第十章扫描电子显微分析与电子探针

1第十章扫描电子显微分析与电子探针

2第一节扫描电子显微镜工作原理及构造

一、工作原理

图10-1扫描电子显微镜原理示意图电子枪发射的电子束经过2-3个电磁透镜聚焦

在样品表面按顺序逐行扫描，激发样品产生各种物理信号:二次电子、背散射电子、吸收电子等。信号强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。3二、构造与主要性能扫描电子显微镜由电子光学系统(镜筒)、偏转系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、电源系统和真空系统等部分组成电子光学系统偏转系统信号检测放大系统图像显示和记录系统电源系统真空系统41．电子光学系统由电子枪、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。作用：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。

电子枪电磁聚光镜光栏样品室5表10-1几种类型电子枪性能比较为了获得较高的信号强度和扫描像（尤其是二次电子像）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。6最末级聚光镜因为紧靠样品上方，且在结构设计等方面有一定的特殊性，故也称物镜。是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对电子轨迹的干扰。

样品台有三轴x,y,z移动装置，其中x,y方向的移动用于把样品及标样移至电子束下方，而z方向的移动是为了保证显微镜的聚焦。两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。具有不同孔径的光栏可以提高束流或增大景深，从而改善图像质量。72．偏转系统

作用：使电子束产生横向偏转，包括用于形成光栅状扫描的扫描系统，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的偏转系统。偏转系统可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。8扫描系统可通过双偏转线圈控制，上偏转线圈装在末级聚光镜的物平面位置上。当上、下偏转线圈同时起作用时，电子束在样品表面作光栅扫描，即既有x方向的行扫，又有y方向的帧扫，扫描位移量相等，所以为正方形。当下偏转线圈不起作用、末级聚光镜起着第二次偏转作用时，电子束在样品表面作角光栅扫描。

电子束的消隐和截断是指将射到样品上的电子束变成短脉冲，使其持续时间比重复出现的周期小。这样可将电子束产生的某种微弱信号从稳态信号中分离出来，或者可以测量出短的脉冲电子束照射样品后信号的减弱。93．信号检测放大系统

作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大。不同的物理信号，要用不同类型的收集系统。闪烁计数器是最常用的一种信号检测器，它由闪烁体、光导管、光电倍增管组成。具有低噪声、宽频带(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特点，可用来检测二次电子、背散射电子等信号。104．图像显示和记录系统

作用：将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线管荧光屏上的图像，供观察或记录。

115．电源系统

作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成126．真空系统

作用：确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作寿命等。13SEM的主要性能（1）放大倍数

可从20倍到20万倍连续调节。（2）分辨率影响SEM图像分辨率的主要因素有：①扫描电子束斑直径；②入射电子束在样品中的扩展效应；③操作方式及其所用的调制信号；④信号噪音比；⑤杂散磁场；⑥机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。（3）景深SEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有立体感。14(1)放大倍数

扫描电镜的放大倍数可用表达式

M=AC/AS

AC是荧光屏上图像的边长，AS是电子束在样品上的扫描幅度。目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-200000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。15(2)分辨本领（d/M）

SEM的分辨本领与以下因素有关：1）入射电子束束斑直径由于扫描成像，小于入射电子束束斑的细节不能分辨。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。不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射电子束直径，一般为6-10nm，背散射电子为50-200nm，吸收电子和X射线为100-1000nm。

2）影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁场和机械震动等。16影响因素：束斑直径扩展效应调制信号信号噪声比杂散磁场机械振动引起的束斑漂流17(3)景深

SEM景深很大。它的景深取决于分辨本领d0和电子束入射半角ac。由图可知，扫描电镜的景深F为

因为ac很小，所以上式可写作

18表10-2扫描电子显微镜景深扫描电子显微镜末级透镜采用小孔径角,长焦距,的角很小（约10-3rad），所以它的景深很大。它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电子显微镜的景深大10倍。例如在放大倍数是500倍时，焦深可达1000μm。因而对于复杂而粗糙的样品表面，仍然可得清晰聚焦的图像。并且图像立体感强，易于分析.19第二节像衬原理与应用一、像衬原理

像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。201．二次电子像衬度及特点在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的核外电子叫做二次电子。二次电子信号主要来自样品表层5~10nm深度范围，能量较低(小于50eV)。影响二次电子产额的因素主要有：(1)二次电子能谱特性；(2)入射电子的能量；(3)材料的原子序数；(4)样品倾斜角。

21二次电子像的衬度可以分为以下几类：(1)形貌衬度(2)成分衬度(3)电压衬度(4)磁衬度(第一类)右图为形貌衬度原理22(1)形貌衬度

由于二次电子信号主要来自样品表层5-l0nm深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，适用于显示形貌衬度。入射电子束与试样表面法线间夹角愈大，二次电子产额愈大。2324(2)成分衬度由于部分二次电子是由背散射电子激发的，而背散射电子与原子序数Z关系密切，所以产额也随Z的增加而增大，只是增大的数值不是很大。特别是当入射电子能量小于5KeV时，电子射程已降到100nm，此时背散射电子的影响减少。故二次电子能反映出表面薄膜的成分变化。25(3)电压衬度有些样品表面可能处于不同的电位，如半导体的p-n结、加偏压的集成电路等，这些局部电位将影响二次电子的轨迹和强度，造成样品正偏压处的二次电子好像被拉住不易逸出，图像较暗，而负偏压处的二次电子易被推出，故图像较亮。可用于研究材料和器件的工艺结构等。26(4)磁衬度(第一类)具有一定规律的二次电子还可能会受到样品表面处外延磁场的偏转而形成某种衬度，表现出条纹衬度。铁磁体材料（如钴）中的磁畴、录音（像）磁带的磁场或集成电路上薄膜导线的磁场等都会形成这种外延磁场。27二次电子像衬度的特点：

（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反应形貌衬度。

什么是最小衬度？28（1）立体感强

由于电子检测器上偏压的吸引，低能二次电子的轨迹可以弯曲，因此背对检测器区域所产生的电子有相当一部分可以通过弯曲轨迹到达检测器，这使得检测器的有效收集立体角增大，二次电子信号强度提高，图像立体感增强，并可清晰地反应出样品背对检测器区域的细节。

29（2）最小衬度

荧光屏上的亮度决定于从样品来的信号强度，当样品相邻区域的信号强度差别太小时，人眼就不能加以区别，这就存在一个最小衬度。最小衬度限制着分辨率，同时与样品处的信噪比有关。一般认为：样品处的衬度（即相对强度）必须大于噪声与信号之比的5倍，人眼才能区分这两个区域。同时，当样品衬度很小时，电子束直径将增大，不可能得到高分辨率的像。30ZnO31水泥浆体断口322．背散射电子像衬度及特点

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

图10-6背散射系数与原子序数的关系33(2)入射电子能量E0

当入射电子能量E0=10~100keV时，可近似认为电子产额与Z无关。(3)样品倾斜角当<500时，背散射电子产额不随变化，当由500增大至900时，背散射电子产额增大直至接近于1.34背散射电子衬度有以下几类：

(1)成分衬度(2)形貌衬度(3)磁衬度(第二类)35(1)成分衬度由于被散射电子信号强度随原子序数的变化比二次电子大得多，所以背散射电子有较好的成分衬度。样品表面上平均原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背散射电子像上显示较高的亮度。复杂样品中，元素原子序数相差较大的可提供高衬度信号。36(2)形貌衬度背散射电子的能量较高，离开样品表面后沿直线轨迹运动，检测器只能检测到直接射向检测器的背散射电子，有效收集的立体角较小，信号强度较低，那些背向检测器区域所产生的背散射电子就无法达到检测器，结果在图像上造成阴影，掩盖了部分细节。37(3)磁衬度(第二类)由于背散射电子在样品中的平均自由程较长，外界磁场就有可能会影响两次碰撞之间的轨迹，凡是轨迹弯向表面的电子易于从样品逸出，相反，轨迹背离表面向内部弯曲的电子不易逸出，最终因电子产额不同造成不同的衬度。38背散射电子像的衬度特点：（1）分辨率低（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39二次电子运动轨迹背散射电子运动轨迹图10-7二次电子和背散射电子的运动轨迹40二、应用

1．断口形貌观察2．显微组织观察3．其它应用（背散射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取向测定）41断口形貌观察42断口形貌观察43材料表面形态（组织）观察44磨损表面形貌45纳米结构材料形态46生物样品的形貌47原子序数衬度像48第三节电子探针X射线显微分析（EPMA）

EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。EPMA使用的X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。电子探针X射线显微分析仪是利用一束聚焦到很细且被加速到5~30keV的电子束，轰击用显微镜选定的待分析样品上的某个“点”，利用高能电子与固体物质相互作用时所激发出的特征X射线波长和强度的不同，来确定分析区域中的化学成分。491、分析手段简化，分析时间缩减；2、所需样品少，而且是一种无损分析方法；3、释谱简单且不受元素化合物状态的影响。特点：50图10-17电子探针结构示意图51一、能谱仪

能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS)．目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器，即锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型二极管。图10-18Si(Li)检测器探头结构示意图

52以Si(Li)检测器为探头的能谱仪实际上是一整套复杂的电子学装置。图10-19Si(Li)X射线能谱仪53Si(Li)能谱仪的优点：

(1)分析速度快能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的X射线光子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素，带铍窗口的探测器可探测的元素范围为11Na~92U，20世纪80年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析Be以上的轻元素，探测元素的范围为4Be~92U。(2)灵敏度高

X射线收集立体角大。由于能谱仪中Si(Li)探头可以放在离发射源很近的地方(10㎝左右)，无需经过晶体衍射，信号强度几乎没有损失，所以灵敏度高(可达104cps/nA，入射电子束单位强度所产生的X射线计数率)。此外，能谱仪可在低入射电子束流(10-11A)条件下工作，这有利于提高分析的空间分辨率。(3)谱线重复性好。由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析工作。54能谱仪的缺点：(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能谱仪的探头直接对着样品，所以由背散射电子或X射线所激发产生的荧光X射线信号也被同时检测到，从而使得Si(Li)检测器检测到的特征谱线在强度提高的同时，背底也相应提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特征X射线的能力变差。能谱仪的能量分辨率(130eV)比波谱仪的能量分辨率(5eV)低。(2)工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在液氦冷却的低温状态，即使是在不工作时也不能中断，否则晶体内Li的浓度分布状态就会因扩散而变化，导致探头功能下降甚至完全被破坏。55二、波谱仪

波谱仪全称为波长分散谱仪(WDS)。在电子探针中，X射线是由样品表面以下m数量级的作用体积中激发出来的，如果这个体积中的样品是由多种元素组成，则可激发出各个相应元素的特征X射线。被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散)，即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收。56波谱仪的特点：波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。如它可将波长十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开。但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距离就会变大，它对X射线光源所张的立体角就会很小，因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也就会很低，致使X射线信号的利用率极低。此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪难