电子显微技术2

6.2扫描电子显微镜p321WhatisSEM?SEM——

主要是利用样品表面产生的二次电子和部分背散射电子成像来对物质的表面结构进行研究，是探索微观世界的有力工具。

扫描电子显微镜与其他设备的组合以实现多种分析功能。在实际分析工作中,往往在获得形貌放大像后,希望能在同一台仪器上进行原位化学成分或晶体结构分析,提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料,以便能够更全面、客观地进行判断分析。。

目前扫描电子显微镜的最主要组合分析功能有:X射线显微分析系统(即能谱仪,EDS),主要用于元素的定性和定量分析,并可分析样品微区的化学成分等信息;电子背散射系统EBSD(即结晶学分析系统),主要用于晶体和矿物的研究。随着现代技术的发展,其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现,例如显微热台和冷台系统,主要用于观察和分析材料在加热和冷冻过程中微观结构上的变化;拉伸台系统,主要用于观察和分析材料在受力过程中所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜与其他设备组合而具有的新型分析功能为新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。

6.2.5.扫描电镜应用实例p334断口形貌分析纳米材料形貌分析横截面形貌内部结构粉末动态和其他实验

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0.1-100nm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。ZnO纳米线的二次电子图像多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像纳米材料形貌分析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，在材料断裂原因的分析、事故原因的分析已经工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。1018号钢在不同温度下的断口形貌断口形貌分析扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶界和团聚程度等微观特征,是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法,样品无需制备,只需直接放入样品室内即可放大观察;同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍到高倍的定位分析,在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动,还能够根据观察需要进行空间转动,以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。扫描电子显微镜拍出的图像真实、清晰,并富有立体感

陶瓷材料的三维显微组织形态

：5万倍

陶瓷2万倍陶瓷

5万倍

陶瓷2千倍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，用扫描电镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。横截面形貌内部结构粉末动态和其他实验

观察试样的各个区域的细节试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3mm，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20mm）。焦深大（比透射电子显微镜大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，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。在大视场、低放大倍数下观察样品用扫描电镜观察试样的视场大。在扫描电镜中，能同时观察试样的视场范围F由下式来确定：F=L/M式中F——视场范围；M——观察时的放大倍数；L——显象管的荧光屏尺寸。若扫描电镜采用30cm（12英寸）的显象管，放大倍数15倍时，其视场范围可达20mm，大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的，如刑事侦察和考古。

进行从高倍到低倍的连续观察放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描电镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行事故分析特别方便。HistoryofSEM1935：德国的卡诺尔提出扫描电镜的设计思想和工作原理。1938：剑桥大学的马伦首次他用细电子束与感光底片作同步运动来得到试样放大像，制成世界第一台扫描电镜，实际上时透射扫描电镜。1965年以后，扫描电镜以商品的形式出现,分辨率达到25纳米.目前优于2纳米HistorythemicroscopeOpticalMicroscopeScanElectronMicroscopeOM&SEMcomparison显微镜类型照明源照射方式成像信息OM可见光光束在试样上以静止方式投射反射光/投射光SEM电子束电子束在试样上作光栅状扫描二次电子背散射电子●OpticalMicroscopeVSSEMPicturesofSEM注射针头的扫描电镜照片6.2.1.扫描电镜的工作原理p322

扫描电镜的工作原理可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。扫描电镜图像的放大倍数定义为

M=L/lL显象管的荧光屏尺寸；l电子束在试样上扫描距离。扫描电镜原理示意图由电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。SEM中的三种主要信号背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平均原子量的区域差别。二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。强立体感焦深大。有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构，所以它特别适用于粗糙样品表面的观察和分析。

6.2.2.扫描电镜的性能和优点p322景深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。扫描电镜的景深为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。高分辨率高的分辨率.优于6nm，介于透射电镜(0.1nm)和光学显微镜(200nm)之间.在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束斑直径。

分辨率p329对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。入射电子束束斑直径入射电子束在样品中的散射信噪比和衬度极限

二次电子像的分辨率约为5-10nm，背散射电子像的分辨率约为50-200nm。电源的稳定性外磁场的干扰放大倍数扫描电镜的放大倍数M定义为：在显像管中电子束在荧光屏上最大扫描距离和在镜筒中电子束针在试样上最大扫描距离的比值M=l/L式中l指荧光屏长度；L是指电子束在试样上扫过的长度。这个比值是通过调节扫描线圈上的电流来改变的。红细胞扫描电镜图有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；PicturesofSEM果蝇：不同倍率的扫描电镜照片试样制备简单。对试样的电子损伤小。保真度高可调节得到的信息多应用范围广6.2.3.扫描电子显微镜的构造电子光学系统检测系统真空系统显示系统电子光学系统由电子枪，电磁透镜（一般为三级磁透镜），扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是产生一个细电子束照射到试样表面，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径检测系统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。普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成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，防止样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持10-5-10-6Pa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，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。显示系统扫描电镜在显像管上显示出一个放大的像。一般有两个显示通道：一个用来观察，另一个用来照相记录。6.2.4衬度

扫描电镜衬度像二次电子像p327背散射电子像x射线元素分布图。二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，δ∝1/cosθ。因为随着θ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；二次电子像（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图二次电子像背散射电子像背散射电子既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。1.形貌衬度用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率元比二次电子低。因为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外，背反射电子能量较高，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反射电子，而掩盖了许多有用的细节。2.成分衬度背散射电子发射系数可表示为样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。利用原子序数造成的衬度变化可以对各种合金进行定性分析。背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。两种图像的对比锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像背散射电子探头采集的成分像（a）和形貌像（b）本章重点电子束与固体样品作用时产生的信号扫描电镜的工作原理扫描电镜衬度像（二次电子像、背散射电子像扫描电子显微镜1.扫描电镜的优点2.电子束与固体样品作用时产生的信号3.扫描电镜的工作原理4.扫描电镜的构造5.扫描电镜衬度像二次电子像背散射电子像6.扫描电镜的主要性能7.样品制备8.应用举例2.电子束与固体样品作用时产生的信号2.1弹性散射和非弹性散射2.2电子显微镜常用的信号2.3各种信号的深度和区域大小2.1弹性散射和非弹性散射当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于受到固体物质中晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变，这种现象称为散射。（1）弹性散射。如果在散射过程中入射电子只改变方向，但其总动能基本上无变化，则这种散射称为弹性散射。弹性散射的电子符合布拉格定律，携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息，在电子显微镜中用于分析材料的结构。（2）非弹性散射。如果在散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变，则这种散射称为非弹性散射。在非弹性散射情况下，入射电子会损失一部分能量，并伴有各种信息的产生。非弹性散射电子：损失了部分能量，方向也有微小变化。用于电子能量损失谱，提供成分和化学信息。也能用于特殊成像或衍射模式。SEM中的三种主要信号其他信号俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。透射电子:电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像,以揭示样品内部微观结构的形貌特征。2.3各种信号的深度和区域大小

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子有效作用深度。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，样品对不同信号的吸收和散射也不同。随着信号的有效作用深度增加，作用区的范围增加，信号产生的空间范围也增加，这对于信号的空间分辨率是不利的。

7.样品制备扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对金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观察。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20nm左右。Preparationofsamples●——能谱仪——能谱仪分析处理显示并转换为数据X-射线探测器探测X射线信号并转换为电信号脉冲处理器测量电子信号并确定所接收到X射线的能量EDS

-

Energy

DispersiveSpectrometry——原理——example——example

SEM

7kV

Au

Cu

Al

C

SiO2

Si

20kV

Au

Cu

Al

C

SiO2

Si

X射线显微分析

（X-raymicroanalysis)

p336扫描电子探针显微技术与X射线显微分析定义与历史回顾显微分析的基本原理几个重要的概念仪器与装置（组图）定性X射线显微分析定量X射线显微分析扫描电镜和X射线显微分析的样品制备技术应用前景探针微区分析的定义所谓的电子探针分析就是利用电子轰击待研究的试样来产生X射线，根据X射线中谱线的波长和强度鉴别存在的元素并算出其浓度。在做定性分析时用X射线谱仪在有关谱线可能出现的波长范围内把谱线纪录下来。然后对照波长表，定量分析时把试样的X射线强度与标样的对比，并作一些校正就可以算出分析点上的成分含量。历史回顾把特征X线用于分析化学的想法可以追溯到Moseley(1913~1914)。1920年至1930年，由于X线谱学与原子结构有关引起了一些科学家的注意，他们详细地研究了特征谱。1956年英国剑桥大学Cavendish实验室的Cosslett和Duncumb设计和制造了第一台扫描电子探针。后来在Castaing的博士论文中，他发展了物理理论，使分析人员可以把测得的X射线强度转化为化学成分。电子探针显微分析的基本原理一.特征X线谱：

大家知道X射线谱是由于原子的内层电子能级之间跃迁产生的。为了使这种跃迁成为可能，必须逐出一个能层电子已产生一个空位。在电子探针分析中，所需要的内层能级电离是靠有足够动能的电子的轰击产生的。X线谱的波长是发射元素独有的特征。二.内层电离：电子探针分析是靠电子轰击试样引起特征X线的发射的。为了使入射电子的能量超过某一壳层的“临界激发能量”，探针一般使用10~30kv的加速电压。电子轰击的电力效率很低，因为入射电子的大部分能量在与束缚较弱的外层电子的相互作用中消耗了，但是电子束每秒产生的电子数目非常大，所以仍然可以获得足够的X射线强度。几个概念的简介一.俄歇效应在一个内层被电离后，可能并不发射X射线光子，而是接着发生非辐射的跃迁。在后一种情况下，跃迁时所释放的能量是用来把另一个电子从原子中逐出，这就是所谓的“俄歇效应”。二.荧光产额：“荧光产额”（ω）是产生辐射跃迁的几率，即某一特定壳层的电离中能产生特征X线发射的电离所占的分数。它与电离的方法无关。它对间接产生的特征X线是重要的，因此在定量分析中，必须对所引起的特征X线强度的增加作“荧光校正”，这种校正的大小将强烈地受荧光产额的影响。三.X射线连续谱：实际样品内产生的X射线谱是一个连续谱（强度：Icm~iZ[(λ/λmin1]~iz(E。E)/E)它带有样品平均原子序数的信息，对样品建立定量分析的某些修正程序很有作用。四.基质校正：X线强度与元素浓度以复杂的关系依赖于样品成分。试样中元素的浓度可由下式计算：C=C’(F/F）。F与F分别为试样与标样的射线强度。主要组成部分一.探针形成系统。二.X射线谱仪。三.样品台。四,光学显微