运动物质(电子、质子等)也都具有波粒二象性。电磁波在空间的传播是一个电场与磁场交替转换向前传递的过程。电子在高速运动时，其波长远比光波要短得多。1926年，德国物理学家HBusch提出了关于电子在磁场中的运动理论。他指出：具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用。从理论上设想了可利用磁场作为电子透镜，达到使电子束会聚或发散的目的。1932年，德国柏林工科大学高压实验室的M.Knoll和E.Ruska研制成功了第1台实验室电子显微镜，这是后来透射式电子显微镜（transmission electron microscope，T

3、EM）的雏形。其加速电压为70kV，放大率仅12倍。尽管这样的放大率还微不足道，但它有力地证明了使用电子束和电磁透镜可形成与光学影像相似的电子影像。这为以后电子显微镜的制造研究和提高奠定了基础。 1935年，年，Kn-oll在设计透射电镜的同时，就提出了扫描电镜的原理及设计思在设计透射电镜的同时，就提出了扫描电镜的原理及设计思想。想。，19421942年在实验室制成第一台扫描电镜，但囚受各种技术条件的限年在实验室制成第一台扫描电镜，但囚受各种技术条件的限制，进展一直很慢。制，进展一直很慢。1965年，在各项基础技术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一年，在各项基础技术有了很大进展的前提下才在

4、英国诞生了第一台实用化的商品扫描电镜。此后，荷兰、美国、西德也相继研制出各台实用化的商品扫描电镜。此后，荷兰、美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜，日木二战后在美国的支持下生产出扫描电镜，中种型号的扫描电镜，日木二战后在美国的支持下生产出扫描电镜，中国则在国则在20世纪世纪70年代生产出自己扫描电镜。年代生产出自己扫描电镜。前期近前期近20年，扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展年，扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展.80年年代末期，各厂家的扫描电镜的二次电子像分辨率均己达到代末期，各厂家的扫描电镜的二次电子像分辨率均己达到4. 5 nm.在提在提高分辨率方面各厂家主要采

5、取了如下措施高分辨率方面各厂家主要采取了如下措施:(1)降低透镜球像差系数，以获得小束斑降低透镜球像差系数，以获得小束斑;(2)士曾强照明源即提高电子枪亮度士曾强照明源即提高电子枪亮度(如采用如采用LaB6或场发射电子枪或场发射电子枪);(3)提高真空度（多级真空系统）和检测系统的接收效率；提高真空度（多级真空系统）和检测系统的接收效率；(4)尽可能减小外界振动干扰（磁悬浮技术）。尽可能减小外界振动干扰（磁悬浮技术）。目前，采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到目前，采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到3. 0nm;采用场发射电采用场发射电子枪扫描电镜的分辨率（采用场发射电子枪代

6、替普通钨灯丝电子枪，这项技术子枪扫描电镜的分辨率（采用场发射电子枪代替普通钨灯丝电子枪，这项技术从从1968年就己开始应用，这项技术大大提高了二次电子像分辨率）可达年就己开始应用，这项技术大大提高了二次电子像分辨率）可达1nm。到到20世纪世纪90年代中期，各厂家又相继采用计算机技术，实现了计算机控制和信年代中期，各厂家又相继采用计算机技术，实现了计算机控制和信息处理。息处理。现代扫描电镜的发展方向主要是两个：大型和超小型。大型：采用场发射电子枪或者LaB6电子枪，提高分辨率到25 。与电子探针的功能相结合，加上波长色散谱仪和能量色散谱仪，进行元素分析。并加上电子通道花样（ECP ）和选区电子

7、通道花样（SECP ）等功能。使其性能向综合的方向发展。超小型：由于扫描电镜制样简单，操作方便，图象更有立体感，层次细节更分明和丰富，清晰度高，各制造厂家自75年后纷纷制造各种桌上型的扫描电镜（也称简易型）。其特点是体积小,重量轻。像日立公司（HITACHI）的S310A，全部重量170公斤，日本电子的JSMT20也仅180公斤。这类超小型扫描电镜能以很低的代价（不超过40000美元 ）就得到高分辨率（150 ）的清晰图象，所以获得了广泛的应用。扫描电镜的分类：常规扫描电镜（扫描电镜的分类：常规扫描电镜（SEM）、环境扫描电镜（）、环境扫描电镜（ESEM）、场发射）、场发射扫描电镜（扫描电镜（

8、FE-SM）、扫描隧道显微镜（）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描透射电镜（）、扫描透射电镜（STEM）扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM）、原子力显微镜（）、原子力显微镜（AFM）、分析型电镜（与能谱，红）、分析型电镜（与能谱，红外等设备联用）外等设备联用）二、电子光学基础1 1、光学显微镜的分辨率、光学显微镜的分辨率光学透镜成像的情况见下图。表示样品上的两个物点光学透镜成像的情况见下图。表示样品上的两个物点S S、S S经过物经过物镜在像平面形成像镜在像平面形成像s s1 1、s s2 2的光路。的光路。由于衍射效应的作用，点光源在像平面上得到的并不是一个点，而是一个中心最亮，周围带有明

9、暗相间同心圆环的园斑，即Airy斑Airy斑的光强分布特征： 84集中在中央亮斑上，其余由内向外顺次递减，分散在第1、第2 。一般将第一暗环半径定为Airy斑的半径。 如果两个物点靠近，相应的两个如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑也逐渐重叠当斑中心间距等于斑也逐渐重叠当斑中心间距等于Airy 斑斑半径时，强度峰谷值相差，人眼可以分辨，半径时，强度峰谷值相差，人眼可以分辨，即即Rayleigh准则准则 即当一点光源衍射图样的中央最亮处刚好和另一个点的第一个最暗处重合时，两衍射斑中心强度约为中央的，人眼刚可以分辨。此时的光点距离r0称为分辨率，可表达如下：sin61. 00nr 式中， - 光

10、的波长 n - 折射系数 - 孔径半角 nsin - 数值孔径（Numeric Aperture ）上式表明，分辨率的最小距离与波长成正比。对玻璃透镜，取最大孔径半角对玻璃透镜，取最大孔径半角a = 70-75a = 70-75，在物方介质为油的情况下，在物方介质为油的情况下，n 1.5n 1.5，则其数值孔径，则其数值孔径n sina 1.25-1.35n sina 1.25-1.35，上式可简化为：，上式可简化为：可见，半波长是光学玻璃透镜可分辨本领的理论极限。可见光可见，半波长是光学玻璃透镜可分辨本领的理论极限。可见光的波长在的波长在390-760nm390-760nm，其极限分辨率为，

11、其极限分辨率为200nm200nm。于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。于是，人们用很长时间寻找波长短，又能聚焦成像的光波。X X射射线和线和射线虽然波长短，但不能聚焦。射线虽然波长短，但不能聚焦。 mvh在1923年，法国科学家Louis de Broglie提出一切电磁波和微观运动物质(电子、质子等)都具有波粒二象性后，人们就想到是不是可以用电子束代替光波来实现成像? 因为其波长远比光波要短得多。电子波的波长特性 电子显微镜的照明光源是电子射线。与可见光相似，运动的电子也兼有波动性和微粒性，即所谓波、粒二象性。根据DeBroglie的观点，匀速直线运动着的电子必定和一个波动

12、相对应，其波长取决于电子运动的速度和质量：式中 h = 6.62610-34 J.S为普朗克常数 m 电子质量 V 电子速度 如何获得电子？一般，电镜的光源是一个能发射电子，并使其加速的静电装置称为电子枪。加速电场的极间电压称为加速电压，是电镜的一个重要性能指标。不同加速电压下计算的电子波长不同加速电压下计算的电子波长综上所述：综上所述： 提高加速电压，缩短电子波长，提高电镜分辨率；提高加速电压，缩短电子波长，提高电镜分辨率；加速电压越高，对试样的穿透能力越大，可放宽对样品的减薄要求。加速电压越高，对试样的穿透能力越大，可放宽对样品的减薄要求。如用更厚样品，更接近样品实际情况。如用更厚样品，更

13、接近样品实际情况。电子波长与可见光相比，相差电子波长与可见光相比，相差10105 5量级。量级。四、扫描电镜的结构型号： JSM-35CF 主要功能： 材料表面形貌、微观组织的观察与分析，半导体电学性能 参数扩散长度的测量和图像。 分辨率： 60 工作电压：0-39KV 探针电流：10-12-10-7（A） 放大倍数：10-20000倍 生产厂家： 日本电子 主要介绍： 能够进行各种扫描图像，如二次电子像、背反射电子像，电子束诱生电流像等。Sirion 200扫描电镜外观照片电子与固体试样的交互作用当高能电子束轰击样品表面时，由于入射电子束与样品间的相互作用，99以上的入射电子能量将转变成热能

14、，其余约1的入射电子能量，将从样品中激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息出各种有用的信息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X 射线、俄歇电子、吸收电子、透射电子等。扫描电镜结构1、电子束系统电子束系统 电子束系统由电子束系统由电子枪电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。 为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。普通钨丝电子枪的分辨

15、本领具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。普通钨丝电子枪的分辨本领在在6.0-3.5nm之间，而场发射电子枪可达到之间，而场发射电子枪可达到1.0nm。常用的电子枪有三。常用的电子枪有三种：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，种：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表其性能如表1所示。所示。几种类型电子枪性能比较(a)热电子发射型电子枪 (b)热阴极场发射电子枪 电子枪构造示意图电磁透镜：可见光用玻璃透镜聚焦。电子束的聚焦装置是电磁透镜。电子束在电磁透镜：可见光用玻璃透镜聚焦。电子束的聚焦装置是电磁透镜。电子束在旋转对称的静电场或磁场中可起到聚焦的

16、作用。电磁透镜实质是一个通电的短旋转对称的静电场或磁场中可起到聚焦的作用。电磁透镜实质是一个通电的短线圈，它能造成一种轴对称的分布磁场。正电荷在磁场中运动时，受到磁场的线圈，它能造成一种轴对称的分布磁场。正电荷在磁场中运动时，受到磁场的作用力，即洛仑磁力。电磁聚光镜其功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因作用力，即洛仑磁力。电磁聚光镜其功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束光斑越小，其分辨率就愈高。照射到样品上的电子束光斑越小，其分辨率就愈高。改变透镜的励磁电流可连续调节透镜的焦距。扫描电镜通常都有三个聚光镜，前两个是强透镜，缩小束扫描电镜通常都有三个聚光镜，前两个是强透镜，缩

17、小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。一般探测器。一般靠近样品的称为物镜，其余的透镜称为会聚镜。为了降低电子束的发散程度，每级聚光镜都装有光阑。为了消除像散，装有消像散器。像散是由于电磁透镜的周向磁场非旋转对称引起。像散是由于电磁透镜的周向磁场非旋转对称引起。透镜磁场的这种非旋转性对称使它在不同方向上的聚焦能力出现差别，物点透镜磁场的这种非旋转性对称使它在不同方向上的聚焦能力出现差别，物点P通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点，而是形成一散焦斑。通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点，而是形

18、成一散焦斑。2、扫描系统扫描系统由扫描信号发生器、放大控制器和扫描线圈组成。其作用是控制入射电子束在试样表面扫描及显像管电子束在荧光屏上作同步扫描，通过改变入射电子束的扫描振幅，即可获得不同放大倍数的扫描图像。扫描线圈：其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和在显像管上的扫描动作由同一扫描发生器控制,保持严格同步。当电子束进入偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折,再通过末级透镜的光心射到样品表面。在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在样品上也画出一副比例图像。3、真空系统、真空系统真空系统主要包括真空泵和真

19、空柱两部分。 真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的扫描电镜的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的扫描电镜,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。 成象系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端的密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用扫描电镜时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。 为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成象的电子更多。因此如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯

20、丝寿命下降，极间放电等问题。 4、机械系统包括：支撑部分样品室：样品室中有样品台和信号探测器，样品台用于安装、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。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，Z轴方向可以自动聚焦。同时样品还可在样品台上加热、冷却和进行力学性能实验（如拉伸和疲劳）。试样室安装的各种探测器，例如二次电子探测器、背散射电子探测器、波谱、能谱、及光学显微镜等。（光学显微镜用于观察试样(包括荧光观察)，以确定分析部位，利用电子束照射后能发出荧光的试样（如Zr02），能观察入射到试样上的电子束直径大小。）5、信号的收集

21、、处理和显示系统主要包括探测器、显像管和照相机等。样品在入射电子束作用下会产生各种物理信号，有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。不同的物理信号要用不同类型的检测系统。它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。常用的检测系统为闪烁计数器，它位于样品上侧，由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成，如图5所示。6、电源系统电源系统由稳压，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。 SEM三种主要分析模式(a)光栅扫描 (b)角光栅扫描图4 电子束在样品表面的扫描方式五、扫描电镜的工作原理工作原理：如图所示，由电子枪发射出能量为535ke

22、v的电子流，经聚光镜和物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，在试样表面按一定时间和空间顺序作拉网式扫描。聚焦后的微细电子束与试样发生相互作用，产生二次电子、背散射电子、特征X射线及其他物理信号。二次电子发射量随试样表面起伏而变化，背散射电子的发射量与试样中元素的原子序数成正比，二次电子信号及背散射电子信号分别被探测器收集并转化成电信号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度分别得到二次电子像及背散射电子像，得试样表面微观组织结构和形貌信息。配置波谱仪和能谱仪，利用所产生的X射线对试样进行定性和定量化学成分分析。SNeFSN

23、I(行行)t(时间时间)T(行行)I(帧帧)t(时间时间)T(帧帧)SNSNeF扫描原理比较比较透射电镜一般是透射电镜一般是电子光学系统（照明系统）电子光学系统（照明系统）、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。1. 扫描电镜电子光学部分只有起聚焦作用的会聚透镜，而没有透射电镜里起成象放大作用的物镜、中间镜和投影镜。这些电磁透镜所起的作用在扫描电镜中是用信号接受处理显示系统来完成的。2. 扫描电镜的成象过程与透射电镜的成象原理是完全不同的。透射电镜是利用电磁透镜成象，并一次成象；扫描电镜的成象不需要成象透镜，它类似于电视显象过程，其图象按一定时间空间

24、顺序逐点形成，并在镜体外显象管上显示。六、主要性能指标1、分辨本领和景深扫描电镜的分辨本领有两重含义：对于微区成份分析而言，它是指能分析的最小区域；对于成象而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。两者主要取决于入射电子束的直径，但并不等于直径，因为入射电子束与试样相互作用会使入射电子束在试样内的有效激发范围大大超过入射束的直径，如图。入射电子激发试样内各种信号的发射范围不同，因此各种信号成象的分辨本领不同（如下表）。分辨率大小由入射电子束直径和调制信号类型共同决定.信号信号分辨率(nm)发射深度(nm)二次电子510550背散射电子502001001000吸收电子1001000透射电子0.510

25、感应电动势3001000阴极荧光3001000X射线10010005005000俄歇电子5100.52不同信号的分辨率扫描电镜的景深扫描电镜的景深是指在样品深度方向可能观察的程度，或者是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。在电子显微镜和光学显微镜中，扫描电镜的景深最大，对金属材料的断口分析具有特殊的优势。电子束孔径角是决定扫描电镜景深的主要因素，它取决于末级透镜的光栅直径和工作距离。 扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深，它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10 倍。因此用扫描电镜观察试样断口具有其它分析仪器无法比拟的优

26、点。当像平面固定时当像平面固定时(像距不变像距不变),能维持物像清晰的范围内能维持物像清晰的范围内,允许物平面允许物平面(样品样品)沿透镜主沿透镜主轴移动的最大距离轴移动的最大距离Df即景深。即景深。二、放大倍数及有效放大倍数扫描电镜的放大倍数M取决于显象管荧光屏尺寸S2和入射束在试样表面扫描距离S1之比，即： MS2S1 由于荧光屏尺寸S2是固定的，因此其放大倍数的变化是通过改变电子束在试样表面扫描距离S1来实现的。一般放大倍数在2020万倍之间，且连续可调。将样品细节放大到人眼刚能看清楚（约0.2mm）的放大倍数称为有效放大倍数M： M有效人眼分辨本领仪器分辨本领（a）二次电子图像）二次电

27、子图像 （b）背散射电子图像）背散射电子图像锡铅镀层的表面图像锡铅镀层的表面图像七、扫描电镜图像衬度原理衬度：所谓衬度，即是像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色差。形成扫描电衬度：所谓衬度，即是像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色差。形成扫描电子像的衬度分为形貌衬度、原子系数衬度和电压衬度子像的衬度分为形貌衬度、原子系数衬度和电压衬度3种类型。种类型。（1）形貌衬度）形貌衬度 由于试样表面形貌的差别而形成的衬度。由于试样表面形貌的差别而形成的衬度。（2）原子序数的衬度）原子序数的衬度 由于试样表面原子序数（化学成分）差别形成的衬度称由于试样表面原子序数（化学成分）差别形成的衬度称为原子序数衬度。为

28、原子序数衬度。（3）电压衬度）电压衬度 电压衬度是由于试样表面电位差而形成的衬度，利用对试样表电压衬度是由于试样表面电位差而形成的衬度，利用对试样表面电位敏感的信号（二次电子）作为显像管的调制信号可得到电压衬度像。面电位敏感的信号（二次电子）作为显像管的调制信号可得到电压衬度像。1、二次电子图象衬度原理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，称二次电子。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，仅在样品表面5nm10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重要原因之一。 二次电子图象反映试样表面状态，从表面出来的二次电子多，

29、呈亮象；出来的电子少，呈暗象。二次电子产额与二次电子束与试样表面法向夹角有关，1/cos。因为随着角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多；其次随角的增加，总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多。二次电子产率：二次电子产率：abde or f(边缘效应边缘效应), e or f无法区分无法区分abdc(尖端效应尖端效应)形貌衬度原理综上，图象反差是由于不同物点之间二次电子产额及收集效率的差别造成的。可归为以下几个效应：(1)倾斜效应 如果样品局部表面倾斜角，则电子束在二次电子发射层（约10nm）内的路径增大。从而使二次电子产额1/cos，即表面越倾斜

30、，二次电子产额越大。(2)孔洞效应 来自凸起后面（相对于检测器方向）的物点或孔洞里面的物点的二次电子均受到侧表面的抑制，导致收集效率的减小。(3)边缘效应 在凸起的边缘，由于扩大了电子作用区的裸露表面，而使二次电子产额有明显增大。类似的影响也发生在尺度接近入射电子作用范围的尖锐凸起或小球。(4)成分效应 二次电子产额随样品成分的平均原子序数的增大而增加，但这种差别并不明显。二次电子形貌衬度的应用 二次电子的检测方法使得能量小于50eV的电子，不论从什么方向射出样品几乎都能被收集吸引过来而被检测。因而得到无明显阴影的图象。同时二次电子产额主要取决于样品表面的形貌，因此二次电子图象特别适合于观察起

31、伏较大的样品的表面。二次电子形貌衬度主要用于以下几个方面：断口分析：沿晶断口、韧窝断口、解理断口、纤维增强复合材料断口。表面形貌分析材料变形与断裂动态过程的原位观察镁合金断口形貌钛合金断口形貌钛合金断口形貌粉末颗粒表面形貌多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（）低倍像（b）高倍像）高倍像2、背散射电子图象衬度原理背散射电子产额随原子序数增大而增多，如图。在进行图象分析时，样品中重元素区域背散射电子数量较多，呈亮区，而轻元素区域则为暗区。背散射电子发射系数可表示为：背散射电子发射系数可表示为：416lnz背散射电子检测器的工作原理如图。A和B表示一对

32、半导体硅检测器，将二者收集到的信号进行处理：对于原子序数信息来说，进入左右两个检测器的信号，对于原子序数信息来说，进入左右两个检测器的信号，其大小和极性相同，而对于形貌信息，两个检测器得到的信号绝对值相同，其大小和极性相同，而对于形貌信息，两个检测器得到的信号绝对值相同，其极性恰恰相反。将检测器得到的信号相加，能得到反映样品原子序数的信其极性恰恰相反。将检测器得到的信号相加，能得到反映样品原子序数的信息；相减能得到形貌信息。息；相减能得到形貌信息。背散射电子主要是由经典的弹性散射所产生的。所谓弹性散射，就是在散射过程中，入射电子仅仅是改变了运动的方向，而忽略了它在碰撞过程中的能量损失，也就是说

33、在这种碰撞过程中，是严格遵守经典的能量守恒定律的。当探测器接受的是背散射电子时，由于背散射电子的能量大，始终沿直线运动，若在前进方向上存在障碍物(样品突起部分)，背散射电子受到阻碍而不能进入探测器。即样品表面一定范围内的背散射电子不能被检测，形成无信号的暗，与用点光源照明物体时的效果相似，因此背散射电子像是一种有影像的电子像，图象有浮雕感。由于它的阴影效果，通常背散射电子不适于观察表面起伏很大的样品，但在观察浅沟槽表面的样品时，反而加强了立体效果。矿物样品的背散射电子图象矿物样品的背散射电子图象ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电系耐火材料的背散射电子成分像，子成分像，1000Z

34、rO2-Al2O3-SiO2系系耐火材料的背散射电耐火材料的背散射电子像。由于子像。由于ZrO2相相平均原子序数远高于平均原子序数远高于Al2O3相和相和SiO2 相，相，所以图中白色相为斜所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石斜混合区为莫来石斜锆石共析体，基体灰锆石共析体，基体灰色相为莫来石。色相为莫来石。A.电子枪的种类:使用场发射、LaB6或钨妊的电子枪。B.电磁透镜的完美度。C.电磁透镜的型式:In-lens ,semi in-lens, off-lensD.样品室的洁净度:避免粉尘、水气、油气等污染。E.操作条件:加速

35、电压、工作电流、仪器调整、样品处理、真空度。F.环境因素:振动、磁场、噪音、接地。3、影响电子显微镜影像品质的因素:chhvE4.X射线能谱仪由不同元素产生的特征X射线波长和相应的光量子能E满足：的关系，因此能量也有特征性，能谱仪就是以测定元素特征X射线的能量为基础的。X射线能谱仪，主要是由锂漂移硅固态探测器、前置放大器、脉冲信号处理器、模数转化器、多道分析器、小型计算机及显示记录系统等部分构成。 特征特征X射线产生原理射线产生原理工作原理工作原理 利用不同元素利用不同元素X X射线光子特征能量不同特点进行成分分析射线光子特征能量不同特点进行成分分析 原理图：原理图：作为扫描电镜中的附加系统，

36、在样品室中装入作为扫描电镜中的附加系统，在样品室中装入X X射线接受系统，于是可对被测射线接受系统，于是可对被测样品进行成分分析，包括定性分析和定量分析：样品进行成分分析，包括定性分析和定量分析：1 1定性分析定性分析点分析：将电子束固定在所需分析的微区上，几分钟即可直接从显示屏上得点分析：将电子束固定在所需分析的微区上，几分钟即可直接从显示屏上得到微区内全部元素的谱线。到微区内全部元素的谱线。线分析：将能谱仪固定在所要测量的某一元素特征线分析：将能谱仪固定在所要测量的某一元素特征X X射线信号能量的位置上，射线信号能量的位置上，把电子束对着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓

37、度把电子束对着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布曲线，改变能谱仪的位置，便可得到另一种元素的浓度分布曲线。分布曲线，改变能谱仪的位置，便可得到另一种元素的浓度分布曲线。面分析：电子束在样品表面作光栅扫描时，把能谱仪固定在某一元素特征面分析：电子束在样品表面作光栅扫描时，把能谱仪固定在某一元素特征X X射射线信号的位置上，此时，在荧光屏上便可得到该元素的分布图象，移动位置，线信号的位置上，此时，在荧光屏上便可得到该元素的分布图象，移动位置，便可获得另一种元素的浓度分布图象。便可获得另一种元素的浓度分布图象。2 2定量分析定量分析用半定量法，可测出微区内质量浓度百分比，修正

38、后的误差可限定在用半定量法，可测出微区内质量浓度百分比，修正后的误差可限定在5%5%之之内。内。能谱仪分析特点能谱仪分析特点具有以下优点（与波谱仪相比）具有以下优点（与波谱仪相比） 1) 1) 能谱仪探测能谱仪探测X X射线的效率高。其灵敏度比波谱仪高约一个数量级。射线的效率高。其灵敏度比波谱仪高约一个数量级。2) 2) 在同一时间对分析点内所有元素在同一时间对分析点内所有元素X X射线光子的能量进行测定和计数，在几射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。3) 3) 结构简

39、单，稳定性和重现性都很好（因为无机械传动）。结构简单，稳定性和重现性都很好（因为无机械传动）。4) 4) 不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。不必聚焦，对样品表面无特殊要求，适于粗糙表面分析。 具有以下缺点和不足：具有以下缺点和不足：1) 1) 分辨率低：分辨率低：Si(Li)Si(Li)检测器分辨率约为检测器分辨率约为160eV160eV；波谱仪分辨率为；波谱仪分辨率为5 510eV 10eV 2) 2) 能谱仪中因能谱仪中因Si(Li)Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此它只能检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此它只能分析原子序数大于分析原子序数大于111

40、1的元素；而波谱仪可测定原子序数从的元素；而波谱仪可测定原子序数从4 4到到9292间的所有间的所有元素。元素。 3) 3) 能谱仪的能谱仪的Si(Li)Si(Li)探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。探头必须保持在低温态，因此必须时时用液氮冷却。 Ti的的X射线能谱图射线能谱图Cu合金合金X射线能谱图射线能谱图八、扫描电镜样品的制备扫描电镜对试样的要求：（1）要求干净，干燥的块状或粉末样品，尺寸不大于2010mm。（2）金属断口样品：要求是干净、新鲜的表面；如果是金相样品须进行深腐蚀。（3）非金属样品须在真空镀膜机中喷镀金、铝或碳，以保证样品导电性良好。为什么扫描电镜要求试样导电呢

41、？当入射电子束打到样品上，会在样品表面产生电荷的积累，形成充电和放电效应，影响对象的观察和拍照记录。因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导电。 1、样品的干燥扫描电镜观察样品要求在高真空中进行。无论是水或脱水溶液，在高真空中都会产生剧烈地汽化，不仅影响真空度、污染样品，还会破坏样品的微细结构。因此，样品在用电镜观察之前必须进行干燥。干燥的方法有以下几种： (一) 空气干燥法 空气干燥法又称自然干燥法，就是将经过脱水的样品，让其暴露在空气中使脱水剂逐渐挥发干燥。这种方法的最大优点是简便易行和节省时间；它的主要缺点是在干燥过程中，组织会由于脱水剂挥发时表面张力的作用而产生收缩变形。因此，该方法

42、一般只适用于表面较为坚硬的样品。 (二) 临界点干燥法 临界点干燥法是利用物质在临界状态时，其表面张力等于零的特性，使样品的液体完全汽化，并以气体方式排掉，来达到完全干燥的目的。这样就可以避免表面张力的影响，较好地保存样品的微细结构。此法操作较为方便，所用的时间也不算长，一般约23小时即可完成，所以是最为常用的干燥方法。 (三) 冷冻干燥法 冷冻干燥法是将经过冷冻的样品置于高真空中，通过升华除去样品中的水分或脱水剂的过程。冷冻干燥的基础是冰从样品中升华，即水分从固态直接转化为气态，不经过中间的液态，不存在气相和液相之间的表面张力对样品的作用，从而减轻在干燥过程中对样品的损伤。 样品的导电处理例

43、如生物样品经过脱水、干燥处理后，其表面不带电，导电性能也差。因此在观察之前要进行导电处理，使样品表面导电。常用的导电方法有以下几种： (一) 金属镀膜法 金属镀膜法是采用特殊装置将电阻率小的金属，如金、铂、钯等蒸发后覆盖在样品表面的方法。样品镀以金属膜后，不仅可以防止充电、放电效应，还可以减少电子束对样品的损伤作用，增加二次电子的产生率，获得良好的图象。 (二) 组织导电法 用金属镀膜法使样品表面导电，需要特殊的设备，操作比较复杂，同时对样品有一定程度的损伤。为了克服这些不足，有人采用组织导电法(又称导电染色法)，即利用某些金属 溶液对生物样品中的蛋白质、脂类和醣类等成分的结合作用，使样品表面

44、离子化或产生导电性能好的金属盐类化合物，从而提高样品耐受电子束轰击的能力和导电率。2、扫描电镜样品制备一般原则为:A.显露出所欲分析的位置。B.表面导电性良好，需能排除电荷。C.不得有松动的粉末或碎屑(以避免抽真空时粉末匕扬污染镜柱体)。D.需耐热，不得有熔融蒸发的现象。E.不能含液状或胶状物质，以免挥发。F.非导体表面需镀金(影像观察)或镀碳(成份分析)。膜不能有明显的特征。镀导电膜的选择，在放大倍率低于1000倍时，可以镀一层较厚的Au，以提高导电度。放大倍率低于10000倍时，可以镀一层Au来增加导电度。放大倍率低于100000倍时，可以镀一层Pt或Au-Pd合金，在超过100000时，

45、以镀一层超薄的Pt或Cr膜较佳。G样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮乙醇或丙酮)在超声波清洗器中在超声波清洗器中清洗。清洗。 H 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。清洗时可能会样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。 真空镀膜台包括两个部分，上部玻璃钟罩为真空蒸发室，下部为真空系统，使蒸发室内达到5*10-5Torr的真空度。蒸发室内有两对电极，一对电极与碳棒相连用来蒸发碳；另一对电极与装有重金属的螺

46、旋形钨丝相连，用来蒸发重金属。当其中一对电极加上电压，碳棒尖端或螺旋形钨丝流过大电流，将碳或金属加热蒸发在被蒸镀物上形成一层碳膜或金属膜。九、九、SEMSEM的主要特点的主要特点1 1、放大倍率高、放大倍率高 可从几十倍放大到几十万倍，连续可调。观察极为方便。可从几十倍放大到几十万倍，连续可调。观察极为方便。2 2、分辨率高、分辨率高 SEM是用电子束照射试样，目前用是用电子束照射试样，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 。3 3、景深大、景深大 景深大、图像立体感强，对粗糙不平的断口试样观察需要大景深。

47、景深大、图像立体感强，对粗糙不平的断口试样观察需要大景深。 一般情一般情况下，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。倍。4 4、保真度好、保真度好 试样通常不需要作任何处理即可以直接进行形貌观察，所以不会由于制样试样通常不需要作任何处理即可以直接进行形貌观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析及贵重试样的分析特别重要。原因而产生假象。这对断口的失效分析及贵重试样的分析特别重要。5 5、试样制备简单、试样制备简单 试样可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光片，对不导电的试样可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光

48、片，对不导电的试样只需蒸镀一层试样只需蒸镀一层10nm左右的导电膜。左右的导电膜。6 6、 另外，现在许多另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。十、扫描电镜的操作及调节1、利用扫描电镜观察样品形貌的操作步骤（1） 打开样品室，装样，关闭样品室，抽真空；（2）将抽真空后的样品放进载物台，调节载物台，找到所放置的样品；（3） 调节对比度和亮度，使样品在显示屏上显示出来；（4） 双击自己感兴趣的部位，使其移动至显示屏中央；（5） 调整

49、放大倍数并调焦；（6） 慢速扫描，照相，保存。 扫描电镜的调整：（一）加速电压选择（一）加速电压选择加速电压高时，电子束的直径变小，使分辨率增加，但是分辨率还取决于能加速电压高时，电子束的直径变小，使分辨率增加，但是分辨率还取决于能够获得的对比度和像素等因素。低加速电压观察也有许多优点，如降低加速够获得的对比度和像素等因素。低加速电压观察也有许多优点，如降低加速电压可消除下层结构引起的干扰，看到更多的表面细小形貌，某些不导电的电压可消除下层结构引起的干扰，看到更多的表面细小形貌，某些不导电的样品还可在低加速电压下直接观察。样品还可在低加速电压下直接观察。加速电压加速电压KVKV 1 5 10

50、15 20 25 1 5 10 15 20 25 3030分辨率分辨率 低低 高高边缘效应边缘效应 小小 大大衬度衬度 小小 大大无镀膜观察无镀膜观察 容易容易加速电压和象质的关系加速电压和象质的关系由上表可知，加速电压提高，电了束波长越短，理论上，只考虑电子束直径的大小，加速电压愈大，可得到愈小的聚焦电了束，因而提高分辨率，然而提高加速电压却有一些不可忽视的缺点:A.无法看到样品表面的微细结构。B.会出现不寻常的边缘效应。C.电荷累积的可能性增高。D.样品损伤的可能性增高。因此适当的加速电压调整，才可获得最清晰的影像。（二）束流选择（二）束流选择在加速电压和物镜光阑孔径固定的情况下调节聚光镜

51、电流可以改变束流大在加速电压和物镜光阑孔径固定的情况下调节聚光镜电流可以改变束流大小，聚光镜励磁电流越大，电子束直径就越小，从而使分辨率提高。束流小，聚光镜励磁电流越大，电子束直径就越小，从而使分辨率提高。束流减小使二次电子信号减弱，噪音增大。过大的束流会使边缘效应增大，带减小使二次电子信号减弱，噪音增大。过大的束流会使边缘效应增大，带来过强的反差，要获得最佳的图像质量，必须兼顾电子束直径和能收集足来过强的反差，要获得最佳的图像质量，必须兼顾电子束直径和能收集足够强的二次电子信号两方面的要求。够强的二次电子信号两方面的要求。束流与象质的关系束流与象质的关系聚光镜电流聚光镜电流束流束流直径直径分

52、辨率分辨率二次电子信号二次电子信号图象噪音图象噪音边缘效应边缘效应小小大大大大小小低低高高多多少少少少多多大大小小束流与像质的关系（三）物镜光阑和工作距离的选择（三）物镜光阑和工作距离的选择光阑孔径越小，景深越大，在工作距离相同的条件下，选用小孔径的光阑灯丝光阑孔径越小，景深越大，在工作距离相同的条件下，选用小孔径的光阑灯丝下面的支架也可以看清楚。工作距离（下面的支架也可以看清楚。工作距离（WD）是指物镜下极靴端面到样品表面的）是指物镜下极靴端面到样品表面的距离，通过样品移动装置距离，通过样品移动装置Z轴旋钮来调整。在相同的物镜光阑孔径条件下，增大轴旋钮来调整。在相同的物镜光阑孔径条件下，增大

53、工作距离使景深增加。通常工作距离采用工作距离使景深增加。通常工作距离采用10或或15mm ，要求高分辨率时采用，要求高分辨率时采用5mm以下，要求加深景深时采用以下，要求加深景深时采用30mm 。由于二次电子象衬度与电子束入射角。由于二次电子象衬度与电子束入射角度有关，入射角越大，二次电子产生的越多，像的衬度越好。较平坦的样品应度有关，入射角越大，二次电子产生的越多，像的衬度越好。较平坦的样品应加大倾斜角观察。加大倾斜角观察。光阑孔径光阑孔径mm景深景深分辨率分辨率束流束流直径直径400 300 200 100400 300 200 100浅浅深深低低高高大大小小物镜光阑孔径与像质的关系物镜光

54、阑孔径与像质的关系（四）象散校正（四）象散校正在电子光学系统中所形成的磁场或静电场不能满足轴对称的要求时，就会产在电子光学系统中所形成的磁场或静电场不能满足轴对称的要求时，就会产生象散。磁场不对称而造成的象散对一台确定的仪器是固定不变的，静电场生象散。磁场不对称而造成的象散对一台确定的仪器是固定不变的，静电场引起象散的主要原因是电子通道周围被污染，特别是物镜光阑被污染时将严引起象散的主要原因是电子通道周围被污染，特别是物镜光阑被污染时将严重产生象散。象散的特征是在过焦和欠焦时图像细节在互为重产生象散。象散的特征是在过焦和欠焦时图像细节在互为9090方向上拉长。方向上拉长。象散校正是调整消象散器

55、，方法是利用调焦钮找出象散最大时的两个位置，象散校正是调整消象散器，方法是利用调焦钮找出象散最大时的两个位置，将调焦钮置于中间位置，然后反复调消象散钮，直至调到图象最清楚为止。将调焦钮置于中间位置，然后反复调消象散钮，直至调到图象最清楚为止。象散特别严重时应该清洗镜筒和物镜光阑。象散特别严重时应该清洗镜筒和物镜光阑。（五）（五）电子束合轴电子束合轴 的调整的调整调整电子束对中（合轴）的方法有机械式和电磁式。调整电子束对中（合轴）的方法有机械式和电磁式。机械式是调整合轴螺钉机械式是调整合轴螺钉电磁式则是调整电磁对中线圈的电流，以此移动电子束相对光路中心位置电磁式则是调整电磁对中线圈的电流，以此移

56、动电子束相对光路中心位置达到合轴目的。达到合轴目的。十一、扫描电镜的应用现在扫描电镜已广泛用于现在扫描电镜已广泛用于材料科学材料科学（金属材料、非金属材料、纳米材料）、矿（金属材料、非金属材料、纳米材料）、矿物加工、物加工、冶金冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、生物学、医学、半导体材料与器件、地质地质勘探、病虫害的防治、勘探、病虫害的防治、灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量产品质量鉴定鉴定及生产工艺控制等。及生产工艺控制等。 1、观察纳米材料所谓纳米材料就是指组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-10

57、0nm范围内，在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。纳米材料具有许多与晶体、非晶态不同的、独特的物理化学性质。纳米材料有着广阔的发展前景，将成为未来材料研究的重点方向。扫描电镜的一个重要特点就是具有很高的分辨率。现已广泛用于观察纳米材料。2、材料断口的分析扫描电镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。扫描电镜所显示的断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质，在教学、科研和生产中，有不可替代的作用，

58、在材料断裂原因的分析、事故原因的分析以及工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。 3、直接观察原始表面直接观察原始表面它能够直接观察直径它能够直接观察直径100mm，高，高50mm，或更大尺寸的，或更大尺寸的试样试样，对试，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度（背反射电子象）。烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度（背反射电子象）。4、观察厚试样观察厚试样其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌。扫描电子其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真

59、实的形貌。扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，但在对厚块试样显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，但在对厚块试样的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜中还要采用复膜方法，而复的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜中还要采用复膜方法，而复膜的分辨率通常只能达到膜的分辨率通常只能达到10nm，且观察的不是试样本身。因此，用扫描，且观察的不是试样本身。因此，用扫描电镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。电镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。 5 5、观察各个区域的细节观察各个区域的细节试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的试样在样品室

60、中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离工作距离通通常只有常只有2-3cm，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电镜，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电镜中则不同。由于工作距离大（可大于中则不同。由于工作距离大（可大于20mm）。焦深大（比透射电子显）。焦深大（比透射电子显微镜大微镜大10倍）。样品室的空间也大。因此，可以让试样在三度空间内有倍）。样品室的空间也大。因此，可以让试样在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转）。且可动范围大，这个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转）。且可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。对观察