第四章扫描电镜

第四章扫描电镜第1页，共51页，2023年，2月20日，星期四2

第一节

扫描电子显微镜工作原理及构造

一、工作原理SEM原理示意图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。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。第2页，共51页，2023年，2月20日，星期四电子束经三个电磁透镜聚焦后，成直径为几个纳米的电子束。末级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分和晶体取向。在试样附近的探测器把激发出的电子信号接受下来，经信号处理放大系统后，输送到显像管栅极以调制显像管的亮度。由于显像管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的，显像管上各点的亮度是由试样上各点激发出的电子信号强度来调制的，即由试样表面上任一点所收集来的信号强度与显像管屏上相应点亮度之间是一一对应的。因此，试样各点状态不同，显像管各点相应的亮度也必不同，由此得到的像一定是试样状态的反映。

一、工作原理第3页，共51页，2023年，2月20日，星期四SEM原理与TEM的主要区别：1）在SEM中电子束并不像TEM中一样是静态的：在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。2）由于不需要穿过样品，SEM的加速电压远比TEM低；在SEM中加速电压一般在200V到50kV范围内。3）样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。第4页，共51页，2023年，2月20日，星期四5

二、构造与主要性能

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真空系统SEM的构造第5页，共51页，2023年，2月20日，星期四6

电子光学系统示意图由电子抢、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。1.电子光学系统作用：获得扫描电子束。第6页，共51页，2023年，2月20日，星期四7

几种类型电子枪性能比较电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径第7页，共51页，2023年，2月20日，星期四8

2.偏转系统作用：使电子束产生横向偏转。主要包括：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。可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。电子束在样品表面进行的扫描方式(a)光栅扫描(b)角光栅扫描第8页，共51页，2023年，2月20日，星期四9

3．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（探测器）。二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。

闪烁计数器是由闪烁体、光导管、光电倍增管组成。具有低噪声、宽频带(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特点第9页，共51页，2023年，2月20日，星期四10

3．信号检测放大系统

信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。

第10页，共51页，2023年，2月20日，星期四（1）．放大倍数荧光屏上的扫描振幅电子束在样品上的扫描振幅放大倍数与扫描面积的关系：(若荧光屏画面面积为10×10cm2)放大倍数扫描面积10×(1cm)2100×(1mm)21,000×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)24.SEM的主要性能指标第11页，共51页，2023年，2月20日，星期四12

4.SEM的主要性能指标（2）分辨率

：样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙宽度除以放大倍数。

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。

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4.SEM的主要性能指标（2）分辨率

：样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。

如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙宽度除以放大倍数。

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信号噪音比；

④杂散磁场；

⑤机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。

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扫描电子显微镜景深第14页，共51页，2023年，2月20日，星期四15

日立S-4800场发射扫描电子显微镜

主要性能：二次电子像分辨率：1.0nm(15kv)；1.4nm(1kv,减速模式)；2.0nm(1kV)普通模式加速电压：0.5~30kV放大倍率：×20~×800,000束流强度：1pA~2nA物镜光栏：加热自清洁式、四孔、可移动物镜光栏样品室和样品台：移动范围：X：0~50mm；Y：0~5mm；Z：1.5~30mm；T：-5~700旋转R：3600，最大样品尺寸：100mm探测器:高位探头可选择接受二次电子像或背散射像，并混合INCAEnergy350X射线能谱仪技术指标：X-sightSi(Li)探测器(专利)，SuperATW窗口30mm2活区，分辨率优于133eV(MnKα处,计数率为4000cps)，分析元素范围：Be4-U92第15页，共51页，2023年，2月20日，星期四16

第二节

像衬原理与应用

一、像衬原理

像的衬度：像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。

SEM可以用二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线（带EDS或WDS）、俄歇电子（单独的俄歇电子能谱仪）等信号成像。

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1．二次电子像衬度及特点

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)入射电子的能量；(2)材料的原子序数；(3)样品倾斜角。

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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)形貌衬度原理样品倾斜角

入射电子束表面法线样品倾斜角越大二次电子产额越大图像越明亮第18页，共51页，2023年，2月20日，星期四19

二次电子像衬度的特点：

（1）分辨率高（2）景深大，立体感强（3）主要反映形貌衬度。

通常所指的扫描电镜的分辨率，就是指二次电子像的分辨率。

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2．背散射电子像衬度及特点

影响背散射电子产额的因素：

(1)原子序数Z(2)入射电子能量E0

(3)样品倾斜角

背散射电子像衬度：(1)成分衬度

(2)形貌衬度

(3)磁衬度(第二类)与二次电子像比较，其特点：

（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背散射系数与原子序数的关系当观察原子序数衬度时，需将样品磨平、抛光。第20页，共51页，2023年，2月20日，星期四元素像形貌像形貌与元素象的分离第21页，共51页，2023年，2月20日，星期四22

二次电子运动轨迹背散射电子运动轨迹二次电子像的分辨率高、景深大，为什么？第22页，共51页，2023年，2月20日，星期四样品制备一般玻璃材料，纤维材料，高分子材料以及陶瓷材料几乎都是非导电性的物质。在利用扫描电镜进行直接观察时，会产生严重的荷电现象，影响对样品的观察，因此需要在样品表面蒸镀导电性能好的金等导电薄膜层。在样品表面镀金属层不仅可以防止荷电现象，换可以减轻由电子束引起的样品表面损伤；增加二次电子的产率，提高图像的清晰度；并可以掩盖基材信息，只获得表面信息。第23页，共51页，2023年，2月20日，星期四样品制备一般金属层的厚度在10纳米以上，不能太厚。镀层太厚就可能会盖住样品表面的细微，得不到样品表面的真实信息。假如样品镀层太薄，对于样品表面粗糙的样品，不容易获得连续均匀的镀层，容易形成岛状结构，从而掩盖样品的真实表面。第24页，共51页，2023年，2月20日，星期四样品制备表面镀膜最常用的方法有真空蒸发和离子溅射两种方法。其中真空蒸发一般是在10－5～10－7Pa左右的真空中蒸发低熔点的金属。一般经常采用的是蒸镀金属金薄膜，但当要求高放大倍数时，金属膜的厚度应该在10nm以下，一般可以蒸镀Au-Pd（6:4）合金。这样可以避免岛状结构的形成。从经验上看，先蒸发一层很薄的炭，然后再蒸镀金属层可以获得比较好的效果。第25页，共51页，2023年，2月20日，星期四样品制备离子溅射也是常用的表面镀膜方法，其溅射原理见图9。与真空蒸发相比，当金属薄膜的厚度相同时，利用离子溅射法形成的金属膜具有粒子形状小，岛状结构小的特点。第26页，共51页，2023年，2月20日，星期四样品制备对于其它导电性好的样品如金属，合金以及半导体材料，薄膜样品基本不需要进行样品处理，就可以直接观察。只要注意几何尺寸上的要求。但要求样品表面清洁，如果被污染容易产生荷电现象。对于需要进行元素组成分析的样品，一般在表面蒸发轻元素作为导电层如：金属铝和碳薄膜层。对于粉体样品可以直接固定在导电胶带上。第27页，共51页，2023年，2月20日，星期四28

二、应用

样品制备方法简介1.二次电子像（1）颗粒形态、大小、分布观察与分析（2）断口形貌观察

（3）显微组织观察等

2.背散射电子像（1）分析晶界上或晶粒内部不同种类的析出相（2）定性地判定析出物相的类型（3）形貌观察等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）第28页，共51页，2023年，2月20日，星期四29

第29页，共51页，2023年，2月20日，星期四30

第三节

电子探针X射线显微分析（EPMA）

电子探针（ElectronProbeMicroanalysis-EPMA）的主要功能是进行微区成分分析。它是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率分析仪器。原理：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征X射线，分析特征X射线的波长（或能量）可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。其镜筒部分构造和SEM相同，检测部分使用X射线谱仪。电子探针结构示意图第30页，共51页，2023年，2月20日，星期四第31页，共51页，2023年，2月20日，星期四X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为：能量分散谱仪（EDS），简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。波长分散谱仪（WDS），简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。第32页，共51页，2023年，2月20日，星期四33

一、能谱仪

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。Si(Li)检测器探头结构示意图第33页，共51页，2023年，2月20日，星期四在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对→（前置放大器）转换成电流脉冲→（主放大器）转换成电压脉冲→（后进入）多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘I－E图谱。第34页，共51页，2023年，2月20日，星期四35

Si(Li)能谱仪的特点

优点：(1)定性分析速度快

可在几分钟内分析和确定样品中含有的几乎所有元素。

铍窗口：11Na~92U，新型材料窗口：4Be~92U

(2)灵敏度高X射线收集立体角大，空间分辨率高。

(3)谱线重复性好

适合于表面比较粗糙的分析工作。缺点：(1)能量分辨率低，峰背比低。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。(3)定量分析精度不如波谱仪。第35页，共51页，2023年，2月20日，星期四36

二、波谱仪

组成：波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地改变θ，就可以在与X射线入射方向呈2θ的位置上测到不同波长的特征X射线信号。根据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素

第36页，共51页，2023年，2月20日，星期四第37页，共51页，2023年，2月20日，星期四38

波谱仪的特点：优点：（1）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；（2）分析的元素范围宽

4Be~92U；（3）定量比能谱仪准确。缺点：（1）X射线信号的利用率极低；（2）灵敏度低，难以在低束流和低激发强度下使用；（3）分析速度慢，不适合定性分析；第38页，共51页，2023年，2月20日，星期四39

能谱议和波谱仪的谱线比较能谱曲线波谱曲线第39页，共51页，2023年，2月20日，星期四40

三、电子探针分析的基本工作方式

定点分析：将电子束固定在要分析的微区上，用波谱仪分析时，改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的X射线谱线；用能谱仪分析时，几分钟内即可直接从荧光屏（或计算机）上得到微区内全部元素的谱线。镁合金中的析出相CaMgSi的鉴别Spectrum1位置析出相富含Ca、Mg、Si元素第40页，共51页，2023年，2月20日，星期四41

三、电子探针分析的基本工作方式

线扫描分析：将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布情况。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。面扫描分析（X射线成像

）：电子束在样品表面作光栅扫描，将谱仪（波、能）固定在所要测量的某一元素特征X射线信号（波长或能量）的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。改变位置可得到另一元素的浓度分布情况。也是用X射线调制图像的方法。

第41页，共51页，2023年，2月20日，星期四镁合金中的析出相Mg2Si的鉴别Si的元素面分布图，可以清晰地看到Mg2Si所在的位置第42页，共51页，2023年，2月20日，星期四43

ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体的定点分析Y2O3mol%析出相（t相）Y