第8章电子显微分析

第8章扫描电子显微分析8.1扫描电镜的工作原理、和性能构造

扫描电子显微镜的主要结构1：SEM的主要结构包括电子光学系统、信号的收集和图像显示系统、真空系统三部分。2：扫描电镜重要指标是分辨率，是由特定样品在特定工作状态，特定环境下拍摄的图像上两点之间的最小间隙的宽度。由于受仪器，工作状态，样品本身性质及环境影响，一般样品在观察中的分辨率达不到这一极限值。8.1.2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。

特征X射线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)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。

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

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。

(a)加偏压前(b)加偏压后

图4.62加偏压前后的二次电子收集情况

扫描电镜的主要性能1.放大倍数2.景深3.分辨率扫描电子显微镜景深8.1.4样品制备1：导电样品扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对金属等导电块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察。为防治假象的存在，在放试样前应先将试样用丙酮或酒精等进行清洗，必要时用超声波振荡器清洗，或进行表面抛光。2：不导电样品对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。

SEM样品制备大致步骤：

1.从大的样品上确定取样部位；

2.根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面；

3.清洗；

4.包埋打磨、刻蚀、喷金处理，JSM7401超高分辨场发射扫描电镜

——可直接观察不导电样品（不需镀金）主要功能及应用范围：1、可对各种有机、无机、纳米材料进行微观形态研究，获得其表面形貌对于不导电样品可以直接观察，不需要镀金2、用于晶体材料的取向信息与结构信息分析3、含图像处理软件，可以直接从图像中获得粒径统计信息4、图像可以伪彩处理8.1.3扫描电镜在材料研究中的应用1.表面形貌衬度及其应用1）.断口分析2).金相组织观察3）.断裂过程动态研究2.原子序数衬度像3.表面成分分析1）波谱仪2）能谱仪1.

样品表面形貌观察（1）烧结体烧结自然表面观察

(a)晶粒细小的正方相(b)晶粒尺寸较大的单相立方相(c)双相混合组织（2）金相表面观察

有棱角的为Al2O3,白色球状物为ZrO22.

断口分析（1）沿晶断口（2）韧窝断口（3）解理断口（4）复合材料断口

2.材料变形与断裂动态过程的原位观察（1）双相钢（2）复合材料人类红细胞疟疾破坏的两个红细胞

电子束轰击样品表面将产生特征X射线，不同的元素有不同的X射线特征波长和能量。通过鉴别其特征波长或特征能量就可以确定所分析的元素。利用特征波长来确定元素的仪器叫做波长色散谱仪WDS（波谱仪），利用特征能量的就称为能量色散谱仪EDS（能谱仪）。

8.3、波谱仪

波谱仪

波谱仪的关键在于怎样实现将未知的特征谱线与已知元素Z联系起来？为此设想有一种晶面间距为d的特定晶体，当不同特征波长λ的X射线照射其上时，如果满足布拉格条件（2dsinθ=λ）将产生衍射。显然，对于任意一个给定的入射角θ仅有一个确定的波长λ满足衍射条件。这样我们可以事先建立一系列θ角与相应元素的对应关系，当某个由电子束激发的X特征射线照射到分光晶体上时，我们可在与入射方向交成2θ角的相应方向上接收到该波长的X射线信号，同时也就测出了对应的化学元素。只要令探测器连续进行2θ角的扫描，即可在整个元素范围内实现连续测量。波谱仪的特点：1：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。2：由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪难以在低束流和低激发强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。能谱仪结构框图8.4、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。Si(Li)检测器探头结构示意图

WT%AT%Al36.7252.25Si5.717.80Cr1.621.20Mn25.2917.62Fe30.6621.08

100.00

Si(Li)能谱仪的优点：

(1)分析速度快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。能谱仪的缺点：

(1)能量分辨率低，峰背比低。(2)工作条件要求严格。(a)能谱曲线；(b)波谱曲线能谱议和波谱仪的谱线比较(3)波谱仪与能谱仪的性能比较检测效率

能谱仪中锂漂移硅探测器对X射线发射源所张的立体角显著大于波谱仪，所以前者可以接受到更多的X射线；其次波谱仪因分光晶体衍射而造成部分X射线强度损失，因此能谱仪的检测效率较高。空间分析能力

能谱仪因检测效率高可在较小的电子束流下工作，使束斑直径减小，空间分析能力提高。目前，在分析电镜中的微束操作方式下能谱仪分析的最小微区已经达到毫微米的数量级，而波谱仪的空间分辨率仅处于微米数量级。能量分辨本领

能谱仪的最佳能量分辨本领为149eV，波谱仪的能量分辨本领为0.5nm，相当于5-10eV，可见波谱仪的分辨本领比能谱仪高一个数量级。分析速度

能谱仪可在同一时间内对分析点内的所有X射线光子的能量进行检测和计数，仅需几分钟时间可得到全谱定性分析结果；而波谱仪只能逐个测定每一元素的特征波长，一次全分析往往需要几个小时。分析元素的范围

波谱仪可以测量铍(Be)-铀(U)之间的所有元素，而能谱仪中Si(Li)检测器的铍窗口吸收超轻元素的X射线，只能分析纳（Na）以上的元素。可靠性

能谱仪结构简单，没有机械传动部分，数据的稳定性和重现性较好。但波谱仪的定量分析误差（1-5%）远小于能谱仪的定量分析误差（2-10%）。样品要求

波谱仪在检测时要求样品表面平整，以满足聚焦条件。能谱仪对样品表面没有特殊要求，适合于粗糙表面的成分分析。根据上述分析，能谱仪和波谱一各有特点，彼此不能取代。近年来，常将二者与扫描电境结合为一体，实质在一台仪器上实现快速地进行材料组织结构成分等资料的分析。8.5电子探针分析方法及微区成分分析技术1.基本原理2.分析方法点、线、面扫描3.分析的最小区域4.电子探针应用

所谓电子探针是指用聚焦很细的电子束照射要检测的样品表面，用X射线分光谱仪测量其产生的特征X射线的波长和强度。由于电子束照射面积很小，因而相应的X射线特征谱线将反映出该微小区域内的元素种类及其含量。显然，如果将电子放大成像与X射线衍射分析结合起来，就能将所测微区的形状和物相分析对应起来(微区成分分析)，这是电子探针的最大优点。

分析原理由莫塞莱定律可知，各种元素的特征X射线都具有各自确定的波长，并满足以下关系：

构造电子探针主要由电子光学系统（镜筒），X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。

EPMA-1600的外观照射电子束SEM图像成分分析X射线检测器X射线分光晶体BSE检测器SE检测器SEBSE

样品

EPMA的主要信息Si片EPMA-1600结构图电子探针分析的基本工作方式

一:是定点分析，即对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进行定性或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量分析；二:是线扫描分析，即电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析；三:是面扫描分析，即电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮