第八章扫描电子显微镜

第八章扫描电子显微镜第1页，共69页，2023年，2月20日，星期一日本电子JEOLTESCAN第2页，共69页，2023年，2月20日，星期一前 言扫描电子显微镜

(ScanningElectronMicroscope)，是继透射电子显微镜后发展起来的一种电子显微镜。SEM成像原理与TEM和OM不同，它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过对电子与样品相互作用产生的各种信息进行收集、处理，从而获得微观形貌放大像。现代的SEM结合X射线光谱分析仪、电子探针以及其它技术而发展成为分析型扫描电子显微镜，分析精度不断提高、结构不断优化，应用功能不断扩展。目前已广泛应用在冶金矿产、生物医学、材料科学、物理化学等领域。第3页，共69页，2023年，2月20日，星期一前 言SEM的主要特点：⑴仪器分辨本领较高。二次电子像分辨率达到7~10nm。⑵仪器放大倍数变化范围大（从几十倍到几十万倍），且连续可调。⑶图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷断口等）。⑷试样制备简单。只要将块状或粉末状的、导电或不导电的试样不加处理或稍微处理就可以直接放到SEM中观察。比TEM制样简单且图像更接近于试样的真实状态。第4页，共69页，2023年，2月20日，星期一前 言⑸可做综合分析。SEM上装有WDX或EDX后，在观察扫描形貌像的同时可以对微区进行元素分析。装上半导体样品座，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程。第5页，共69页，2023年，2月20日，星期一8.1 电子束与固体样品相互作用

高能电子束与固体样品相互作用如图示。第6页，共69页，2023年，2月20日，星期一8.1 电子束与固体样品相互作用8.1.1背散射电子背散射电子——被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。⑴弹性背散射电子——被样品中原子反射回来的散射角大于90°的那些入射电子，即方向发生改变但能量基本不变。弹性背散射电子的能量为数千eV到数万eV。第7页，共69页，2023年，2月20日，星期一背散射电子BSE⑵非弹性背散射电子——进入固体样品后通过连续散射改变运动方向，最后又从样品表面发射出去的入射电子，不仅有运动方向的改变还有能量的变化。能量范围在数十eV到数千eV。弹性背散射电子数额比非 弹性背散射电子要多。第8页，共69页，2023年，2月20日，星期一背散射电子BSEBSE产生范围在样品表面以下100nm~1μm。其产额随原子序数增加而增加。如图示。当Z↑时，产额η↑。因此，背散射电子可以用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。产额η指一个入射电子产 生能量大于50eV的背散射 电子的几率。即η=IR/I0第9页，共69页，2023年，2月20日，星期一

二次电子SE二次电子——被入射电子轰击出来的核外电子，通常为外层电子。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)。二次电子产额对于样品的表面状态非常敏感，采用二次电子成像时能有效地显示试样表面的微观形貌。第10页，共69页，2023年，2月20日，星期一二次电子一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生很多的二次电子，其中绝大部分来源于价电子。二次电子分辨率很高，一般可达到5nm~10nm，

SEM的分辨率通常就是二次电子分辨率。第11页，共69页，2023年，2月20日，星期一吸收电子8.1.3吸收电子吸收电子——经样品多次非弹性散射，能量损失殆尽，最后被样品吸收的那部分入射电子。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表即可测得对地信号，这就是吸收电子提供的。第12页，共69页，2023年，2月20日，星期一透射电子8.1.4透射电子透射电子——当样品厚度小于电子有效穿透深度时，穿过样品而出的那些入射电子。在样品下方检测到的透射电子包括有能量与入射电子相当的弹性散射电子和各种不同能量损失的非弹性散射电子。有些特征能量损失ΔE的非弹性散射电子与分析区域的成分有关。因此，可以用特征能量损失电子进行微区成分分析——特征能量损失谱（EELS）第13页，共69页，2023年，2月20日，星期一特征X射线8.1.5特征X射线特征X射线——原子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波长的一种电磁波。特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：式中：Z—原子序数；K、σ为常数。原子序数和特征能量之间存在对应关系，利用这种对应关系可以进行成分分析——若用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判断该微区中存在相应元素。第14页，共69页，2023年，2月20日，星期一俄歇电子8.1.6俄歇电子俄歇电子——原子内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中释放出来的能量ΔE使得核外另一个电子电离并逸出样品表面，称为俄歇电子。每种原子都有特定的能级，因此，俄歇电子的能量也具有特征值，一般在50eV~1500eV范围内。俄歇电子来源于样品表面以下几个nm（小于2nm），因此只能进行表面化学成分分析。一个原子中至少要有3个以上电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇电子的最轻元素。第15页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子束与固体样品相互作用电子束在固体材料中的作用体积作用体积的大 小与形状与入 射电子束的加 速电压以及材 料的种类有关。加速电压越高，作用体积越大；原子序数越大，作用体积由“梨形”向半球形转变。第16页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子束与固体相互作用不同信号来自于作用体积内不同部位二次：10nm×10nm

背散射:

1μm×1μm X-ray:

整个作用体积第17页，共69页，2023年，2月20日，星期一8.2 SEM结构和工作原理8.2.1SEM结构SEM由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统及电源系统组成。⒈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。其作用是获得扫描用电子束，作为使样品产生各种信号的激发源。扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径，以获得较高的信号强度和图像分辨率。第18页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统第19页，共69页，2023年，2月20日，星期一ElectronGune-beam电子光学系统第20页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统⑴电子枪——其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。SEM电子枪与TEM相似，只是加速电压比较低。下表为不同电子枪性能比较。类型电子源直径能量分散度/eV总束流/μA真空度/Pa寿命/h发夹形热钨丝LaB6热阴极场发射30μm5～10μm5～10nm310.310050501.33×10－22.66×10-41.33×10-41.33×10-8501001000＞2000第21页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统⑵电磁透镜——其作用是把电子枪的束斑缩小，由原来直径约50μm缩小到数nm的细小束斑。SEM一般有3个聚光镜， 前两个为强磁透镜，用来缩小电子束的束斑直径。第22页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统第三透镜下方放置有样品，为避免磁场对二次电子运动轨迹的干扰，透镜采用上下极靴不同且孔径不对称的特殊结构，下极靴孔径减小可以降低样品表面的磁场强度，也称为物镜。第23页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统⑶扫描线圈——其作用是提供入射电子束在样品表面以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。扫描线圈一般放置在最后两个透镜之间，也有放置在末级透镜的空间内，使电子束在进入末级透镜强磁场之前就发生偏转。SEM采用双偏转线圈以保证方向一致的电子束都能通过透镜中心射到样品表面上，当电子束进入上偏转线圈（x方向—行扫）时发生第一次折射，然后在进入下偏转线圈（y方向—帧扫）发生第二次折射。第24页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统在电子束偏转同时进行逐行扫描，电子束在偏转线圈的作用下扫描出一个长方形，相应地在样品上画出一帧比例图像。如果扫描电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，称为角光栅式扫描或摇摆扫描。第25页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统扫描线圈工作原理示意图第26页，共69页，2023年，2月20日，星期一电子光学系统4）样品室可放置φ20×10mm块状样品，近年来还开发了可放置φ125mm以上的大样品台。样品台可进行x、y、z三个方向的平移和在水平面内旋转或沿水平轴倾斜。样品室还安置各种信号 检测器，信号收集率与 检测器安放的位置有关。 若安置不当可导致收集 不到信号或信号很弱， 从而影响分析精度。第27页，共69页，2023年，2月20日，星期一信号收集和显示系统2、信号收集和显示系统——包括各种信号检测器、前置放大器和显示器。用以检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，再经视频放大后作为显像系统的调制信号，在荧光屏上得到反映样品 表面特征的扫描 放大像。不同检测器探头安放 的位置不同。EDS探头二次（背散射）探头第28页，共69页，2023年，2月20日，星期一信号收集和显示系统由于镜筒中的电子束和显像管电子束是同步扫描，荧光屏亮度是根据样品上被激发的信号强度来调制的，而信号强度又随样品表面形貌特征的不同而变化，从而信号检测器系统输出的反映样品表面形貌状态的调制信号在图像显示和记录系统中转换为一幅与样品表面特征一致的放大像。第29页，共69页，2023年，2月20日，星期一真空系统和电源系统3、真空系统和电源系统真空系统——为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高真空度。一般，要求保持10－2～10－3Pa。电源系统——由稳压、稳流及相应安全保护电路组成，提供扫描电镜各部分所需电源。第30页，共69页，2023年，2月20日，星期一beame-PPDetectorAmplifier10cmc-lengthofCRTscanx-lengthofe-beamscanSEM工作原理——逐点成像第31页，共69页，2023年，2月20日，星期一SEM主要性能8.2.3SEM主要性能⒈放大倍数若电子束在样品表面扫描振幅为As，在荧光屏上阴极射线管同步扫描幅度为Ac，则SEM放大倍数为由于SEM荧光屏尺寸固定不变，因此放大倍数的改变是通过改变电子束在样品表面的扫描振幅实现。通常，Ac＝100mm，若As＝5mm，则M＝20； 若减小扫描线圈电流使As=0.05mm，则M=2000目前SEM放大倍数可以从20倍连续调节到20万倍。第32页，共69页，2023年，2月20日，星期一放大倍数beame-PDetectorAmplifier10cmM=AC/ASASACP第33页，共69页，2023年，2月20日，星期一放大倍数球形石墨颗粒的SEM像第34页，共69页，2023年，2月20日，星期一分辨率⒉分辨率对微区成分分析而言，分辨率指能分析的最小区域；对成像而言，指能分辨的两点之间的最小距离。⑴影响因素①束斑直径束斑直径越小，可能的分辨率越高，但分辨率不直接等于入射电子束直径。第35页，共69页，2023年，2月20日，星期一分辨率②调制成像信号——不同信号源自作用体积内不同区域，成像单元的体积大小不同，分辨率各不相同a、俄歇电子和二次电子——来源于样品浅表层（俄歇电子:0.5~2nm，二次电子：5~10nm），入射电子束尚未发生明显横向扩展，可以认为俄歇电子和二次电子主要来源于直径与束斑直径相当的圆柱体内。由于束斑直径就是一个成像检测单元，因此，这种信号的分辨率相当于束斑直径。通常，SEM分辨率即指二次电子分辨率，约5~10nm。第36页，共69页，2023年，2月20日，星期一分辨率b、背散射电子——来源于样品较深部位，此时入射电子束已经发生明显横向扩展。因此，背散射电子像的分辨率比二次电子低，约50～200nm。c、X射线——来源的深度和广度比背散射更大，成像分辨率更低。③其它因素a、原子序数——Z越大，电子束横向扩展越明显，分辨率下降。第37页，共69页，2023年，2月20日，星期一SEM分辨率第38页，共69页，2023年，2月20日，星期一分辨率b、噪声干扰、磁场和机械振动等也会降低成像质量，使分辨率下降。SEM分辨率可通过测定图像中两颗粒或区域间最小距离来确定，即最小距离/放大倍数＝分辨率。目前，SEM的分辨率可以达到1nm。上述分辨率为SEM极限分辨率，是在SEM处于最佳工作状态下的性能，通常情况下很难达到。信号二次电子俄歇电子背散射电子吸收电子特征X射线分辨率/nm5～105～1050～200100～1000100～1000第39页，共69页，2023年，2月20日，星期一景深3、景深透镜对高低不平的试样各部位同时聚焦成像的能力范围，用一段距离表示。如图示，SEM束斑最小截面圆（P点）经过透镜聚焦后成像于A点，试样即放大成像于A点所处像平面内。景深即试样沿透镜轴在A点前后移动仍然聚焦的一段最大距离。设1点和2点是在保持图像清晰的前提下，试样表 面移动的两 个极限位置， 其间距离即 景深Ds。第40页，共69页，2023年，2月20日，星期一景深实际上电子束在1点和2点得到的是一个以ΔR0为半径的漫散圆斑，即SEM的分辨率——表示样品表面上两间距为ΔR0的点刚能被SEM鉴别。由此可见，只要样品表面高低起伏（如断口试样）范围不超过Ds，在荧光屏上都能成清晰的像。第41页，共69页，2023年，2月20日，星期一景 深β是控制SEM景深的主要因素，它取决于末级透镜的光阑直径和工作距离。一般，SEM的末级透镜焦距很长，β很小，因此Ds很大，比一般OM大100～500倍，比TEM大10倍。由于Ds很大，SEM图像的立体感强，形态逼真。用SEM观察断口试样具有其它分析仪器无法比拟的优点。第42页，共69页，2023年，2月20日，星期一样品制备8.2.4样品制备SEM制样简单：①金属、陶瓷等块状样品，只需切割成合适尺寸粘在样品座上即可。②颗粒及细丝状样品，先在一干净金属片上涂抹导电涂料，然后将粉末样品贴在上面，或将粉末包埋入树脂材料中固化，若样品不导电，需喷镀导电层。③非导电材料，如塑料、矿物等，在电子束作用下产生电荷堆积，影响入射电子束形状和二次电子运动轨迹，使图像质量下降，需要喷镀导电层。一般喷镀Au、Ag、C做导电膜，厚度在20nm左右。第43页，共69页，2023年，2月20日，星期一样品制备④断口样品对于实际构件的断口，表面可能存在油污、锈斑、腐蚀产物等。首先需要进行宏观分析，并用AC纸或胶带纸干剥几次，或用丙酮、酒精等有机溶剂清洗去除断口表面油污及附着物。太大的断口试样，应先宏观分析确认能够反映断口特征的部位，再切割下进行SEM观察。第44页，共69页，2023年，2月20日，星期一8.3 表面形貌衬度原理及应用扫描电镜像衬度主要指表面形貌衬度和原子序数衬度。扫描电子像的衬度高低主要取决于试样微区的形貌、原子序数、化学成分、晶体结构或位向等特征的差异。在电子束作用下不同的微区特征产生不同强度的物理信号，使阴极射线管荧光屏上具有不同的亮度，从而获得一定衬度的图像。第45页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度原理及应用8.3.1表面形貌衬度——是由于试样表面形貌差别而形成的衬度。利用对表面形貌变化敏感的物理信号做显像管调制信号，可以得到形貌衬度像，如二次电子像。原理——二次电子强度是试样表面倾角的函数，而试样表面微区形貌差别实际上就是各微区表面相对于入射电子束的倾角不同。电子束在试样表面扫描到任何两点之间的形貌差别表现为信号强度的差别。信号强，荧光屏上显示亮，反之，则显示暗，从而在图像中显示为形貌衬度像。第46页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度原理及应用在SEM中，二次电子检测器一般安放在于入射束轴线垂直的方向上。入射束与试样表面法线夹角θ越大，二次电子产额越多。其原因如下：随θ增大，入射电子在样品表面运动轨迹增长，引起价电子电离机会增多，产生的SE增多。随θ增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，产生的二次电子离开表面机会增多，SE产额增多。第47页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度原理及应用样品表面微观凸凹不平决定了入射电子束不同入射角θ，从而导致不同表面特征处SE产额不同，检测到的信号强度不同，最终在显像管上显示不同衬度。样品上3个小刻面A、B、C，其中θC＞θA＞θB，在入射电子束作用下相应的SE产额isC＞

isA＞isB，因此，在荧光屏上C处最亮，A次之，B处最暗。第48页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度原理及应用实际的样品表面由许多小刻面、尖棱、沟槽、曲面、小颗粒等组成。在尖棱、小颗粒、坑穴边缘部位，SE产额比其它平面（或平缓曲面）处高很多，在扫描像上显 示很亮；在沟槽内壁

SE产额虽然很高，但 真正被检测到的SE很 少，因此图像上相应 很暗。亮暗第49页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用8.3.2表面形貌衬度的应用1、材料表面形态观察第50页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用2、断口形貌观察断口按断裂性质可分为脆性断口、韧性断口、疲劳断口及环境因素断口等。钢的晶间断裂第51页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用钢的韧性断口（韧窝）第52页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用解理断口（脆性断口）第53页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用准解理断口第54页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用3、磨损表面形貌观察金属滑动磨损表面形貌第55页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用金属磨粒磨损表面形貌第56页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用4、纳米结构材料形态观察α－Si3N4纳米线第57页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用SnO2纳米带第58页，共69页，2023年，2月20日，星期一表面形貌衬度的应用ZnO纳米阵列第59页，共69页，2023年，2月20日，星期一SEM照片SiC纳米花第60页，共69页，2023年，2月20日，星期一SEM照片第61页，共69页，2023年，2月20日，星期一SEM照片第62页，共69页，2023年，2月20日，星期一8.4 原子序数衬度原理及应用8.4原子序数衬度原理及应用原子序数衬度——由于样品表面物质原子序数或化学成分差异而形成的衬度。利用对样品表面原子序数变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到原子序数衬度像，如BSE像、吸收电子像和特征X射线像。以BSE为例说明原子序数衬度形成的原理。SEM图像的衬度是一种信号衬度，定义如下：式中：C—信号强度；i1、i2—样品表面上任意两点检测的信号强度。第63页，共69页，2023年，2月20日，星期一原子序数衬度原理及应用若样品表面由单一元素构成，电子束在扫描时各点产生的信号强度一致，即i1＝i2

，则C=0，不存在衬度。第64页，共69页，2023年，2月20日，星期一原子序数衬度原理及应用当样品由原子序数为Z1、Z2（Z2＞Z1

）的纯元素区域