電鏡材料分析作用

1、掃描電子顯微鏡在材料分析中的應(yīng)用摘要:介紹了掃描電子顯微鏡的工作原理、結(jié)構(gòu)特點及其發(fā)展，闡述了掃描電子顯微鏡在材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：掃描電子；微鏡；材料；應(yīng)用；sems application in material scienceabstract: the principle, structure and development of the scanning electron microscope (sem) are introduced in this thesis. the application of sem in the field of material science

2、is discussed.key words: scanning electron microscope (sem); material; application；s八>刖5:二十世紀60年代以來，出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡(sem)技術(shù),這樣使人類觀 察微小物質(zhì)的能力發(fā)生質(zhì)的飛躍。依靠掃描電了顯微鏡的高分辨率、&好的景深 和簡易的操作方法，掃描電+顯微鏡(sem)迅速成為一種不可缺少的工具，并且 廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和工程實踐屮。近年來，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相繼 開發(fā)了環(huán)境掃描電子妞微鏡(esem)、掃描隧道敁微鏡(sem)、原子力敁微鏡 (aem)等其它一些新的電子顯微技術(shù)。

3、這些技術(shù)的出現(xiàn)，顯示了電子顯微技術(shù)近 年來0身得到了巨大的發(fā)展，尤其是大大擴展了電子顯微技術(shù)的使用范圍和應(yīng)用 領(lǐng)域。在材料科學(xué)中的應(yīng)用使材料科學(xué)研究得到了快速發(fā)展,取得了許多新的研 究成果。1. 掃描電子顯微鏡原理掃描電鏡(scanning electronmicroscope )，簡寫為sem,是一個復(fù)雜的系 統(tǒng)；濃縮了電子光學(xué)技術(shù)真空技術(shù)、精細機械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計算機控制技術(shù)。掃 描電鏡是在加速高壓作用下將電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過多級電磁透鏡匯集成細小 的電子束。在試樣表面進行掃描，激發(fā)出各種信息，通過對這些信息的接收、放大 和顯示成像，以便對試樣表而進行分析。入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生如閣1所

4、 示的信息種類。這些信息的二維強度分介隨試樣表而的特征而變(這些特征宥表面形貌、成分、品體取向、電磁特性等)，是將各種探測器收集到的信息按順序、 成比率地轉(zhuǎn)換成視頻信號，再傳送到同步掃描的顯像管并調(diào)制其亮度,就吋以得 到一個反應(yīng)試樣表面狀況的掃描圖。如果將探測器接收到的信號進行數(shù)字化處理 轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，就可以由計算機做進一步的處理和存儲。掃描電鏡主要是針對 具有高低差較大、粗糙不平的厚塊試樣進行觀察，因而在設(shè)計上突出了景深效果, 一般用來分析斷u以及未經(jīng)人工處理的a然表面。圖1電子束探針照射試樣產(chǎn)生的各種信息掃描電子顯微鏡(sem)屮的各種信號及其功能如表1所示。表1掃描電鏡中主耍信號及其功

5、能收集信號類別功能二次電形貌觀察背散成分分析特征x射線成分分析俄歇電子成分分析掃描電鏡吋做如下觀察:(1) 試樣表面的問凸和形狀；(2) 試樣表而的組成分布；(3) 可測量試樣晶體的晶向及晶格常數(shù)；發(fā)光性樣品的結(jié)構(gòu)缺陷，雜質(zhì)的檢測及生物抗體的研究;(5) 電位分布；(6) 觀察半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)部分的動作狀態(tài)；(7) 強磁性體的磁區(qū)觀察等。傳統(tǒng)掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示18。電子槍v7聚光鏡均描線m »鏡、掃描發(fā)生sf樣品£7i冬i 2傳統(tǒng)掃描電鏡的主休結(jié)構(gòu) 掃描電子顯微鏡有如下七種分類方法：(1) 按照電子槍種類分鎢絲槍、六硼化鑭、場發(fā)射電子槍；(2) 按照樣品室的真空度分

6、高真空模式、低真空模式、環(huán)境模式；(3) 按照真空泵分汕擴散泵、分子泵；(4) 按照a動化程度分a動、手動；(5) 按照操作方式分旋鈕操作、鼠標操作；(6) 按照電器控制系統(tǒng)分模擬控制、數(shù)字控制；(7) 按照圖像敁示系統(tǒng)分模擬敁像、數(shù)字敁像。2. 掃描電鏡的發(fā)展掃描電鏡的設(shè)計思想早在1935年便已提出，1942年在實驗室制成第一臺掃 描電鏡，但因受各種技術(shù)條件的限制，進展一直很慢。1965年,在各項基礎(chǔ)技術(shù) 有了很大進展的前提下才在英國誕生了第一臺實用化的商品儀器。此后，荷蘭、 美w、西徳也相繼研制出各種型號的掃描電鏡，h本二戰(zhàn)后在美國的支持下生產(chǎn) 出掃描電鏡，中岡則在20世紀70年代生產(chǎn)出c

7、j己的掃描電鏡。前期近20年, 掃描電鏡主要是在提高分辨率方面取得了較大進展。80年代末期，各廠家的掃描 電鏡的二次電子像分辨率均已達到4. 5nm。在提高分辨率方面各廠家主要采取了 如下措施：(1)降低透鏡球像差系數(shù)，以獲得小束斑；(2)增強照明源即提高電 子槍亮度（如采用lab6或場發(fā)射電子槍）；（3）提高真空度和檢測系統(tǒng)的接收 效率；（4）盡可能減小外界振動干擾。0前,采用鎢燈絲電子槍掃描電鏡的分辨 率最高可以達到3. onm;釆用場發(fā)射電子槍掃描電鏡的分辨率可達lnm。到20世 紀90年代中期，各廠家乂和繼采用計算機技術(shù)，實現(xiàn)了計算機控制和信息處理。2.1場發(fā)射掃描電鏡采用場發(fā)射電子槍

8、代替普通鎢燈絲電子槍，這項技術(shù)從1968年就已開始應(yīng) 用，這項技術(shù)大大提高了二次電子像分辨率。近幾年來,各廠家采用多級真空系統(tǒng) （機械泵+分子泵+離子泵），提高y真空度，真空度可達107 pa;同吋，采用 磁懸浮技術(shù)，噪音振動大為降低，燈絲壽命也有增加。場發(fā)射掃描電鏡的特點是 二次電子像分辨率高，可達到1 nm。如果采用低加速電正技術(shù)，在tv狀態(tài)下背 散射電子（bse）成像良好，對于未噴涂非導(dǎo)電樣品也可得到高倍像。所以,場發(fā)射 掃描電鏡將對半導(dǎo)體器件、精密陶瓷材料、氧化物材料等的發(fā)展起到很人的作用 9。2.2環(huán)境掃描電鏡（esem）低真空掃描電鏡樣品室最高低真空壓力為400pa,現(xiàn)在冇廠家使用

9、專利技術(shù)， 使樣品室的低真空壓力達到2600 pa，也就是樣品室可容納分了更多，在這種狀 態(tài)下，可配置水瓶a樣品室輸送水蒸氣或輸送混合氣體,若跟高溫或低溫樣品臺 聯(lián)合使用則可模擬樣品的周閛環(huán)境,結(jié)合掃描電鏡觀察，可得到環(huán)境條件下試樣 的變化情況。環(huán)掃實現(xiàn)較高的低真空，其核心技術(shù)就是采用兩級壓差光柵和氣體 二次電子探測器，還有一些其它相關(guān)技術(shù)也相繼得到完善。它是使用1個分子泵 和2個機械泵，2個壓差（壓力限制）光柵將主體分成3個抽氣區(qū)，鏡筒處于高真 空，樣品周圍為環(huán)境狀態(tài),樣品室和鏡簡之間存在一個緩沖過渡狀態(tài)。使用吋，高 真空、低真空和環(huán)境3個模式可根據(jù)情況任意選擇，并且在3種情況下都配有二 次

10、電子探測器，都能達到3. 5nm的二次電子圖像分辨率。esem的特點是：（1）非 導(dǎo)電材料不需噴鍍導(dǎo)電膜，可直接觀察，分析簡便迅速，不破壞原始形貌；（2）可 保證樣品在100 %濕度卜'觀察，即可進行含油含水樣品的觀察，能夠觀察液體在 樣品表面的蒸發(fā)和凝結(jié)以及化學(xué)腐蝕行為；（3）可進行樣品熱模擬及力學(xué)模擬的 動態(tài)變化實驗研究1015,也可以研究微注入液體與樣品的相互作用等。因為 這些過程中有大量氣體釋放，只能在環(huán)掃狀態(tài)下進行觀察。環(huán)境掃描電鏡技術(shù)拓展了電子顯微的研究領(lǐng)域。3. 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用3.1材料的組織形貌觀察材料剖而的特征、零件pj部的結(jié)構(gòu)及損傷的形貌，都可以借助掃描

11、電鏡來判 斷和分析。反射式的光學(xué)顯微鏡直接觀察大塊試樣很方便,但其分辨率、放大倍 數(shù)和景深都比較低。而掃描電+顯微鏡的樣品制各簡中可以實現(xiàn)試樣從低倍到 高倍的定位分析，在樣品室屮的試樣不僅可以沿三維空間移動,還能夠根據(jù)觀察 需要進行空問轉(zhuǎn)動，以利于使用者對感興趣的部位進行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析; 掃描電子顯微閣像因真實、清晰，并富有立體感，在金屈斷口（閣4）和顯微組織 三維形1620（如圖3）的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。閹3用sem觀察集成電路芯片的剖而多層結(jié)構(gòu)閣閣4用sem觀察環(huán)鋮樹脂斷口圖3.2鍍層表面形貌分析和深度檢測金屬材料零件在使用過程中不可避免地會遭受環(huán)境的侵蝕，容易發(fā)生腐蝕 現(xiàn)

12、象。為保護母材，成品件，常常需要進行諸如磷化、達克羅等表面防腐處理。 有吋為利于機械加工,在工序之間也進行鍍膜處理。由于鍍膜的表面形貌和深度 對使用性能具有重耍影響，所以常常被作為研究的技術(shù)指標。鍍膜的深度很薄， 由于光學(xué)顯微鏡放人倍數(shù)的局限性，使用金相方法檢測鍍膜的深度和鍍層與母 材的結(jié)合情況比較w難，而掃描電鏡卻可以很容易完成。使用掃描電鏡觀察分析 鍍層表面形貌是方便、易行的最有效的方法，樣品無需制備，只需直接放入樣品 室內(nèi)即可放大觀察。3.3微區(qū)化學(xué)成分分析在樣品的處理過程中，冇吋需要提供包括形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)或位h在內(nèi) 的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進行判斷分析。為此，相繼出現(xiàn)y

13、掃描電 子顯微鏡一電子探針多種分析功能的組合型儀器。掃描電子顯微鏡如配有x射 線能譜（eds）和x射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區(qū)的化學(xué) 成分等信息。材料內(nèi)部的夾雜物等，由于它們的體積細小，因此，無法采用常規(guī) 的化學(xué)方法進行定位鑒定。掃描電鏡可以提供重要的線索和數(shù)據(jù)。工程材料失效 分析常用的電子探針的基木工作方式為：（1）對樣品表面選定微區(qū)作定點的全譜 掃描定性；（2）電子束沿樣品表面選定的直線軌跡作所含元素濃度的線掃描分 析；（3）電子束在樣品表而作而掃描，以特定元素的x射線訊號調(diào)制陰極射線 管熒光屏亮度，給出該元素濃度分布的掃描圖像。一般而言，常用的x射線能譜儀能檢測到的成分

14、含量下限為0. 1 % （質(zhì)量 分數(shù)）?？梢詰?yīng)用在判定合金屮析出相或固溶體的組成、測定金屬及合金屮各種 元素的偏析、研究電鍍等工藝過程形成的異種金屬的結(jié)合狀態(tài)、研究摩擦和磨損 過程屮的金展轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及失效件表而的析出物或腐蝕產(chǎn)物的鑒別等方而。3.4顯微組織及超微尺寸材料的研究鋼鐵材料中諸如回火托氏體、下貝氏體等顯微組織非常細密，用光學(xué)顯微鏡 難以觀察組織的細節(jié)和特征。在進行材料、工試驗吋，如果出現(xiàn)這類組織，可以 將制備好的金和試樣深腐蝕后，在掃描電鏡巾鑒別。下貝氏體與高碳馬氏體組織 在光學(xué)顯微鏡t的形態(tài)均呈針狀，且前者的性能優(yōu)于后者。但由于光學(xué)顯微鏡的 分辨率較低,無法顯示其組織細節(jié)，故不能區(qū)

15、分。電子顯微鏡卻可以通過對針狀 組織細節(jié)的觀察實現(xiàn)對這種相似組織的鑒別。在電子顯微鏡下（sem），可清楚地 觀察到針葉下w氏體是有鐵素體和其內(nèi)呈方向分布的碳化物組成。納米材料是納 米科學(xué)技術(shù)最基本的組成部分?，F(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只 宥幾個納米的“顆?！?。由于納米材料表面上的原子只受到來g內(nèi)部一側(cè)的原子 的作用，十分活潑,所以使用納米金屬顆粒粉作催化劑，可加快化學(xué)反應(yīng)過程。納 米材料的應(yīng)用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點, 但乂具有脆性和難以加工等缺點，納米陶瓷在一定的程度上卻可增加韌性，改善 脆性。復(fù)合納米hl體材料亦是一個重耍的應(yīng)用領(lǐng)域。例如含冇2

16、0%超微鈷顆粒的 金屬陶瓷是火箭噴氣11的耐高溫材料;金屬鋁中含進少量的陶瓷超微顆粒，可制 成重量輕、強度高、韌性2129好、耐熱性強的新型結(jié)構(gòu)材料。納米材料的一 切獨特性能主要源于它的超微尺寸，因此必須首先切確地知道其尺寸，否則對納 米材料的研究及應(yīng)用便失去了基礎(chǔ)。目前該領(lǐng)域的檢測手段和表征方法可以使用 透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡(stm)8、原子力顯微鏡(aem)等技術(shù)， 但高分辨率的掃描電鏡(sem)在納米級別材料的形貌觀察和尺、1檢測方而因其 有簡便、可操作性強的優(yōu)勢，也被大量采用。4. 結(jié)論掃描電子顯微鏡在材料的分析和研究方而應(yīng)用十分廣泛,主要應(yīng)用于材料斷 i i分析、微區(qū)成分分

17、析、各種鍍膜表面形貌分析、m厚測量和顯微組織形貌及納 米材料分析等。隨著材料科學(xué)和高科技的迅速發(fā)展，這樣也迫使檢測技術(shù)水平不 斷提高。前，高溫樣品臺、動態(tài)拉伸臺、能譜儀和掃描電鏡的組合，這樣掃描電 鏡在得到較好的試樣形貌像的前提下，同時得到成分信息和晶體學(xué)的信息，使得 掃描電鏡必將在材料工藝研究和品種幵發(fā)等方而發(fā)揮更大的作用。參考文獻：1 泉美治，小川雅f器分析o r as m. h木：二木化學(xué)同人編集 部，1985,76 - 97.干蜀毅常規(guī)掃描電子敁微鏡的特點與發(fā)展分.2 j.析儀器,2000，(1):34 - 36.3 李占雙景曉燕.近代分析測試技術(shù)m.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版 社,2

18、005, 158 - 192.4 egger md. the development of confocal microscopy j. tins, 1989, (12):5 霍霞.激光共聚焦顯微鏡與光學(xué)顯微鏡之比較jl .激光生物學(xué)報,240 (1) : 76 - 78.石德珂材料科學(xué)基礎(chǔ)北京機械工業(yè)出版6 m社，1999, 178 - 213.7 黃惠忠.表面分析儀器與技術(shù)進展之四掃描針.顯微術(shù)j.國外分析儀器技術(shù)與應(yīng)用，1999,(1): 13 - 16.8 黃惠忠.表®分析儀器和技術(shù)進展2stmej.岡外分析儀器，1996, (3):23 - 26.9 蔣建國.電子顯微技術(shù)的

19、現(xiàn)狀與發(fā)展2stmj.揚州教育學(xué)院學(xué)報，2003,(9) : 14 - 16.10 nagornim, hell sw. 4pi confocalmicroscopy provides2three dimensional images of the microtubule nctwork2with 100 to 150nm resolution j, j, struct. biol.，1998, 1232(5) : 236 - 247.11 brakenhoff g. j. , van der boort htm, van spronsenea, et al. 32dimensional im

20、agingof biological structuresby high resolution confocal scanninglaser microscopy j. scanmicroscope, 1988, (2) : 33 -40.12 wi1 son t, tan jb. three dimensional image reconstruc 2 2tion inconventional and confocal microscopes j.bioimaging, 1993,(l):176 - 184.13 wade mh. fluorescence quantification in

21、 living cellscj. biomed tech. , 1992,87(2) : 43 - 48.14 brakenhoff gj, blom p. , barends p. confocal scanninglightmicroscopy with high aperture immersion lensesj. jmicrosc. , 1979, 117 : 219 -232.15 談育煦.材料研究方法m.北京:機械工業(yè)出版社,2004, 59 - 105.16 booth mj, hell sw. continuous wave excitation twophoton fluo

22、rescence microscopy exempl i f i ed wi th the2647nni arkr laser line j. jmicrosc, 1998, 90 (1) :298 - 304.17陳世樸.金屬電子顯微分析m.北京:機械工業(yè)出版社，1992,131 - 167.18 williams rm, piston dw, webb w, et al. 2 photon2molecular excitation provi des intrinsic 3 dimensional2resolution for laser2based microscopyand micro

23、photo2chemistry j. faseb j，1994，(8): 804 - 813.19 張志琨，崔作林.納米技術(shù)與納米材料m北京：國防工業(yè)出版社，2000, 37 -78.220 c. r. books and b. l. megi 1 l the application of scan2ning electron microscopy to fractographyj. micro2structuralcharacterization, 19 94, (33) : 195 - 243.21 minskym. memoir on inventing the confocal scanningmicroscope j. scanning, 1988, (10) : 128 - 138.22 wilson t, tan jb. three2dimensional image reconstruc2tion in conventional and confocal microscopes j. bioimaging ，1993, (1) :176 - 184.23 williamsix a, quantitative intra