sem工作原理及应用

扫描电子显微镜原理及其在材料学中的应用

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。

引言1665年RobertHooke(罗伯特·虎克)发明了第一台光学显微镜1932年德国科学家Ruska和Knoll制造出第一台电子显微镜1965年英国剑桥仪器公司生产第一台扫描电镜，使用二次电子成像，分辨率达25nm1975年中国科学院北京科学仪器厂成功研制第一台DX-3型扫描电镜，分辨率为10nm,填补我国扫描电镜的空白扫描电镜是一种新型的电子光学仪器。它具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、材料等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。扫描电镜结构原理1.扫描电镜的工作原理及特点

原理图扫描电镜的主要结构电子束会聚系统样品室真空系统电子学系统显示部分扫描电镜成像研究样品的晶体学特性分析特征X射线的波谱和能谱，研究样品的组成元素和组成成分粗糙表面及断口的形貌观察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到几十万倍放大，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。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。扫描电镜的操作步骤1.先打开总电源（依次再开循环水电源、主机电源ON、计算机电源），2.双击SEM图标进入程序，进入sample窗口，单击VENT键放气3.将准备好的样品用导电胶粘贴在样品台上，打开样品仓安放样品，然后关闭仓门4.在sample窗口中单击EVAC键抽真空，进stage窗口，将样品台移动到合适位置（工作距离为10~20之间）5.打开高压（通常选择20KV），选择视场，调焦，适当调节放大倍数和亮度及对比度，开始观察6，如需打能谱，则需打开能谱仪电源，进入INCA程序s1图象显示窗口s2｝X射线谱仪

X射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与试样相互作用产生的X射线波长和强度。谱仪分为二类:波长色散谱仪(WDS)能量色散谱仪(EDS)众所周知，X射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性，因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续的电磁波，那么特征X射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同的特征X射线波长，如果不同X射线入射到晶体上，就会产生衍射，根据Bragg公式：

可以选用已知面间距d的合适晶体分光，只要测出不同特征射线所产生的衍射角2θ，就可以求出其波长λ，再根据公式就可以知道所分析的元素种类，特征X射线的强度是从波谱仪的探测器(正比计数管)测得。根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。波长色散谱仪(WDS)探测器输出的电压脉冲高度，由电子－空穴对的数目N决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出脉冲数—脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，即入射X射线光子数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。能量色散谱仪(EDS)1、原理利用多道脉冲高度分析器把试样所产生的X射线谱按能量的大小顺序排列成特征峰谱，根据每一种特征峰谱所对应的能量鉴定化学元素。2、分析特点

直接用固体检测器对射线能谱进行检测，不需要经过分析晶体的衍射。（1）计数率不因衍射而损失，而且接收角很大，接受率在X射线波长（或能量）范围内近乎100%。（2）可以从试样表面较大区域或粗糙表面上收集从试样上激发的X射线光子。（3）可以同时分析多种元素，分析速度快，适宜做快速定性和定点分析。能谱分析由于不同元素发射出的荧光X射线的能量是不一样的，也就是说特定的元素会发射出波长确定的特征X射线。通过将X射线按能量分开就可以获得不同元素的特征X射线谱，这就是能谱分析的基本原理。在扫描电镜中，主要利用半导体硅探测器来检测特征X射线，通过多道分析器获得X射线能谱图。从中可以对元素的成份进行定性和定量分析。能谱仪的结构X射线能谱仪主要是由电子光学系统（电镜）和检测系统所组成的。能谱仪图片EDAX能谱仪

JEM能谱仪图象分辨率－Resolution通常设置的值小于电子图象分辨率(如256)采集时间－Acquisitiontime通常是直到按“停止键”结束(“UntilStopped”)(否则，需要事先计算需要多少时间采集，以获得足够的统计计数量)处理时间－Processtime通常可以设置小于5，以获得高计数率和好的统计效果，但是自动谱峰标定误差相应会增加INCA软件的参数设置e1e2电子像MgAlSiCrMnCuFee3e4e5e6能谱仪和波谱仪比较能谱仪和波谱仪主要性能的比较电子探针分析的基本原理

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。1.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检测试样中不同能量的特征X射线，即可进行元素的定性分析，EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用WDS和EDS联合分析，这样往往可以得到满意的结果。2.定量分析的基本原理试样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线的强度IA(X射线计数)成正比:CA∝IA，如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中A元素的同名X射线(如Kα线)强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的相对百分含量CA:

式中CA为某A元素的百分含量，K为常数，根据不同的修正方法可用不同的表达式表示，IA和I（A）分别为试样中和标样中A元素的特征X射线强度，同样方法可求出试样中其它元素的百分含量。电子探针的仪器构造电子光学系统X射线谱仪系统试样室电子计算机扫描显示系统真空系统电子探针的主要组成部份为:1.电子光学系统

电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、消像散器和扫描线圈等。其功能是产生一定能量的电子束、足够大的电子束流、尽可能小的电子束直径，产生一个稳定的X射线激发源。（a）电子枪电子枪是由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成。它的主要作用是产生具有一定能量的细聚焦电子束(探针)。从加热的钨灯丝发射电子，由栅极聚焦和阳极加速后，形成一个10μm～100μm交叉点（Crossover)，再经过二级会聚透镜和物镜的聚焦作用，在试样表面形成一个小于1μm的电子探针。电子束直径和束流随电子枪的加速电压而改变，加速电压可变范围一般为1kV～30kV。（b）电磁透镜电磁透镜分会聚透镜和物镜，靠近电子枪的透镜称会聚透镜，会聚透镜一般分两级，是把电子枪形成的10μm－100μm的交叉点缩小1－100倍后，进入试样上方的物镜，物镜可将电子束再缩小并聚焦到试样上。为了挡掉大散射角的杂散电子，使入射到试样的电子束直径尽可能小，会聚透镜和物镜下方都有光阑。3.试样室用于安装、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1μm，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。试样室可以安装各种探测器，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。4.电子计算机

5.扫描显示系统

扫描显示系统是将电子束在试样表面和观察图像的荧光屏（CRT）进行同步光栅扫描，把电子束与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子及X射线等信号，经过探测器及信号处理系统后，送到CRT显示图像或照相纪录图像。以前采集图像一般为模拟图像，现在都是数字图像，数字图像可以进行图像处理和图像分析。6.真空系统真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa－0.001Pa，通常用机械泵－油扩散泵抽真空。油扩散泵的残余油蒸汽在电子束的轰击下，会分解成碳的沉积物，影响超轻元素的定量分析结果，特别是对碳的分析影响严重。用液氮冷阱冷却试样附近的冷指，或采用无油的涡轮分子泵抽真空，可以减少试样碳污染。电子探针的试样要求（a）试样尺寸

所分析的试样应为块状或颗粒状，其最大尺寸要根据不同仪器的试样架大小而定。定量分析的试样要均质，厚度通常应大于5μm。例如对JCXA-733电子探针仪，最大试样尺寸为Φ32mm×25mm。EPMA-8705电子探仪所允许的最大试样尺寸为102mm×20mm。由于电子探针是微区分析，定点分析区域是几个立方微米，电子束扫描分析和图像观察区域与放大倍数有关，但最大也不会超过5mm。所以均匀试样没有必要做得很大，有代表性即可。如果试样均匀，在可能的条件下，试样应尽量小，特别对分析不导电试样时，小试样能改善导电性和导热性能。（b）具有较好的电导和热导性能金属材料一般都有较好的导电和导热性能，而硅酸盐材料和其它非金属材料一般电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击下将产生电荷积累，造成电子束不稳定，图像模糊，并经常放电使分析和图像观察无法进行。试样导热性差还会造成电子束轰击点的温度显著升高，往往使试样中某些低熔点组份挥发而影响定量分析准确度。电子束轰击试样时，只有0.5%左右的能量转变成X射线，其余能量大部份转换成热能，热能使试样轰击点温度升高，Castaing用如下公式表示温升△T(K):式中V。(kV)为加速电压，i(μA)为探针电流，d(μm)为电子束直径，k为材料热导率(Wcm-1k-1)。例如，对于典型金属(k=1时)，当V。＝20kV，d＝1μm，i＝1μA时，△T＝96K。对于热导差的典型晶体，k=0.1，典型的有机化合物k=0.002。对于热导差的材料，如K=0.01,V0=30kV，i=0.1μA，d=1μm时,由公式得ΔT=1440K。如果试样表面镀上10nm的铝膜，则ΔT减少到760K。因此,对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层20nm左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加试样表面的导电和导热性能。（c）试样表面光滑平整试样表面必须抛光，在100倍反光显微镜下观察时，能比较容易地找到50μm×50μm无凹坑或擦痕的分析区域。因为X射线是以一定的角度从试样表面射出，如果试样表面凸凹不平，就可能使出射X射线受到不规则的吸收，降低X射线测量强度，下图表明试样表面台阶引起的附加吸收。试样表面台阶引起的附加吸收（d）蒸镀导电膜对不导电的试样，例如陶瓷、玻璃、有机物等，在电子探针的图像观察、成分分析时，会产生放电、电子束漂移、表面热损伤等现象。使分析点无法定位、图像无法法聚焦。大电子束流时，例如6－10A，有些试样电子束轰击点会产生起泡、熔融。为了使试样表面具有导电性，必须在试样表面蒸镀一层金或者碳等导电膜，镀膜后应马上分析，避免表面污染和导电膜脱落。

一般形貌观察时，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，膜厚易控制等优点，可以拍摄到质量好的照片。

成分定性、定量分析，必须蒸镀碳导电膜。碳为超轻元素，对所分析元素的X射线吸收小，对定量分析结果影响小。蒸镀碳只能用真空镀膜仪。镀膜要均匀，厚度控制在20nm左右，为了保证试样与标样镀膜厚度相同，标样和试样应该同时蒸镀。试样制备方法（a）粉体试样粉体可以直接撒在试样座的双面碳导电胶上，用表面平的物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。当颗粒比较大时，例如大于5μm，可以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，进行粗磨、细磨及抛光方法制备。

对于小于5μm小颗粒，严格讲不符合定量分析条件，但实际工作中有时可以采取一些措施得到较好的分析结果。对粉体量少只能用电子探针分析时，要选择粉料堆积较厚的区域，以免激发出试样座成分。为了获得较大区域的平均结果，往往用扫描的方法对一个较大区域进行分析。要得到较好的定量分析结果，最好将粉体用压片机压制成块状，此时标样也应用粉体压制。对细颗粒的粉体分析时，特别是对团聚体粉体形貌观察时，需将粉体用酒精或水在超声波机内分散，再用滴管把均匀混合的粉体滴在试样座上，待液体烘干或自然干燥后，粉体靠表面吸附力即可粘附在试样座上。（b）块状试样

块状试样，特别是测定薄膜厚度、离子迁移深度、背散射电子观察相分布等试样，可以用环氧树脂等镶嵌后，进行研磨和抛光。较大的块状试样也可以直接研磨和抛光，但容易产生倒角，会影响薄膜厚度及离子迁移深度的测定，对尺寸小的试样只能镶嵌后加工。对多孔或较疏松的试样，例如有些烧结材料、腐蚀产物等，需采用真空镶嵌方法。将试样用环氧树脂胶浸泡，在500℃

－600℃时放入低真空容器内抽气，然后在60℃恒温烘箱内烘烤4h，即可获得坚固的块状试样。这可以避免研磨和抛光过程中脱落，同时可以避免抛光物进入试样孔内引起污染。分析方法1.点分析将电子探针固定在试样感兴趣的点上，进行定性或定量分析。该方法用于显微结构的成份分析，例如，对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相及非化学计量材料的组成等研究。下图给出ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体定点成分分析结果，可见析出相(t相)Y2O3

含量低，而基体(c相)Y2O3含量高，这和相图是相符合的。上图为含Ba硫铝酸盐水泥的水化产物照片，下侧的是照片中1、2点的能谱成分分析图谱2.线分析使某聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线（穿越粒子或界面）进行慢扫描。在所要测量的某一元素特征X射线信号的位置上，使电子束沿着指定的路径作直线轨迹扫描，可得到该元素沿该直线的浓度分布曲线。3.面分析电子束在样品表面作光栅扫描时，把X射线谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在接收某一元素特征X射线信号的位置上，此时在荧光屏上便得到对该元素的面的分布图像。图中亮区表示这种元素的含量较高硅酸盐水泥水化28天的SEM图谱及线扫描、面扫描分析X射线成分分析技术在材料科学中的应用扫描电镜结果分析示例β—Al2O3试样高体积密度与低体积密度的形貌像2200×抛光面ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子像。由于ZrO2相平均原子序数远高于Al2O3相和SiO2

相，所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石－斜锆石共析体，基体灰色相为莫来石。材料表面形态（组织）观察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。韧性断口

通过SEM检测韧性断口表面可以显