扫描电镜在材料表征中的研究应用论文

1、 .PAGE22 / NUMPAGES28 .毕 业 论 文（ 2012 届）题 目扫描电镜在材料测试表征中的应用研究扫描电镜在材料表征中的应用研究摘要:电子显微技术是材料表征的重要技术手段之一，其中扫描电子显微镜（简称SEM）由于具有应用围广、样品制备简单、图像景深大等优点，因而在材料表征中发挥着越来越重要的作用。本文在介绍扫描电子电镜的发展历史、电子光学原理、扫描电镜样品的物理信号、扫描电镜的结构与工作原理的基础上，通过在不同操作条件下对不同类型样品的观察，系统研究了仪器条件如扫描电镜电子枪类型、操作条件如灯丝电压和工作距离、样品制备方法如生物样品和非导电样品的预处理方法等因素对SEM图像

2、质量的影响。研究表明，要获得高质量的SEM形貌像，必须做以下几点：（1）选择合适的仪器是前提。对于观察纳米尺度的样品必须选择场发射电镜，因为只有场发射电镜才具有纳米分辨率。（2）采取有针对性的制样方法是关键。对于生物样品，必须进行冷冻干燥，对于导电性差的样品则必须镀导电膜。（3）选择适当的观察条件是核心。应根据样品类型和特点调整灯丝电压、工作距离、对比度和亮度等参数。（4）细心操作是保证。只有仪器操作者耐心细致的操作才能最终获得清晰简洁、信息丰富和富有美感的图像。关键词：扫描电镜；材料表征；图像Applying Research of Material Characterization wit

3、h Scanning Electron MicroscopeAbstract: The electron microscope technology is one of the important characterination technology in material research. The scanning electron microscope (SEM) is widely used and playing a more and more important role role in material characterization because SEM has a se

4、ries advantages. First of all, the article introduced a history of the development of SEM, the photo system of electron litht, the signals of sample, the structural characteristics and the working theory of the scanning electron microscope. By operating under various conditions and with different ki

5、nds of samples, the affacting factors such as the type of electron guns, the accelerating voltage and working distance, the methods of sample preparation are researched systematically. The research showed that in order to obtain a good SEM photo, the following steps must be taken. (1) Slect a suitab

6、le equipment. For example,if you want to test nanometer smaples you must choose a SEM with field emmision gun because only a machine with field emmision gun can qive nanometer resolution. (2) Prepare the sample carefully. If the sample is unconductive, make it conductive. (3) Choose a suitable condi

7、tion according to the samples, such as the accelerating voltage and working distance. (4) Operating carefully because the operater plays a key role in the process.Keywords: scanning electron microscope, material characterization，photo TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc324175182目 录HYPERLINK l _Toc32418

8、5504第一章 绪论 PAGEREF _Toc324185504 h 1HYPERLINK l _Toc3241855051.1 电子显微镜发展史 PAGEREF _Toc324185505 h 1HYPERLINK l _Toc3241855061.2 扫描电子显微镜电子光学原理 PAGEREF _Toc324185506 h 2HYPERLINK l _Toc3241855071.2.1瑞利公式 PAGEREF _Toc324185507 h 2HYPERLINK l _Toc3241855081.2.2电磁透镜 PAGEREF _Toc324185508 h 3HYPERLINK l _

9、Toc3241855091.2.3扫描电镜成像 PAGEREF _Toc324185509 h 4HYPERLINK l _Toc3241855101.3 电镜样品产生的物理信号特点与应用 PAGEREF _Toc324185510 h 5HYPERLINK l _Toc3241855111.3.1物理信号 PAGEREF _Toc324185511 h 5HYPERLINK l _Toc3241855121.3.2信号的应用6HYPERLINK l _Toc3241855131.4扫描电镜结构与原理 PAGEREF _Toc324185513 h 6HYPERLINK l _Toc32418

10、55141.4.1SEM装置的结构的构造 PAGEREF _Toc324185514 h 6HYPERLINK l _Toc3241855151.4.2电子枪 PAGEREF _Toc324185515 h 7HYPERLINK l _Toc3241855161.4.3图像的显示和记录 PAGEREF _Toc324185516 h 7HYPERLINK l _Toc3241855171.4.4 SEM的放大倍率 PAGEREF _Toc324185517 h 7HYPERLINK l _Toc324185518第二章 实验部分 PAGEREF _Toc324185518 h 9HYPERLI

11、NK l _Toc3241855192.1 实验仪器 PAGEREF _Toc324185519 h 9HYPERLINK l _Toc3241855202.2 实验材料 PAGEREF _Toc324185520 h 9HYPERLINK l _Toc3241855212.3 实验方法 PAGEREF _Toc324185521 h 9HYPERLINK l _Toc3241855222.3.1样品制备方法 PAGEREF _Toc324185522 h 9HYPERLINK l _Toc3241855232.3.2形貌观察 PAGEREF _Toc324185523 h 9HYPERLIN

12、K l _Toc324185524第三章 结果与讨论 PAGEREF _Toc324185524 h 10HYPERLINK l _Toc3241855253.1 仪器条件对SEM表征结果的影响 PAGEREF _Toc324185525 h 10HYPERLINK l _Toc3241855263.1.1电子光源的影响 PAGEREF _Toc324185526 h 10HYPERLINK l _Toc3241855273.1.2灯丝电压 PAGEREF _Toc324185527 h 11HYPERLINK l _Toc3241855283.1.3像差的影响 PAGEREF _Toc324

13、185528 h 12HYPERLINK l _Toc3241855293.2 样品制备方法对表征结果的影响 PAGEREF _Toc324185529 h 14HYPERLINK l _Toc3241855303.2.1非导电样品 PAGEREF _Toc324185530 h 14HYPERLINK l _Toc3241855313.2.2粉末样品 PAGEREF _Toc324185531 h 15HYPERLINK l _Toc3241855323.2.3生物样品制备方法 PAGEREF _Toc324185532 h 16HYPERLINK l _Toc3241855333.3 操作

14、方法对SEM表征结果的影响 PAGEREF _Toc324185533 h 17HYPERLINK l _Toc3241855343.3.1 灯丝对中 PAGEREF _Toc324185534 h 17HYPERLINK l _Toc3241855353.3.2 工作距离 PAGEREF _Toc324185535 h 17HYPERLINK l _Toc3241855363.3.3 扫描速度 PAGEREF _Toc324185536 h 18HYPERLINK l _Toc3241855373.3.4 聚焦与照相 PAGEREF _Toc324185537 h 18HYPERLINK l

15、 _Toc3241855383.3.5 对比度和亮度 PAGEREF _Toc324185538 h 19HYPERLINK l _Toc324185539第四章 结论 PAGEREF _Toc324185539 h 20HYPERLINK l _Toc324185545参考文献 PAGEREF _Toc324185545 h 21HYPERLINK l _Toc324185546致 PAGEREF _Toc324185546 h 22第一章 绪论1.1电子显微镜发展史从20世纪30年代开始，人们利用工业技术的发展，成功地研制了电子显微镜，它的出现使人们能在超微结构或原子尺度上观察物体的形貌与

16、结构，人们的观察从宏观世界进入了超微结构或原子级的微观世界。与许多伟大的发明一样，电子显微镜的发明也经历了艰苦的历程，在光学显微镜发明长达300年的时间里，由于光波波长的限制，直接限制了光学显微镜的分辨能力，始终难以突破1000倍的放大倍数，寻找更短波长的光源成为了科学家们呕心沥血的漫长征程。 1923年，法国科学家Louis de Broglie猜测，微观粒子本身除具有粒子特性以外还具有波动性。他指出不仅光具有波粒二像性，一切电磁波和微观运动物质(电子、质子等)也都具有波粒二像性。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，于是人们就想

17、到是不是可以用电子束代替光波来实现成像。 1926年，德国物理学家H. Busch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。 有了上述两方面的理论，1932年，德国柏林工科大学高压实验室的M.Knoll和E.Rusk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。 1933年，E. Ru

18、sk用电镜获得了金箔和纤维的1万倍的放大像。至此，电镜的放大率已超过了光镜，但是对显微镜有着决定意义的分辨率，这时还只刚刚达到光镜的水平。1937年，柏林工业大学的Klaus和Mill继承了Rusk的工作，拍出了第1细菌和胶体的照片，获得了25nm的分辨率，从而使电镜完成了超越光镜性能的这一丰功伟绩。用电子束进行扫描获得图像的SEM原型于1935年由德国的克诺尔（Knoll）研制而成。克诺尔曾参与了鲁斯卡最初TEM的开发，因为研究电视摄像机显像管的靶材，开发了此装置。电子枪和样品装在密封在真空的玻璃管中，用直径大约为100m径的电子束照射样品，用样品的吸收电流成像。1938年同是德国的.阿尔顿

19、（von Arden）使用缩小透镜系统制作了SEM，此装置的镜筒近2米高，使用了二级静电透镜的缩小透镜系统，获得了直径为4nm的电子探针，它实际上是以观察薄膜状样品为目的的扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscope：STEM）的专用机，图像直接记录在安装在样品下方的胶片上，当时还没有用显像管观察图像的方法，是首次通过胶片冲洗获得的结果。阿尔顿没有进行块状样品的观察，但在发表的论文中提出了使用电子增幅器的二次电子检测器的设想1。1939年，E. Rusk在德国的Siemens公同制成了分辨率优于10nm的第1台商品电镜。由于E. Rus

20、k在电子光学和设计第1台透射电镜方面的开拓性工作被誉为“本世纪最重要的发现之一”，而荣获1986年诺贝尔物理学奖。1942年美国RCA实验室的Zworykin为了观察块状样品制作了SEM，此装置组合了场发射电子枪和四级的缩小透镜系统，使用了闪烁体检测二次电子，使用 记录图像。由于获得的二次电子像与TEM的复型法获得的相比要差很多，RCA实验室的SEM开发被中止。此外由于许多科研人员的研发重点转移到电视的开发，此后的SEM的开发与研究暂时停止，直到英国剑桥大学的研发重新启动。剑桥大学研究室进行了有关SEM的很多基础研究。1953年MCMULLAN研制成功了加速电圧在1520kV下，分辨率为50n

21、m的SEM，到1965年制作了5台SEM。在此期间还开发了现在的二次电子检测器的原型E-T检测器、各种观察方法与其它的应用技术，1961年加拿大的纸浆公司安装了这个研究室制作的SEM。扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)作为商品出现则较晚，早在1935年Knoll在设计透射电镜的同时，就提出了扫描电镜的原理与设计思想。1940年英国剑桥大学首次试制成功扫描电镜。但由于分辨率很差、照相时间过长，因此没有立即进入实用阶段，至1965年英国剑桥科学仪器开始生产商品扫描电镜。80年代后扫描电镜的制造技术和成像性能提高很快，目前高分辨型扫描电镜（如日立公司的S-

22、5000型）使用冷场发射电子枪，分辨率已达0.6nm，放大率达80万倍。1.2扫描电子显微镜电子光学原理1.2.1瑞利公式利用光学显微系统将细节放大，满足人眼分辨率可以接受的程度，最大分辨率可达到200nm(放大倍数1000倍)。根据瑞利公式：r0=0.61/ (Nsin)其中：r0为辨率；为光源的波长；N为介质的折射率；为孔径半角，即透镜对物点的角的一半；N sin称为数值孔径，常用N.A表示。根据瑞利公式，提高分辩率的途径有：(1)增大数值孔径(N sin) ，即增大介质折射率N和数值孔径；(2)减小照明光源波长。在以空气为介质的情况下，光学透镜系统的N.A1，采用油侵透镜， N.A ma

23、x=1.35。因此得：rmin=2。所以提高显微镜分辨率的根本途径是寻求一种波长更短的光源2！既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展，人们自然会想到：要想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应该更换波长更短的光源。随着人们对电磁波的认识，人们了解到：在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米，使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。1.2.2电磁透镜研究发现：静电磁场可以使电子的运动方向发生改变，对称的静电磁场可以像玻璃聚焦光线那样把电子束汇聚成一点，这使得用电子束聚焦成像成为可能，这样就产生了电磁透镜。由于电磁透镜能把电子束像光一样地聚焦成像，所以使用电子束做为光源的

24、显微镜就应运而生了。这就是电子显微镜。扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不一样，它不用什么透镜来进行放大成像，而是像闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、特征X射线、俄歇电子等3。图1-1 电镜样品产生的物理信号如图1-1是电子射入样品后，电子、光、X射线等信号产生的示意图，利用这些信号观察、分析样品表面（或浅表面）的装置就是SEM，因此SEM不仅是观察形貌的装置，而且还是具有微区元素分析、状态分析等多种功能的装置。在扫描电

25、镜中，电子枪发射出来的电子束，经三个电磁透镜聚焦后，成直径为几个纳米的电子束。末级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分和晶体取向。安放在试样附近的探测器把激发出的电子信号接收下来，经信号处理放大系统后，输送到显像管栅极以调制显像管的亮度4。图1-2 扫描电镜原理示意图1.2.3扫描电镜成像图1-2为扫描电镜原理示意图，由电子枪发射的电子束，经会聚镜、物镜缩小、聚焦，在样品表面形成一定能量和斑点直径的电子束。在扫描线圈磁场作用下，作用在样品表面上的电子束将按一定时间、空间顺序作光栅或扫描。电子束从

26、样品中激发的二次电子，由二次电子收集器收集、由加速极加速至闪烁体转变成光信号，此信号经光导管到达光电倍增管再转变成电信号。该电信号由视频放大器放大，输送到显像管栅极，调制显像管亮度，使之在屏幕上呈现亮暗程度不同的反映表面起伏(形貌)的二次电子像。由于电子束在样品表面上扫描和显像管中电子束在荧光屏上扫描由同一扫描电路控制，保证了它们之间完全同步，即保证了“物点”和“像点”在时间和空间上的一一对应。一般称一个像点为一个“图像单元”、一幅扫描图像近100万个图像单元。正因为如此，才使得SEM不仅显示一般形貌，而且还能将样品局部化学元素、光、电和磁等性质差异以二维图像形式显示出来5。1.3电镜样品产生

27、的物理信号特点与应用1.3.1物理信号高能电子束轰击样品表面时，有很复杂的作用过程，产生各种有用的信息，通过仪器分析这些信息，我们就可以很好的了解样品的形貌、成分等，电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度围的样品原子发生作用，所以存在着一个作用“体积”，由于电子束与样品的作用空间具有像水滴一样的形状，所以又称之为“滴状作用体积”。如图1-3所示为作用体积的厚度因信号的不同而不同，产生的物理信号主要有：1-3 电子束与固体表面作用产生的信息示意图二次电子从距表面10 nm左右深度围激发出来的低能电子；二次电子的产率与样品表面形貌有关。背散射电子从距表面0.11m深度围散射回来的入

28、射电子。能量近似入射电子能量；透射电子样品足够薄(1m) 透过样品的入射电子，能量近似入射电子能量，数量较少；俄歇电子从距样品表面几个至5 nm左右深度围发射的具有持征能量的二次电子；吸收电子残存在样品中的入射电子，形成吸收电势，可以用来探测样品的某些信息；特征X射线因原子激发与退激发过程而从样品的原子部发射出来的具有一定能量的X射线，发射深度0.55m围6。1.3.2信号的应用（1）成像应用：二次电子和背散射电子可以用于成像，但后者不如前者，所以通常使用二次电子。 （2）表面分析：俄歇电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表

29、面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长7。1.4扫描电镜结构与原理1.4.1SEM装置的结构的构造图1-4 扫描电镜结构示意图图1-4为扫描电镜结构示意图，由图可知SEM由形成电子探针的电子光学系统、装载样品用的样品台、检测二次电子的二次电子检测器、观察图像的显示系统与进行各种操作的操作系统等构成，电子光学系统由用于形成电子探针的电子枪、聚光镜、物镜和控制电子探针进行扫描的扫描线圈等构成，电子光学系统（镜筒部）以与样品周围的空间为

30、真空状态8。镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜与扫描系统。其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。1.4.2电子枪图1-5 电子枪结构示意图电子枪是电子束的产生系统，图1-5 是热发射电子枪的构造图。将细（0.1 mm左右）钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热（2800K左右）后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧（130kV），热电子会汇集成电子束流向阳极，若在阳极中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被

31、称为交叉点（Crossover)，成为实际的光源(电子源)，其直径为1520m。以上说明的是最常用的热发射电子枪，此外还有场发射电子枪和肖特基发射电子枪等。热发射电子枪的阴极除使用钨丝外，还使用单晶六硼化镧(LaB6)， LaB6由于活性很强，所以需要在高真空中工作。1.4.3图像的显示和记录二次电子检测器的输出信号被增益后送至显示系统，由于显示系统上的扫描与电子探针的扫描是同步的，显示系统的画面根据二次电子的数量呈现出亮度变化，形成SEM图像。显像管作为显示系统曾被使用了很长一段时间，近来被广泛使用的是液晶显示器 。通常，电子探针的扫描速度有几档可以切换，观察时可使用极快的扫描速度，拍摄和保

32、存图像时可使用较慢的扫描速度。记录SEM图像，从前是用相机拍摄显像管上显示的SEM图像，现在是以数字格式（电子文件）的形式进行记录，一方面是由于高分辨的显像管很少，另一方面用电子文件进行各种图像处理和信息传输即简单又方便，现在一般使用的图像格式在100万像素左右。1.4.4 SEM的放大倍率图1-6 SEM放大倍率示意图图1-6为扫描电镜的放大倍率示意图，由图可知电子束在样品的表面进行二维扫描时，显示单元的屏幕上会出现SEM图像，改变电子束的扫描宽度，SEM图像的放大倍率会发生改变。由于显示器屏幕的大小是固定的，减小扫描宽度，会提高放大倍率，增大扫描宽度，会缩小放大倍率。例如，显示器屏幕尺寸为

33、10cm，扫描电子显微镜的扫描宽度为1mm的话，放大倍率就是100倍，如果扫描宽度为10m的话，则为10000倍。显示画面的大小变化了，放大倍率也发生变化，由于历史的原因，一般以长12cm宽10cm的屏幕（厂家不同会有若干差异）作为标准来显示放大倍率。这就是使用大屏幕的显示单元，其显示的SEM图像的放大倍率也大的原因。在这种情况下，需要以屏幕上显示的标度为标准，计算放大倍率，测量物体的大小8。扫描电镜放大倍率的改变完全是电路上的处理。改变放大倍率就改变了电子枪在试样上XY方向的扫描围，在电路的处理上仍然保证充满屏幕，这样放大倍率也就改变了。再进一步说，电子枪在开始扫描的时刻显示器也同步开始扫描

34、，电子枪在结束扫描的时刻，显示器也同步结束扫描。但显示器在XY方向的扫描围是固定的。当然也可以做选区扫描，电路处理与上面的相似，放大倍数的改变,实际上是靠改变扫描线圈上的工作电流来实现的。第二章 实验部分2.1实验仪器钨灯丝扫描电子显微镜(KYKY2800B)，中科科仪技术发展；场发射扫描电镜(JSM-7500F)，日本JEOL公司。2.2 实验材料固体材料，干燥无挥发性、无磁性。2.3 实验方法2.3.1 样品制备方法块状固体用导电胶粘附于样品托上，保持观察面朝上；粉末固体则取少许撤在附着于样品托上的导电胶带上，使之保持分散状态。对于团聚严重难于分散的粉末样品则应先在不溶性溶剂中超声分散，然

35、后用滴管滴在导电胶带上；乳液样品应适当稀释后用滴管滴在导电胶带上或锡泊上。不导电样品则需镀导电膜。2.3.2 形貌观察将制备好的样品放入电镜样品室，在设定条件下观察形貌。第三章 结果与讨论3.1 仪器条件对SEM表征结果的影响3.1.1 电子光源的影响电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布要小。目前常用的电子枪种类计有三种：钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射(Field Emission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度与电子源寿命等均有差异。热发射方式电子枪有钨(W)灯丝与六硼化镧(LaB6)灯丝两种，它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数而逃离。

36、对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作，以减少材料的挥发，所以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，钨的功函数约为 4.5eV， 钨灯丝直径约 100m，弯曲成 V 形的细线，操作温度约 2800K，电流密度为 1.75A/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小，使用寿命约为 4080 小时。六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为 2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用 LaB6 只要在 1500K 即可达到，而且亮度更高， 因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子能量散布为1

37、eV，比钨丝要好。但因 LaB6 在加热时活性很强，所以必须在较好的真空环境下操作，因此仪器的购置费用较高。场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 100 倍，同时电子能量散布仅为0.2 - 0.3eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达1nm以下。目前常见的场发射电子枪有两种：冷场发射式(cold field emission , FE)，热场发射式(thermal field emission ,TF) 当在真空中的金属表面受到 108V/cm 大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高 电场

38、使电子的电位障碍产生肖特基效应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此肖特基效应发射出来，因此可得极细而又具高电流密度的电子束，其亮度可达热游离电子枪的数百倍或千倍。场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴极尖端的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射枪通常以上下一组阳极来产生吸取电子、聚焦、与加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静电场，能对电子产生聚焦效果，所以不再需要韦氏罩或栅极。第一(上)阳极主要是改变场发射的拔出电压(extraction voltage)，以控制针尖场发射的电流强度，而第二(下)阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要

39、的能量。要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发射电子枪必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格极为高昂，所以一般除非需要高分辨率 SEM，否则较少采用场发射电子枪。冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。能量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需在 10-10 torr 的真空度下操作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至 2500K(此过程叫做 fla

40、shing)，以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。热场发式电子枪是在 1800K 温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖 flashing 的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大 35 倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。电子枪是扫描电子显微镜电子光学系统主要部件之一，从电子枪阴极（灯丝）发射的电子，在加速电场（静电透镜）中汇聚形成的第一个最小光斑称作电子源，电子源是作为电磁透镜成像系统的“物”而存在，电子源可被电磁透镜放大和缩小（扫描电镜电磁透镜，按

41、照高斯成像规则，对电子源进行缩小），电子源的亮度和电子能量分散是电镜电子枪的两个重要性能指标。在一定加速电压下，决定电子源亮度和能量分散的主要因素是电子枪阴极发射材料，发射方式和发射温度。目前扫描电镜电子枪的发射材料主要有：钨、LaB6，YB6，等制造，其中W、LaB6应用最多9，图3-1为钨灯丝和场发射灯丝效果对比图。A-钨灯丝光源SEM照片（混凝土，2000） B-冷场发射光源SEM照片（混凝土，20000）图3-1 钨灯丝和场发射灯丝SEM效果对比3.1.2灯丝电压电子束入射样品的能量取决于加速电压。加速电压越高，电子深入样品的深度大，散射区域围扩大。相反加速电压越低，扫描图像的信息越限

42、于表面，图像就越能反映表面真实面貌。加速电压越低，荷电效应越小，使图像质量改善，灰度层次丰富而且电子束造成的损伤也减弱。但加速电压越低，样品表面对于污染变得更敏感。而且，加速电压越高，电子束越容易聚集变细，易得到高分辨率，受外界干扰也较少，故合适于高倍观察10。图3-2部构造物的信息与表面图像重叠示意图如图3-2所示，加速电圧改变了，入射电子的穿透深度也会随之改变。如果提高加速电圧，样品部中的信息成为背底，样品表面的衬度降低。由于电子在样品部会发生扩散，如果样品部有物提存在，物体的图像模糊可能会与表面图像重叠。此外，提高加速电圧，边缘效应也变得明显，因此，为了观察表面使用低加速电圧较好。如图3

43、-3所示：在三种不同的加速电圧下观察到的氮化硼的板状晶体。加速电圧在3kV时，原子序数小、薄晶体相互重叠，当加速电圧提高到10kV时，重叠在下面的晶体变得透明，看上去像是飘浮起来的晶体，其发亮的部分是因为从晶体背面发射的二次电子被检测了出来，发暗的部分可能是由于下面晶体重叠不能发射二次电子的原因。加速电圧降低到1kV时，晶体表面的台阶状结构反差良好，能够被清晰地观察到11。图3-3二次电子像的衬度取决于加速电压的不同3.1.3像差的影响电子波波长很短，在100KV的加速电压下，电子波波长为0.0037 nm。用这样短波长的电子波做显微镜的照明源，可达0.002 nm左右。然而到目前为止，电镜的

44、最佳分辨率仍停留在0.1-0.2 nm的水平，这是因为电磁透镜存在球差、像散与色差等各种缺陷像差造成的。（1）球差：球差是由于电磁透镜中心区域和边缘区域对电子会聚能力不同而造成的。远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子要厉害得多，因而有同一物点散射的电子经过透镜后不交在一点上，而是在透镜像平面上变成了一个漫射圆斑。（2）像散：像散是由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。磁场不同方向对电子的折射能力不一样，电子经透镜后形成界面为椭圆状的光束，使圆形物点的像变成了一个漫射圆斑。（3）色差：色差是由于成像电子的能量或波长不同而引起的一种像差。能量大的电子在距透镜中心比较远的地点聚焦，而能量较低的电

45、子在距透镜中心比较近的地点聚焦。结果使得由同一物点散射的具有不同能量的电子经透镜后不再会聚于一点，而是在像面上形成一漫射圆斑。 由于上述像差的存在， 虽然电子波长只有光波长的十万分之一左右，但尚不能使电磁透镜的分辨率提高十万倍。目前还不能制造出无像差的大孔径角的电磁透镜，而只能采用很小的孔径角尽可能减小球差等缺陷的影响。电磁透镜的分辨本领只比光学透镜提高一千倍左右12。球差和色差是电镜设计、制造后就固有的，无法改变。像散的影响因素较多，电镜设计时把它设计成可调的。不管像差如何，只要电镜的分辨率能达到要求就可以。如果像散调不好，最大的可能就是光栏、镜筒污染，需要清洗镜筒，清洗或更换光栏。A B

46、CD图3-4像散的影响3.2 样品制备方法对表征结果的影响3.2.1非导电样品非导电样品:最常用的方法是给非导电性样品包覆导电性好的金属薄膜，其中包括离子溅射或真空蒸镀等方法，用Au，Pt，Au-Pd，Pt-Pd等贵金属镀制一层厚度为数nm10nm左右的薄膜附着在样品表面上，使用这些贵金属除了稳定的原因以外，还由于它们的二次电子产额率高。要忠实再现样品的表面形貌，薄膜的厚度尽量以薄为好，但是如果样品表面形貌复杂，薄膜太薄而形不成连续膜的话，常常会产生荷电现像13。 A 鸡卵壳膜未喷金 B鸡卵壳膜喷金后C分子筛未喷金 D 分子筛喷金图3-5 鸡蛋壳与分子筛喷金前后的SEM照片对比不导电样品也影响

47、二次电子产率，使图像灰暗模糊，得不到清晰照片。样品镀金膜后，二次电子产率提高，图像信号增强，分辨率提高，如图3-5-C、D所示。因此，为了避免或者减小电荷积累常用的方法是给试样蒸镀导电膜。一般SEM形貌观察时，蒸镀小于10nm厚的金导电膜。金导电膜具有导电性好、二次电子发射率高、在空气中不氧化、熔点低，膜厚易于控制等优点，可以拍摄到质量好的照片。并不是所有样品都需要镀金膜。对于需要做能谱分析的样品，镀金膜后影响元素定性、定量分析，因此不宜镀金膜。大多数能谱探头从11号元素钠开始分的形貌时，蒸镀到样品表面的金颗粒就可以观察到，影响样品精细形貌的表征。在这种情况下，可以对样品蒸镀铂或钯，形成更薄的

48、导电层14。 3.2.2粉末样品扫描电镜的固体材料样品制备一般是非常方便的，只要样品尺寸适合，就可以直接放到仪器中去观察。然而对于导电性差的粉末样品，样品制备方法不同，观察结果差异很大。图3-6中A、C为直接撤在导电胶带上的聚合物微球样品的SEM照片，B为用酒精分散后滴在导电胶带上的聚合物微球的SEM照片，D为用撤在导电胶带上的且轻轻刮平的聚合物微球样品的SEM照片。由图可见，用酒精分散后的样品SEM照片效果最好，因为样品颗粒呈单个颗粒与导电子胶带接触，喷过导电膜后，导电膜比较充分覆盖了样品颗粒且与底部导电胶带充分接触，达到了增加导电性的效果。C样品颗粒呈团聚状态，虽然喷过导电膜，但由于颗粒与

49、颗粒之间点支撑，导电膜没有充分包覆样品颗粒，无法使之与底部的导电胶带连接，因而没有起到导电目的，使图像效果差。D虽然得到了比较清晰的SEM照片，但由于没有达到单层分散的目的，很明显地发现样品有多层堆积现像15。A BC D图3-6 A、C为分散程度差样品，B、D为分散程度好样品的SEM照片样品直径和厚度一般从几毫米到几厘米，视样品的性质和电镜的样品室空间而定。对于绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约1020nm的导电层。否则，在电子束照射到该样品上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入和样品电子射出样品表面。导电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、碳和铝等真空蒸

50、镀层，对在真空中有失水、放气、收缩变形等现像的样品以与在对生物样品或有机样品作观察时，为了获得具有良好衬度的图像，均需要适当处理。在某些情况下扫描电镜也可采用复型样品。3.2.3生物样品制备方法生物样品:样品处于电镜镜筒的真空之中。而大多数的生物样品都是柔软而且含大量水分的。因此，在进行扫描电镜观察前，必须对生物样品作相应的处理。 扫描电镜的功能很多，不同的功能对样品的要求不同。例如二次电子像与背散射电子像和吸收电子像对样品的要求基本一样，而与X射线微区分析对样品的要求相差较远。首先介绍二次电子像的生物样品制备技术。此外，由于样品的性质不同，其处理方法和程序也有不同。主要分两大类，一类为含水量

51、少的硬组织，如毛发、牙齿与植物的花粉、孢子、种子等。此类样品一般含硅质、钙质，角质，砝琅质和纤维素等成份，所以通常只经过表面清洁、装台(粘胶)、导电处理等简单过程即可进行观察。如要观察其断面或部结构时，经断裂、解剖或酶消化、蚀刻等再装台、镀膜处理，即可进行观察拍照。另-类为含水分较多的软组织，如大多数的动植物器官、组织与细菌等均属此类。对于此类样品，在金属镀膜前，一般都需经过固定、脱水、干燥等处理，如不经处理或处理不当，就会造成样品损伤和变形，出现各种假像，因此对每一处理步骤都应给予重视。 但是，不管是那一类样品的制备，都应达到以下要求： (1)尽可能保持样品活体时的形貌和结构，以便如实地反映

52、样品本来面目。 (2)在样品的干燥过程尽可能减少样品变形。 (3)样品表面应有良好导电性能和二次电子发射率，以防止和减少样品的荷电效应。图3-7为对生物样品做不同处理的效果对比图。AB图3-7生物样品直接干燥（）与冷冻干燥处理（）效果对比3.3 操作方法对SEM表征结果的影响3.3.1 灯丝对中电子源必需与 HYPERLINK :/coxem2010.blog.163 /blog/static/165103757201091632356555/ t _blank 电磁透镜系统严格同轴，不良同轴的后果：1.到达样品的初级电子束流受到很大影响；2.直接后果,影响电子束流通过，电子源与透镜光轴偏离，

53、大部分电子束会被光阑遮挡会引入轴外电子成像聚焦，增大电磁透镜的像差。一般叫做电子枪引入的球差。电子枪合轴：调节电子源与电磁透镜系统的同轴，成为电子枪合轴。分三个部分，1、 灯丝对中： 灯丝和栅极光阑孔对中。传统需要在显微镜下手工调节。栅极（韦氏帽）孔一般为500m，灯丝尖端直径约为100微米，调节对中靠人的眼镜，因此不同人的调节有较大误差。目前普遍采用工厂预对中灯丝，由高精度零件机械定位，误差比手动调节的小。2、电子枪整体的机械对中。主要是电子枪倾斜调整，这个步骤在老型号电镜上是必须的。随着组件精密度的提高，机械调整量很小。 如果电子枪有微小倾斜，都会损失大量的束流。因此调整是必要的3、 HY

54、PERLINK :/coxem2010.blog.163 /blog/static/16510375720106702711197/ t _blank 电磁对中调整：当灯丝对中和机械对中调节到最佳后，使用一段时间，灯丝有少许的变形，使得电子源和透镜主轴少许偏离，通过调节电磁对中，可以校正这种偏离。由于最初的机械对中，在灯丝的温度和加速电压一定条件下校正的，当我们改变灯丝温度和加速电压时，灯丝会有少许变形，造成电子源偏离轴心；加速电压改变电子速度，经过原有的对中磁场时，电子束将会相对原有正确方向有很大偏离。这时都需要进行电磁对中的调整16。3.3.2 工作距离从物镜对样品的距离称为工作距离(WD

55、)，一般扫描电镜的工作距离是在540mm之间。在高分辨率工作时，希望提高分辨率，要求获得较小的束斑，就必须使用短焦距的强磁物镜。因为强磁透镜像差小，从而能获得较小的束斑。而强透镜的焦距小，就要求小的工作距离，如WD=5mm。在低倍观察时，样品凹凸不平，要求图像有较大的焦深，则要使用大的工作距离，如WD=40mm16。图3-8为不同工作距离的效果对比图。 A工作距离为7 B工作距离为18图3-8 A、B为工作距离不同所得木材的SEM图像3.3.3 扫描速度图3-9 扫描速度快慢对比 图3-9活动选区所选中的区域扫描速度为40s/点，活动选区以外的区域扫描速度为1s /点。在扫描电镜常依靠激励分组

56、排列的电磁线圈来实现扫描。它是先在一条线上沿X方向扫描，完成一行后进行第二行的扫描，直到完成一图像。通过对比，扫描速度越慢所得到的图像效果越好。3.3.4 聚焦与照相A 10002000 B 30002000 C 10002000 D 30002000图3-10 低倍聚焦到高倍照相和高倍聚焦到低倍照相的对比通过图3-10的对比，照相前对图像进行聚焦，并且聚焦的顺序为在高倍聚焦然后在低倍照相，这样操作可以使低倍时候不容易看出清楚还是不清楚的图片看出效果，这样相对可以得到效果较好的图像。3.3.5 对比度和亮度图3-11 不同对比度与亮度的SEM图像对比根据所需图像的要求选择不同的对比度与亮度，一般对比度在160左右，亮度在-8左右，但可依据个人喜好与需要选择对比度与亮度的值。值得注意的是，当对比度大于1