电镜第二期理论知识培训

扫描电镜

scanningelectronmicroscope，SEM

第二期理论知识培训

2012年11月21日第一页，共37页。培训概况培训内容疑难问题解答2第二页，共37页。培训概况培训时间：

2012年11月21日～30日；培训地点：

湖北工业大学分析测试中心电镜室；培训方式：一、扫描电镜理论知识培训二、扫描电镜操作培训三、能谱理论知识及操作培训四、上机培训3第三页，共37页。理论知识培训内容扫描电镜工作原理扫描电镜构造扫描电镜主要性能指标样品的制备使用技巧及注意问题第四页，共37页。一、扫描电镜工作原理

扫描电镜的成像原理和光学显微镜大不相同，它不用光学透镜来进行放大成像，而是用钨灯丝产生高速电子束击打样品表面激发出各种信号，由激发的信号转化成衬度不同的图像来实现对样品的观察。第五页，共37页。扫描电镜工作原理电子枪发射的电子束经过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、特征X射线等。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。第六页，共37页。主要物理信号↓↓↓高能电子束二次电子背散射电子阴极荧光样品电流透射电子电子束感生电流二次电子探头~10nm(二次电子激发深度)散射电子

特征X射线第七页，共37页。信号收集及显示系统第八页，共37页。SEM中的三种主要信号二次电子：二次电子一般都在表层5-10nm深度范围内发射出来，它对样品的表面形貌十分敏感，因此能非常有效的显示样品表面形貌。背散射电子：来自样品表面几百纳米的深度范围，由于它的产额能随样品原子序数增大而增多，所以可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析，即BSD探头收集信号进行分析。特征X射线：当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X射线释放出来。不同元素的特征X射线也不同，每种特征X射线的波长、能量都各不相同，用来收集特征X射线、并根据测定特征波长来分辨元素的谱仪叫波谱仪（WDS），根据测定特征能量来分辨元素的谱仪叫能谱仪（EDS）。第九页，共37页。各种信号的深度和区域大小第十页，共37页。二次电子像二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，δ∝1/cosθ。因为随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多；其次随θ角的增加，总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多。第十一页，共37页。

Edgeeffect(secondaryelectronemissiondifferingwithsurfacecondition).样品表面凹凸变化大的边缘区域，二次电子散射区域与样品表面接近的面积增大，结果使边缘区域二次电子发射异常地增加。在图像中这些区域特别亮，造成不自然地反差，称为“边缘效应”。这虽然并非由于操作引起地图像缺陷，但可通过适当地操作尽量减少。主要方法是降低加速电压，这可以使边缘效应相对减轻。第十二页，共37页。背散射电子像如果A区的原子序数大于B区的原子序数，则A区相对于图象上是亮区，B区为暗区。AAAABBB

背散射电子的产额与原子序数密切相关在原子序数低于40范围内，原子序数越高，背散射电子产额越大，图象越亮，反之亦然定性成分分析。第十三页，共37页。第十四页，共37页。二、扫描电镜的构造

电子光学系统信号收集图象显示记录系统

真空系统第十五页，共37页。电子光学系统电子枪电磁透镜扫描线圈样品室第十六页，共37页。电子枪ElectronGun•Flament•WehneltCap•Anode第十七页，共37页。电磁透镜

ElectronLenses功能：把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约为50m束斑缩小成一个只有数纳米的细小斑点。第十八页，共37页。三个聚光镜

两个强磁透镜

缩小电子束光斑

一个弱磁透镜（物镜）

具有较长的焦距照射在样品上的电子束直径越小，成像单元尺寸越小，分辨率越高。第十九页，共37页。扫描线圈Scanningcoils扫描线圈作用使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动。扫描方式

光栅扫描（相貌分析）角光栅扫描（电子通道花样分析）

光栅扫描角光栅扫描物镜入射电子束入射电子束第二十页，共37页。样品室Samplechamber

主要功能：

放置样品

安置信号探测器第二十一页，共37页。信号的收集和图象显示系统二次电子和背散射电子进入闪烁体，引起电离离子和自由电子复合形成可见光光信号放大，转换电流信号，视频放大成为调制信号第二十二页，共37页。真空系统Vacuum

保持光学系统正常工作；防止样品污染真空度

1.3310-2---1.3310-3Pa第二十三页，共37页。（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)2三.SEM的主要性能指标第二十四页，共37页。25

（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。

二次电子像的分辨率约为5-10nm，背反射电子像的分辨率约为50-200nm。X射线的深度和广度都远较背反射电子的发射范围大，所以X射线图像的分辨率远低于二次电子像和背反射电子像。第二十五页，共37页。景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10倍。d0临界分辨本领，电子束的入射角（3）景深

第二十六页，共37页。27

扫描电子显微镜景深第二十七页，共37页。四、常规SEI观察样品的制备样品桩导电胶金属样品粉末样品导电膜双面胶带第二十八页，共37页。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。

第二十九页，共37页。一般金属层的厚度在10nm，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。样品制备第三十页，共37页。离子溅射也是常用的表面镀膜方法其溅射原理见图。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。

表面镀膜最常用的方法有真空蒸发和离子溅射两种方法。样品制备第三十一页，共37页。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。样品制备第三十二页，共37页。电镜的使用技巧及注意事项：下面结合我们的实际总结一下电镜的使用技巧及注意事项：1、做电镜图片一般在高倍数下就行调节，调好后直接可以转到低倍数拍摄，无需重新聚焦。在调节的时候一定注意消磁（像散），这样可以解决电镜图片总是一种发虚不清晰的感觉。2、粉末样品的电镜试样的制备。把粉末样品直接粘在导电胶上，用干净的玻璃片压平，用洗耳球吹，吹不掉即可，对于不导电的粉末样品进行表面喷金；对于镶嵌的试样，可以现在表面喷金后用导电胶连接上下两个表面，及可与底座形成回路。3、对于镶嵌的薄片试样或试样未处理干净在表面上有不导电的杂质，在做电镜试验时，应注意电子束尽量短时间内打在样品上，速度尽量快，拍完照片后速度改变电子束位置，防止击打在不导电位置处导致样品放电，损害电镜。第三十三页，共37页。4、不导电的样品检验前须表面喷金处理；5、荷电效应，如果样品不导电（生物样品一般不导电），此时样品会因吸收电子而带负电，就会产生一个静电场干扰入射电子束和二次电子发射，这些会对图像产生严重影响，此称荷电效应。它会对图像产生一系列的影响：

①异常反差。由于荷电效应，二次电子发射受到不规则影响，造成图像一部分异常亮，另一部分变暗。

②图像畸形。由于静电场作用使电子束被不规则地偏转，结果造成图像畸变或出现阶段差。

③图像漂移。由于静电场作用使电子束不规则偏移引起图像的漂移。

④亮点与亮线。带电样品常常发生不规则放电，结果图像中出现不规则的亮点和亮线。

第三十四页，共37页。第三十五页，共37页。通过长期、大量的实验，我们发现减少荷电效应的方法：

①导电法。用金属镀膜、导电染色等方法使样品本身导电，使吸收电子通过样品台流向“地”，从而消除荷电效应。生物样品几乎都采用这种方法，但不是能完全消除。

②降低电压法。把加速电压降低，入射电子数与二次电子发射数相等，就不产生电荷积累，消除荷电效应。通常使用加速电压为1～5kV。但因此会使分辨率下降。

③快速观测法。以尽快的速度观测和拍摄，使荷电效