扫描电子显微镜及电子探针

纳米材料的形貌分析背散射电子强度与组成样品的原子序数有关，得到原子序数的信息分析释放的X射线，得到更多元素信息2.3扫描电镜形貌分析SEM果蝇一、扫描照片成像原理：能量高度集中的电子扫描材料表面；二次电子强度随着样品表面形貌的变化而不同；测量扫描微区内二次电子的强度随不同位置的变化函数得到微观照片扫描电镜形貌分析优点：高的分辨率。~1nm有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；有很大的景深，视野大，成像富有立体感试样制备简单。配有X射线能谱仪装置，可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析。OpticalMicroscopeSEM二、扫描电镜的工作原理“光栅扫描，逐点成像”。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调制成像。类似电视摄影显像的方式。SEM的样品室附近可以装入多个探测器，例如：SED、BED、GSED、EDS、WDS、EBSD等。目前的扫描电子显微镜可以进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。三、扫描电镜的构造电子光学系统信号收集及显示系统真空系统和电源系统（一）电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，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。电子枪扫描电子显微镜的电子枪有热阴极电子枪和场发射电子枪两种。普通热阴极电子枪产生的电子源直径为20-50μm；六硼化镧热阴极电子枪产生的电子源直径为1-10μm；而场发射电子枪产生的电子源直径可达0.01-0.1μm。六硼化镧灯丝钨灯丝场发射灯丝普通热阴极或六硼化镧阴极电子枪都属于热发射电子枪，而场发射电子枪则属于冷发射电子枪。几种类型电子枪性能比较类型钨灯丝枪(W)六硼化镧灯丝枪(LaB6)冷场发射电子枪工作温度2300℃

1800℃

室温

能量发散度≤2.0eV≤1.5eV

≤0.2eV

亮度

5x105A/cm2sr5x106A/cm2sr2x109A/cm2sr灯丝寿命≤100小时

500–1000小时

≥2年

总束流100μA50μA100nA枪尖激活

每天一次

聚光镜功能是将来自电子的束斑逐级聚光缩小，使原来直径50μm的束斑缩小到几个纳米的细小斑点。扫描电镜一般有三个聚光镜，第一、二聚光镜属强激磁透镜，起汇聚电子束用；第三聚光镜（末级透镜）是弱磁透镜（又称为物镜），具有较长的焦距，目的是使透镜与样品之间留有一定的空间，以便装入各种信号探测器。扫描电镜电子束斑尺寸对分辨本领影响很大。一般束斑尺寸越小，分辨本领越高。偏转系统：作用：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。主要包括：用于形成光栅扫描的扫描系统，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的偏转系统。可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。(a)光栅扫描(b)角光栅扫描样品室

二次电子探头(SED)与一般样品台成15～20°夹角，并施加0～200V偏压；背散射电子探头(BSD)一般安装在极靴帽下方，与样品台平行。（二）信号检测放大系统作用是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。不同的物理信号，要用不同类型的检测系统。它大致可以分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。（三）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10-4-10-5mmHg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。多孔SiC陶瓷的二次电子像四、实验方法(一)扫描电镜的主要性能放大倍率高（M=As/Ac,20~20万倍连续可调）分辨率高（二次电子5-10nm，背散射50-200nm）景深大（比光显大100-500倍，比透射大10倍）保真度好样品制备简单(二)扫描电镜的图像信息二次电子像背射电子像吸收电子像俄歇电子像特征X射线二次电子像二次电子的产生和信息二次电子产额二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，

δ∝K/cosαK为常数，α为入射电子与样品表面法线之间的夹角。α角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。二次电子衬度衬度定义：电子像的明暗程度取决于电子束的强弱，当两个区域中的电子强度不同时将出现图像的明暗差异，叫衬度。衬度类型：形貌衬度、成分衬度、电压衬度、磁衬度衬度特点：立体感强、存在一最小衬度人体红细胞的SEM照片腺体蝴蝶翅膀二次电子像衬度影响因素：与样品倾斜角的关系：一般不超过45°样品成分的差异：原子序数不同会产生衬度样品表面与检测器的位置关系：样品表面尖棱（A）、小粒子（B）、坑穴边缘（C和D）等部位，在电子束作用下将产生高得多的二次电子信号强度，所以在扫描像上这些部位显得异常的亮。在荧光屏或照片上C小刻面的像比A和B都亮，A又比B亮。面对检测器的电子会有更大的亮度背散射电子是被样品原子反射回来的人射电子。实验指出，当人射电子能量在10～40keV范围时，样品背散射系数随元素原子序数Z的增大而增加。背散射电子信号强度随原子序数Z增大而增大，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亮的衬度。ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子成分像，1000×二次电子像与背散射电子像对比：二次电子像分辨率高；景深大；立体感强；反映样品表面形貌。背散射电子像：分辩率低；背散射电子检测效率低，衬度小；主要反应原子序数衬度。锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像b）背散射电子图像二次电子像背散射电子像二次电子+背散射电子拓扑像（白色：Sn；灰色：Al2O3）二次电子像背散射电子像背散射电子探头采集的成分像（a）和形貌像（b）五、扫描电镜在纳米材料分析中的应用案例研究介孔结构纳米薄膜形貌导电高分子阵列光催化剂金属材料和半导