材料分析方法-16扫描电镜

ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterialsChapter13扫描电子显微镜

ScanningelectronicmicroscopeModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials1成像原理利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。扫描电子显微的历史1930年：第一台透射电子显微镜(TEM)1935年：德国的Knoll提出了扫描电镜(SEM)的概念1938年：VonArdenne用透射电镜的光栅电子束第一次推断

了SEM，开始进行实验室研究带有缩倍透镜的SEM1942年：Hillier制成了第一台实验室用的扫描电镜1948年：Oatley,剑桥大学1965年：第一台商品SEM.1951年剑桥大学研发第一个扫描电镜装置第一台商用扫描电镜

HighResolutionFieldEmissionSEMSEMimageshaveanatural3DlookSEMimageshaveanatural3DlookModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials9

在扫描电镜中，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，输送到显象管栅极以调制显象管的亮度。由于显象管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的，显象管上各点的亮度是由试样上各点激发出的电子信号强度来调制的，即由试样表面上任一点所收集来的信号强度与显象管屏上相应点亮度之间是一一对应的。因此，试样各点状态不同，显象管各点相应的亮度也必不同，由此得到的象一定是试样状态的反映。放置在试样斜上方的波谱仪和能谱仪是用来收集X射线，借以实现X射线微区成分分析的。值得强调的是，入射电子束在试样表面上是逐点扫描的，象是逐点记录的，因此试样各点所激发出来的各种信号都可选录出来，并可同时在相邻的几个显象管上显示出来，这给试样综合分析带来极大的方便。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials10能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。样品制备过程简单，不用切成薄片。样品可以在样品室中作三维空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。电子束对样品的损伤与污染程度较小。在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。与光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特点：ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials11TheCheliceraesofaCentipedeTheAntennaofaBarkBeetleModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials12FlyModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials13TheWingofaButterflyhowpartofonewingscalelooksModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials14callmeFourEyestheleafofanAfricanvioletModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials15ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials16ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials17ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials18PollengrainStamensFlowerwithexpanded

ovaryFlowerModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials19anarrayofelectronfieldemittersModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials20threelevelsofcopperinterconnectmetallizationinIBM'snewfasterCMOSintegratedcircuitsSEMviewofIBM'ssix-levelcopperinterconnecttechnologyinanintegratedcircuitchipModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials21电子束与固体样品作用时产生的信号背散射电子二次电子吸收电子透射电子特征X射线俄歇电子ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials22背散射电子

Backscatteredelectron

弹性背散射电子

原子核撞击

散射角大于90o

不损失能量非弹性背散射电子

核外电子撞击

改变方向、损失能量背散射电子是指被固体样品中的原子核或核外电子反弹回来的一部分入射电子。用Ib表示背散射电子流。入射电子弹性背散射非弹性背散射ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials23特征：1)弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多；

2)能量高，例如弹性背散射，能量达数千至数万eV；

3)背散射电子束来自样品表面几百nm深度范围；

4)其产额随原子序数增大而增多；

形貌分析电子来自表层几百纳米的深度成分分析产额随样品原子序数增大而增多结构分析通道花样背散射电子用途ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials242.二次电子

SecondaryElectron

在入射电子束作用下被轰击出来的并离开样品表面的核外电子二次电子ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials25由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此，外层的电子较容易和原子脱离，使原子电离。用IS表示二次电子流。

一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子。其中90%来自于外层价电子。特征：1)二次电子能量较低。一般不超过50ev，大部分几ev；2)来自表层5—10nm深度范围；3)对样品表面状态十分敏感，因此能有效地反映样品表面的形貌；4)其产额与原子序数间没有明显的依赖关系。因此，不能进行成分分析。二次电子用途

形貌分析

电子来自表层5-10nm的深度范围内发射出来，对样品的表面形貌十分敏感。

二次电子产额和原子序数之间没有明显依赖关系，不能用于成分分析ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials263.吸收电子

AbsorbedElectrons

若样品较厚，入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽而被样品吸收。A若样品足够厚，透射电子流IT=0，则有IA=I0-（Ib+IS）(I0—入射电子流)。

ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials27特征：

1）吸收电子信号调制成图像，其衬度恰好和SE或BE信号调制图像衬度相反；2）与背散射电子的衬度互补。入射电子束射入一个多元素样品中时，因Se产额与原子序数无关，则背散射电子较多的部位（Z较大）其吸收电子的数量就减少，反之亦然；3）吸收电子能产生原子序数衬度。吸收电子用途

微区成分分析

当电子束入射一个多元素的样品表面时，由于不同原子序数部位二次电子产额基本相等，则产生背散射电子较多的部位其吸收电子的能量较少，反之依然，因此，吸收电子能产生原子序数衬度ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials284.透射电子

TransmitedElectrons如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而成透射电子。用IT表示透射电子流。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials29特征：

1.透射电子信号由微区的厚度，成分和晶体结构决定可利用特征能量损失ΔE电子配合电子能量分析器进行微区成分分析。即电子能量损失谱EELS。

ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials30样品接地保持电中性，上述四种电子信号强度与入射电子强度之间满足：ib+is+ia+it=i0

进一步改写为：ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials315.特征X射线

CharacteristicX-ray指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波辐射。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials32特征X射线的波长和原子序数间的关系服从莫塞莱定律。

Z—原子序数，K、σ—常数

可见原子序数和特征能量，特征波长之间有对应关系，据此可进行成分分析。

特征：用特征值进行成分分析来自样品较深的区域ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials336.俄歇电子

AugerElectrons如果原子内层电子在能级跃过程中释放出来的能量ΔE并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层的另一个电子发射出去（或空位层的外层电子发射出去），这一个被电离的电子称为俄歇电子。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials34每种原子都有自己的特定壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值。特征：

1）各元素的俄歇电子能量值很低，50～1500ev；

2）来自样品表面1—2nm范围。其平均自由程很小（＜1nm），较深区域产生的俄歇电子向表面运动时必然会因碰撞损失能量而失去特征值的特点。因此，只有在距表面1nm左右范围内逸出的俄歇电子才具有特征能量。因此它适合做表面分析。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials35第二节扫描电镜的构造和工作原理电子光学系统信号收集和图象显示记录系统真空系统扫描电镜的一般构造与工作原理ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials37一、电子光学系统

电子枪电磁透镜扫描线圈样品室ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials381.电子枪ElectronGun•Filament•WehneltCap•Anode热阴极电子枪束斑可达6nm六硼化镧和场发射电子枪，束斑更小SEM中的电子枪与TEM中的相似，但加速电压比TEM低Limitationsduetoenergyspread-ChromaticAberrationExampleModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials412.电磁透镜

ElectronLenses功能：把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约为50m束斑缩小成一个只有数纳米的细小斑点。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials43扫描电镜有三个聚光镜两个强磁透镜

缩小电子束光斑一个弱磁透镜（物镜）

具有较长的焦距

照射在样品上的电子束直径越小，成像单元尺寸越小，分辨率越高。物镜ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials453.扫描线圈Scanningcoils扫描线圈作用

使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动。扫描方式

光栅扫描（相貌分析）角光栅扫描（电子通道花样分析）

光栅扫描角光栅扫描物镜入射电子束入射电子束ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials464.样品室Samplechamber主要功能：放置样品安置信号探测器辅助功能（附件）：

加热和冷却试样

机械性能试验样品台本身是复杂而精密的组件，能进行平移、倾斜和转动等运动。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials47二.信号的收集和图象显示系统二次电子、背散射电子和透射电子进入闪烁体，引起电离离子和自由电子复合形成可见光光信号放大，转换电流信号，视频放大成为调制信号ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials48样品室内的探测器ObjectivelensSecondarydetector(ETD)ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials53三.真空系统Vacuum保持光学系统正常工作；防止样品污染真空度

1.3310-2---1.3310-3PaModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials54ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials55第三节主要性能(分辨率、放大倍数、景深)一.分辨率

扫描电镜分辨率与检测信号种类有关信号二次电子背散射电子吸收电子特征X射线俄歇电子分辨率5~1050~200100~1000100~10005~10nmModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials56●各信号间分辨率的差异可用入射电子束的作用体积图说明●对轻元素，电子束与样品作用产生一个滴状作用体积●入射电子在被样品吸收或散射出样品表面之前将在这个体积中活动。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials57AE和SE因其本身能量较低，平均自由程很短，只能在样品的浅层表面内逸出，因此：俄歇电子的激发表层深度：0.5～2nm激发二次电子的层深：5～10nm在这个浅层范围，入射电子不发生横向扩展，因此，AE和SE只能在与束斑直径相当的圆柱体内被激发出来，因为束斑直径就是一个成象检测单元的大小，所以它们的分辨率就相当于束斑直径。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials58BE在较深的扩展体积内弹射出，其分辨率大为降低。

X射线在更深、更为扩展后的体积内激发，那么其分辨率比BE更低。

因为SE或AE信号的分辨率最高，因此，SEM的分辨率用二次电子像的分辨率表示。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials59BEISEIX-raySiX-rayAlModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials60CaAl合金ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials61对于重元素样品，电子束与样品作用时，其作用体积不呈滴状，而是半球状。电子束进入表面后立即向横向扩展。因此在分析重元素样品时，即使电子束的束斑很细小，其分辨率也较低。此时SE和BE的分辨率差距明显变小。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials62综上所述，影响扫描电镜分辨率的三大因素：

电子束的束斑大小检测信号的类型检测部位的原子序数ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials63SEM分辨率测定方法

在已知放大倍数（一般在10万倍）条件下，把在图像上测到的最小间距（两个颗粒或区域）除以放大倍数所得数值就是分辨率。真空蒸镀金膜样品日立S-570：3.5nm

TOPCONOSM-720：0.9nm

ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials64二.放大倍数M=AC/ASAS:电子束在样品表面扫描幅度；AC:在荧光屏上阴极射线同步扫描幅度。ASAC

在样品表面在阴极射线管荧光屏上光栅扫描ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials66三.景深样品上高低不同部位同时聚焦的能力，用距离表示。加速电压对SEM像的影响

AlwaysconsiderInteractionVolume扫描电子显微术：例子TheeffectofAcceleratingVoltageonSEMImages30kV10kV5kV3kVSpecimen:Toner墨粉Whenhighacceleratingvoltageisusedasat(a),itishardtoobtainthecontrastofthespecimensurfacestructure.Besides,thespecimensurfaceiseasilychargedup.Thesurfacemicrostructuresareeasilyseenat(b).(a)30kVx2,500(b)5kVx2,500Specimen:EvaporatedAuparticles.Theimagesharpnessandresolutionarebetteratthehigheracceleratingvoltage,25kV.(a)5kVx36,000(b)25kVx36,000Specimen:Filterpaper.At5kV,themicrostructuresofthespecimensurfaceareclearlyseenasthepenetrationanddiffusionareaofincidentelectronsisshallow.(a)5kVx1,400(b)25kVx1,400Fig.6Specimen:Sinteredpowder.Atlowacceleratingvoltage,whilesurfacemicrostructurescanbeobserved,itisdifficulttoobtainsharpmicrographsathighmagnifications.Insuchacase,clearimagescanbeobtainedbyshorteningtheWDorreducingtheelectronprobediameter.(a)5kVx7,200(b)25kVx7,200SEM的工作距离样品距离SEM物镜的距离W一般5~20mmSpecimen:Paintcoat.Whenahighacceleratingvoltageisused,morescatteredelectronsareproducedfromtheconstituentsubstanceswithinthespecimen.Thisnotonlyeliminatesthecontrastofsurfacemicrostructures,butproducesadifferentcontrastduetobackscatteredelectronsfromthesubstanceswithinthespecimen.(a)5kVx2,200(b)25kVx2,200ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials76第四节表面形貌衬度原理及其应用一.

二次电子成像原理主要用于分析样品的表面形貌；

二次电子数量和原子序数没有明显关系；二次电子对样品表面的几何形状十分敏感。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials77二次电子成像原理图LLLθ＝0oθ＝45oθ＝60o2LModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials78Edgeeffect(secondaryelectronemissiondifferingwithsurfacecondition).ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials79二次电子探测器+250~500V（吸收电子）-50V–排斥电子背散射电子探测器二次电子探测器ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials81SpecimenICchip.Thehighertheacceleratingvoltage,thegreateristheedgeeffect,makingtheedgesbrighter.ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials82Ti-Fe共晶合金Zr-Ti-Ni合金sputteredgoldoncarbonFracturesurfaceofironModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials83ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials84ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials85二次电子形貌衬度的应用样品表面形貌观察断口分析材料变形与断裂动态过程的原位观察ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials86烧结体烧结自然表面形貌ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials87金相表面形貌ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials88沿晶断口韧窝断口解理断口复合材料断口ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials89双相钢复合材料金相分析位错表面滑移情况

表面分析位错滑移在表面的台阶晶界滑动变形机制（GBS）镁合金超塑性拉伸变形过程中的表面形貌不锈钢在血浆中浸泡3小时后样品表面的血小板黏附情况韧窝装断口韧性断裂断口分析ConventionalcoarsecopperUltra-finegrainedcopperbyECAPInitiationsitesforfracturecomefrominclusion沿晶断裂解理断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳条纹ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials99第五节原子序数衬度原理及其应用1.背散射电子形貌衬度特点

用背散射电子信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。因为背散射电子是在一个较大的作用体积内被入射电子激发出来的，成像单元变大是分辨率降低的原因。图象衬度很强，衬度太大会失去细节的层次。背散射电子的能量很高，它们以直线轨迹逸出样品表面。对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子而变成一片阴影，在图像上显示出很强的衬度。衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。SEIBEIModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials100ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials1012.背散射电子原子序数衬度原理如果A区的原子序数大于B区的原子序数，则A区相对于图象上是亮区，B区为暗区。AAAABBB背散射电子的产额与原子序数密切相关在原子序数低于40范围内，原子序数越高，背散射电子产额越大，图象越亮，反之亦然定性成分分析。ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyforMaterials102

背散射电子包含两部分的信息：一是样品成分；二是样品表面形貌。

利用一对相对独立的半导体检测器对同一部位的背散射电子进行检测。两种信号相加则得到成分图像，相减则得到形貌图像。Useofspecimentilt：c)DetectorpositionandspecimendirectionFig.16Specimen:FiberDetectorpositionandspecimendirection.Specimen:Fiber7kVx2,200Directingthelongitudinalaxisofthespecimentothesecondaryelectrondetectormakestherightandleftsidesequallybright.(AnSRTunitisusedtodirecttheimagelongitudinally.)Useofspecimentilt：c)Detectorpositionandspecimendirection(a)Specimendirectedasat1(b)Specimendirectedasat2(c)Specimendirectedasat3ModernAnalyticalInstrumentsandTechnologyfor