第二章扫描电子显微镜

现代材料分析测试技术河南理工大学材料科学与工程学院第一节扫描电镜（SEM）的发展第二节SEM的工作原理第三节SEM形貌和原子序数衬度第四节SEM在材料分析中的应用第五节电子探针显微分析技术及应用本章主要内容第二章扫描电子显微镜

材料是社会发展的基石和支柱新材料是科技发展的先导材料研发和应用能力体现了国家的竞争力材料研究的重要性人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现在人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：石器时代（公元前10万年）青铜器时代（公元前3000年）铁器时代（公元前1000年）水泥时代（公元0年）钢时代（1800年）硅时代（1950年）新材料时代（1990年）

材料科学基础的地位

因为材料的应用获得的益处

青铜兵器性能的提高和兵器标准化制备。指南针的使用（磁性材料）钢铁材料的发展半导体材料、单晶硅、光纤材料有色轻金属合金、复合材料、先进陶瓷材料

秦帝国的统一——

航海时代的开始——工业革命——信息时代——航空航天——聚合物的性能结构依赖性晶体尺寸晶体取向晶体类型压电、热电材料聚偏氟乙烯αβ普通塑料性能可以提高百倍mStackedlamellarstructureinaspheruliteÅ

CrystalstructurenmFoldedchainspackedinacrystallinelamellaeSpherulite聚合物多层次结构人眼光学显微镜透射电子显微镜扫描电子显微镜扫描探针显微镜0.2mm

200nm

1nm0.2nmo.1nm0.01nm显微术：光学、电子、扫描探针LMTEMSPMSEM扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，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

扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(ScanningElectronMicroscope)。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。扫描电镜定义样品制备简单，能直接观察并分析样品的表面结构特征。三自由度平移和旋转样品，可多角度对样品进行观察。扫描电镜景深大，所抓拍图象的立体感强。图象的放大倍数连续可调，基本包括了放大镜、光学显微镜到透射电镜的范围。观察样品表面形貌的同时，可作微区成分分析。扫描电镜典型特点第一节扫描电镜（SEM）的发展第二节SEM的工作原理第三节SEM形貌和原子序数衬度第四节SEM在材料分析中的应用第五节电子探针显微分析技术及应用本章主要内容第二章扫描电子显微镜第一阶段为理论奠基阶段；第二阶段为试验研究阶段；第三阶段为商品化发展时期三个阶段

：第一节扫描电镜的发展1834年，法拉第在“皇家学会会报”上发表文章第一次提到基本电荷“电的原子”概念。同年，汉米尔顿推导出质点运动与几何光学等效原理。1923年，法国科学家LouisdeBroglie发现，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。第一个阶段

：理论奠基阶段第一节扫描电镜的发展1931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（transmissionelectronmicroscope，TEM）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。为电子显微镜的制造研究和提高奠定了基础。1933Ruska建成第一台电子显微镜。1935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想。，1942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。1938Rusca研制成功第一台真正实用的电子显微镜。1938Ardenne研制出第一台扫描电子显微镜。1939西门子生产出第一批商品电子显微镜。1942第一台实验室用的扫描电子显微镜问世。第二个阶段

：试验研究阶段第一节扫描电镜的发展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，中国则在20世纪70年代生产出自己扫描电镜。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.80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4.5nm.在提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;(2)士曾强照明源即提高电子枪亮度(如采用LaB6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；(4)尽可能减小外界振动干扰（磁悬浮技术）。第三个阶段

：商品化发展时期第一节扫描电镜的发展我国电子显微镜发展简史1958中科院长春光学研究所研制出我国第一台电镜，分辨本领100Å。1959多家单位合作，研究出XD-100型透射电镜，分辨本领25Å。1965上海电子光学技术研究所制成DXA3-8型，分辨本领7Å，使我国电镜技术跃居世界先进水平。1975中科院北京科学仪器厂研制成功我国第一台扫描电子显微镜，分辨本领100Å。1978上海新跃仪表厂和江南光学仪器厂试制成功透射扫描型电子显微镜。第三个阶段

：商品化发展时期第一节扫描电镜的发展JEM1101透射电子显微镜JEOL扫描电子显微镜

第一代显微镜——光学显微镜1830年代后期为M.Schleide和T.Schmann所发明；它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体，对社会的发展起了巨大的促进作用，至今仍是主要的显微工具

.第二代显微镜——电子显微镜

20世纪三十年代早期卢斯卡（E.Ruska）等发明了电子显微镜，使人类能”看”到病毒等亚微米的物体，它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。1932年电子显微镜RuskaKnoll第三代显微镜——扫描探针显微镜（SPM）

也可简称为纳米显微镜。1982年宾尼和罗雷尔发明了扫描隧道显微镜（STM），使人类实现了观察单个原子的原望；1985年宾尼发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜（AFM），也具有原子分辨率，与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜（SPM）系列。扫描隧道显微镜1982年从1830年到1982年150年内，人类眼睛的也从200nm“看”到了0.1nm，提高了2000倍。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25Å。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S－310A，全部重量170公斤，日本电子的JSM－T20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（150Å）的清晰图象，应用广泛。扫描电镜的分类：常规扫描电镜（SEM）、环境扫描电镜（ESEM）、场发射扫描电镜（FE-SM）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描透射电镜（STEM）、扫描探针显微镜（SPM）、原子力显微镜（AFM）、分析型电镜（与能谱，红外等设备联用）扫描电镜的发展方向第一节扫描电镜的发展第一节扫描电镜（SEM）的发展第二节SEM的工作原理第三节SEM形貌和原子序数衬度第四节SEM在材料分析中的应用第五节电子探针显微分析技术及应用本章主要内容第二章扫描电子显微镜一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子等。2.1电子与固体试样的交互作用第二节扫描电镜的工作原理样品入射电子

Auger电子

阴极发光背散射电子二次电子X射线透射电子

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。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。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。弹性散射和非弹性散射第二节扫描电镜的工作原理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。1、背散射电子背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，也称为一次电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指散射角大于90º，被样品中原子核反弹回来的那些入射电子，其能量没有损失(或基本上没有损失)。背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。因此背散射电子不仅可用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，用作成分的定性分析。2、二次电子

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5nm－10nm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。二次电子主要决定于表面形貌，不能用于成分分析。

背散射电子来源于入射电子，分为弹性散射和非弹性背散射电子，弹性散射电子的能量等于入射电子的能量，非弹性散射背散射电子能量小于入射电子；背散射电子数量与材料元素种类有关。主要发生在离试样表面300nm区域。二次电子来源于试样表面，是入射电子击打出来的，不是来源于入射电子。能量较低，二次电子发射的数量与材料的形貌有关。背散射电子和二次电子的区别：

如果入射电子激发试样原子的内层电子，是原子处于激发态或离子态，它有恢复到低能基态的趋势。其中一种方式是外层电子跃迁到内层的电子空位，同时以X射线的形式释放出来。这种X射线称为特征X射线。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。可以分析样品的组成元素和成分。3、特征X射线入射电子进入样品后，经多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其它效应，而被样品吸收，这部分电子称为吸收电子。试样吸收电子之前是电中性的，吸收电子后带上负电荷。如果试样较薄，有电子透过试样，则入射电子数量=背散射电子+二次电子+吸收电子+透射电子。如果试样很厚，样品不能透过，则入射电子数量=背散射电子+二次电子+吸收电子。特征：

吸收电子信号调制成图像，其衬度恰好和S、E或B、E信号调制图像衬度相反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；吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析。4、吸收电子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。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。5、俄歇电子

对于薄试样(一般小于100nm)，入射电子可透过试样。如果在试样的下方放一个接收器，便可接收到透射电子，这些电子带有所穿过的样品信息，成像后可以得到样品的内部结构信息。透射电子中有弹性散射电子和非弹性散射电子。透过电子的数量决定于试样的厚度和密度。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。

6、透射电子：有些固体物质受到电子束照射后，价电子被激发到高能级或能带中，被激发的材料同时产生了弛豫发光，这种光成为阴极发光，其波长可能是可见光红外或紫外光，可以用来作为调制信号。因此，利用阴极发光可以研究矿物中的发光微粒、发光半导体材料中的晶格缺陷和荧光物质的均匀性等。7、阴极发光：作业：各种电子信号的定义以及呈现的样品性质(特征及应用)2.1电子与固体试样的交互作用第二节扫描电镜的工作原理一、扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的电子，经二级聚光镜及物镜的会聚形成具有一定能量、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，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化，是样品表面特征和入射角的函数。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，得到反映试样表面形貌的二次电子像。2.2扫描电镜的工作原理和结构

第二节扫描电镜的工作原理

一、扫描电镜的工作原理

第二节扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。可以简单地归纳为“光栅扫描，逐点成像”。面分析・扫描放大倍数原理扫描线圈

表面凹凸与二次电子的产生

表面凹凸与二次电子的产生

表面凹凸与二次电子的产生

表面凹凸与二次电子的产生

表面凹凸与二次电子的产生

表面凹凸与二次电子的产生二、扫描电镜的结构

第二节扫描电镜的工作原理扫描电镜主要由：电子光学系统、信号接受处理显示系统、真空系统组成。（一）电子光学系统电子枪电子探针系统电磁透镜电子光学系统扫描线圈样品室扫描电镜成像示意图扫描电镜成像示意图1.电子探针系统：用以产生具有一定能量、强度和直径的作扫描运动的电子束，并将其照射在样品表面上。该电子束称电子探针。电子枪：和透射电镜相似，一般采用发夹式钨丝三极电子枪。所用加速电压一般是5～50kV。磁透镜：通常由双聚光镜和物镜组成，可以将电子枪发射出的电子束直径缩小100～10000倍。扫描线圈：使电子束在一个矩形光栅上扫描，通常由双偏转线圈组成，放在物镜上方。这两组线圈内的电流不是恒定的，而是随时间而线性改变强度的锯齿波电流。样品室：样品室用于放置测试样品，并安装各种信号电子探测器。

2、真空系统：电源系统和信号电子成像系统由于电子束只能在真空下产生和操控，扫描电镜对镜筒的真空度有一定要求。一般情况下，要求真空度优于10-3～10-4Pa。如果真空度的下降，会导致电子枪灯丝寿命缩短，极间放电，产生虚假二次电子效应，透镜光阑和样品表面污染加速等，从而严重的影响成像的质量。因此，真空系统的质量是衡量扫描电镜质量的参考指标之一。

2、信号接受处理显示系统：信号检测放大系统的作用是检测样品在入射电子作用下产生的各类电子信号，经视频放大后作为显像系统的调制信号。

电子信号成像系统：将电子探针和样品相互作用产生的信号电子进行收集、放大和处理，最后在显象管上显示出来。扫描电镜可以接收从样品上发出的多种信号电子束来成像，不同信号电子采用不同的探测器，以二次电子信号图像质量最好。(a)加偏压前

(b)加偏压后图4.62加偏压前后的二次电子收集情况

*收集二次电子时，为了提高收集有效立体角，常在收集器前端栅网上加上+250V偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道，到达收集器。这样就提高了收集效率，而且，即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的图像。扫描电镜的分辨率扫描电镜的放大倍数扫描电镜的景深

三、扫描电镜的主要性能第二节扫描电镜的工作原理分辨率是形貌结构类分析仪器最重要的性能指标，SEM的分辨本领与以下因素有关：

1)入射电子束束斑直径：入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。2)

入射束在样品中的扩展效应：电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。只有在离样品表面深度0.3L2区产生的背散射电子有可能逸出样品表面，二次电子信号在5-10nm深处的逸出，吸收电子信号、一次X射线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理信号来自不同的深度和广度。

扫描电镜的分辨率扫描电镜的放大倍数可用表达式

M=AC/ASAC是荧光屏上图像的边长，AS是电子束在样品上的扫描振幅。目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。

扫描电镜的放大倍数扫描电镜的放大倍数扫描电镜的景深景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着能够取得清晰图像的成像景深相机器轴线所测定的物体距离范围。在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做景深。扫描电镜的景深SEM景深很大。它的景深取决于分辨本领和电子束入射半角。扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，可以获得很大的景深，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。由于景深大，扫描电镜图像的立体感强，形态逼真。

SEMgives3DImagesWhy?BecauseSEMhasverylargerangeforDepthofView.扫描电镜的景深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。d0临界分辨本领，电子束的入射角扫描电镜的景深扫描电镜的主要性能与特点放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M总）景深大（F≈d0/β）保真度好样品制备简单放大倍率高从几十放大到几十万倍，连续可调。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择。如果放大倍率为M，人眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则有效放大率M＝0.2106nm5nm=40000（倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率，不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪器放大倍率指标。

分辨率高分辨率指能分辨的两点之间的最小距离。分辨率d可以用贝克公式表示：d=0.61/nsin

，为透镜孔径半角，为照明样品的光波长，n为透镜与样品间介质折射率。对光学显微镜＝70－75，n=1.4。因为nsin1.4，而可见光波长范围为：＝400nm-700nm，所以光学显微镜分辨率d0.5

，显然d200nm。要提高分辨率可以通过减小照明波长来实现。SEM是用电子束照射样品，电子束是一种DeBroglie波，具有波粒二相性，＝12.26/V0.5(伏)，如果V＝20kV时，则＝0.0085nm。目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm-6nm,场发射源SEM分辨率可达到1nm。高分辨率的电子束直径要小，分辨率与子束直径近似相等。景深D大

景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口样品观察需要大景深的SEM。SEM的景深Δf可以用如下公式表示：Δf=

式中D为工作距离，a为物镜光阑孔径，M为放大倍率，d为电子束直径。可以看出，长工作距离、小物镜光阑、低放大倍率能得到大景深图像。多孔SiC陶瓷的二次电子像一般情况下，SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜（OM）大100倍。如10000倍时,TEM:D＝1m，SEM:10m,100倍时，OM:10m，SEM=1000m。保真度好样品通常不需要作任何处理即可以直接进行观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析特别重要。样品制备简单

样品可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光片，对不导电的样品只需蒸镀一层20nm的导电膜。另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM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。返回第一节扫描电镜（SEM）的发展第二节SEM的工作原理第三节SEM形貌和原子序数衬度第四节SEM在材料分析中的应用第五节电子探针显微分析技术及应用本章主要内容第二章扫描电子显微镜所谓衬度，即是像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色差。人眼对于0.02mm以下的亮度差别是很难判定的，对颜色差别则稍微敏感一些。有些显微镜观察对象，如生物标本，其细节间亮度差别甚小，加之显微镜光学系统设计制造误差使其成像衬度进一步降低而难于分辨，此时，看不清物体细节，不是总放大倍率过低，也不是物镜数值孔径太小，而是由于像面衬度太低的缘故。什么是衬度？第三节SEM形貌和原子序数衬度二次电子形貌衬度是由于样品表面形貌差别而形成的衬度，是利用二次电子信号作为调制信号而得到的一种衬度。二次电子像的衬度可以分为以下几类：二次电子形貌衬度第三节SEM形貌和原子序数衬度(1)形貌衬度(2)成分衬度(3)电压衬度右图为形貌衬度原理图2.8二次电子形貌衬度示意图二次电子像衬度的特点：二次电子形貌衬度第三节SEM形貌和原子序数衬度（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反应形貌衬度。思考：什么是最小衬度？（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图二次电子像原子序数衬度是由于样品表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度，是利用背散射电子信号作为调制信号而得到的一种图像衬度，既可以用来进行形貌分析，也可以用于成分分析。前者称背散射电子形貌衬度，后者也称为成分衬度。原子序数衬度第三节SEM形貌和原子序数衬度1、背散射电子背散射电子是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，也称为一次电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指散射角大于90º，被样品中原子核反弹回来的那些入射电子，其能量没有损失(或基本上没有损失)。背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。因此背散射电子不仅可用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，用作成分的定性分析。背散射电子像衬度及特点原子序数衬度第三节SEM形貌和原子序数衬度影响背散射电子产额的因素有：(1)原子序数Z(2)入射电子能量E0

(3)样品倾斜角

背散射系数与原子序数的关系背散射电子像衬度及特点原子序数衬度第三节SEM形貌和原子序数衬度背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为

式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。

背散射电子像

背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z大的部位而形成较亮的区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。背散射电子衬度可以分为以下几类：原子序数衬度第三节SEM形貌和原子序数衬度(1)成分衬度(2)形貌衬度(3)磁衬度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。背散射电子像的衬度特点：（1）分辩率低（2）背散射电子检测效率低，衬度小（3）主要反应原子序数衬度二次电子形貌衬度和原子序数衬度的区别以及其应用有何不同？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：①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。②表面形貌分析③材料变形与断裂动态过程的原位观察原子序数衬度？？？思考第三节SEM形貌和原子序数衬度两种图像的对比锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像第一节扫描电镜（SEM）的发展第二节SEM的工作原理第三节SEM形貌和原子序数衬度第四节SEM在材料分析中的应用第五节电子探针显微分析技术及应用本章主要内容第二章扫描电子显微镜扫描电镜样品制备的流程图样品要求：可以是块状、薄膜或粉末颗粒；保持样品结构和形貌的稳定性，不因取样而改变。表面导电样品大小要适合于样品桩的尺寸样品的高度要控制在扫描电镜要求的范围内。样品的制备样品镀膜方法扫描电镜样品制备技术第四节SEM在材料分析中的应用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。扫描电镜应用实例断口形貌分析纳米材料形貌分析在微电子工业方面的应用

1018号钢在不同温度下的断口形貌断口形貌分析钛酸铋钠粉体的六面体形貌20000×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断口分析典型的功能陶瓷沿晶断口的二次电子像，断裂均沿晶界发生，有晶粒拔出现象，晶粒表面光滑，还可以看到明显的晶界相。（a）芯片导线的表面形貌图，（b）CCD相机的光电二极管剖面图。在微电子工业方面的应用扫描电镜生物样品的制备1.取样和固定2.脱水3.干燥：临界点干燥4.镀膜：离子溅射仪花粉粒第一节扫描电镜（SEM）的发展第二节SEM的工作原理第三节SEM形貌和原子序数衬度第四节SEM在材料分析中的应用第五节电子探针显微分析技术及应用本章主要内容第二章扫描电子显微镜电子探针的应用范围越来越广，特别是材料显微结构－工艺－性能关系的研究，电子探针起了重要作用。电子探针显微分析有以下几个特点：电子探针显微分析第五节电子探针显微分析技术及应用显微结构分析

元素分析范围广定量分析准确度高不损坏试样、分析速度快微区离子迁移研究1.显微结构分析电子探针是利用0.5μm－1μm的高能电子束激发所分析的试样，通过电子与试样的相互作用产生的特征X射线、二次电子、吸收电子、背散射电子及阴极荧光等信息来分析试样的微区内(μm范围内)成份、形貌和化学结合状态等特征。电子探针成分分析的空间分辨率（微区成分分析所能分析的最小区域）是几个立方μm范围，微区分析是它的一个重要特点之一,它能将微区化学成份与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。而一般化学分析、X光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应,不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。2.元素分析范围广电子探针所分析的元素范围一般从硼(B)——铀(Ｕ)，因为电子探针成份分析是利用元素的特征X射线，而氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线，所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li)和铍(Be)虽然能产生X射线，但产生的特征X射线波长太长，通常无法进行检测，少数电子探针用大面间距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相同，分析元素范围从硼(B)——铀(Ｕ)3.定量分析准确度高电子探针是目前微区元素定量分析最准确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到的元素最低浓度)一般为（0.01－0.05）%，不同测量条件和不同元素有不同的检测极限，但由于所分析的体积小，所以检测的绝对感量极限值约为10-14g，主元素定量分析的相对误差为(1—3)%，对原子序数大于11的元素，含量在10%以上的时，其相对误差通常小于2%。4.不损坏试样、分析速度快现在电子探针均与计算机联机，可以连续自动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数据分析，对含10个元素以下的试样定性、定量分析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果用EDS进行定性、定量分析，几分种即可完成。对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以自动聚焦分析。电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证据等的稀有试样分析尤为重要。5.微区离子迁移研究多年来，还用电子探针的入射电子束注入试样来诱发离子迁移，研究了固体中微区离子迁移动力学、离子迁移机理、离子迁移种类、离子迁移的非均匀性及固体电解质离子迁移损坏过程等，已经取得了许多新的结果。电子探针仪的构造和工作原理电子探针仪的构造和扫描电镜相似电子探针仪其实就是我们通常所说的能谱仪电子探针仪的构造和工作原理第五节电子探针显微分析技术及应用1、定性分析的基本原理２、定量分析的基本原理1.定性分析的基本原理

电子探针除了用电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子进行形貌观察外，主要是利用波谱或能谱，测量入射电子与试样相互作用产生的特征X射线波长与强度，从而对试样中元素进行定性、定量分析。式中ν为元素的特征X射线频率，Z为原子序数，K与σ均为常数，C为光速。当σ≈1时，λ与Z的关系式可写成:定性分析的基础是Moseley关系式:

由式可知，组成试样的元素(对应的原子序数Z)与它产生的特征X射线波长(λ)有单值关系，即每一种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对应，它不随入射电子的能量而变化。如果用X射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X射线波长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类，这就是定性分析的基本原理。能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X射线能量不同，即E＝hν，h为普朗克常数，ν为特征X射频率，通过EDS