掃描電鏡的趨勢(shì)

1、掃描電子顯微鏡 報(bào)告人： 報(bào)告時(shí)間：5月12日 1 報(bào)告內(nèi)容：電子顯微鏡的發(fā)展歷史分類(lèi)構(gòu)造工作原理性能樣品制備主要附件應(yīng)用2一、電子顯微鏡的發(fā)展歷史 半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)電子顯微學(xué)的奮斗目標(biāo)主要是力求觀察更微小的物體結(jié)構(gòu)、更細(xì)小的實(shí)體、甚至單個(gè)原子，并獲得有關(guān)試樣的更多的信息，如標(biāo)征非晶和微晶，成分分布，晶粒形狀和尺寸，晶體的相、晶體的取向、晶界和晶體缺陷等特征，以便對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析及標(biāo)征研究。31923年，法國(guó)科學(xué)家Louis de Broglie發(fā)現(xiàn)，微觀粒子本身除具有粒子特性以外還具有波動(dòng)性。于是人們就想到是不是可以用電子束代替光波來(lái)實(shí)現(xiàn)成像。1932年，德國(guó)柏林工科大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室

2、的M.Knoll和E.Ruska研制成功了第1臺(tái)實(shí)驗(yàn)室電子顯微鏡，這是后來(lái)透射式電子顯微鏡的雛形。1937年，柏林工業(yè)大學(xué)的Klaus和Mill拍出了第1張細(xì)菌和膠體的照片，獲得了25nm的分辨率，從而使電鏡完成了超越光鏡性能的這一豐功偉績(jī)。掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)作為商品出現(xiàn)則較晚，早在1935年，Kn-oll在設(shè)計(jì)透射電鏡的同時(shí)，就提出了掃描電鏡的原理及設(shè)計(jì)思想。1940年英國(guó)劍橋大學(xué)首次試制成功掃描電鏡4二、掃描電子顯微鏡分類(lèi)1.分析掃描電鏡和X射線(xiàn)能譜儀2. X射線(xiàn)波譜儀和電子探針儀3. 場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡和低壓掃描電鏡4. 超大試樣

3、室掃描電鏡5. 環(huán)境掃描電鏡6. 掃描電聲顯微鏡7. 測(cè)長(zhǎng)缺陷檢測(cè)掃描電鏡8. 晶體學(xué)取向成像掃描電子顯微術(shù)9. 計(jì)算機(jī)控制掃描電鏡51、分析掃描電鏡和X射線(xiàn)能譜儀（1）使用最廣的常規(guī)鎢絲陰極掃描電鏡的分辨本領(lǐng)已達(dá)3.5nm左右，加速電壓范圍為0.230kV。掃描電鏡配備X射線(xiàn)能譜儀EDS后發(fā)展成分析掃描電鏡，不僅比X射線(xiàn)波譜儀WDS分析速度快、靈敏度高、也可進(jìn)行定性和無(wú)標(biāo)樣定量分析。6但是，EDS也存在不足之處，如能量分辨率低，一般為129155eV,以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。（2）X射線(xiàn)波譜儀分辨率則高得多，通常為510eV，且可在室溫下工作。 72、X射線(xiàn)波譜儀和

4、電子探針儀 現(xiàn)代SEM大多配置了EDS（X射線(xiàn)能譜儀）探測(cè)器以進(jìn)行成分分析。當(dāng)需低含量、精確定量以及超輕元素分析時(shí)，則可再增加1到4道X射線(xiàn)波譜儀WDS。 83、場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡和低壓掃描電鏡（1）場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡得到了很大的發(fā)展。日立公司推出了冷場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡，Amray公司則生產(chǎn)熱場(chǎng)發(fā)射槍掃描電鏡。9（2）低壓掃描電鏡LVSEM由于可以提高成像的反差，減少甚至消除試樣的充放電現(xiàn)象并減少輻照損傷。 試樣必須浸沒(méi)入物鏡的強(qiáng)磁場(chǎng)中以減少球差的影響，所以尺寸受到限制，最大23mm6mm3mm(厚)。10試樣半浸沒(méi)在物鏡磁場(chǎng)中的場(chǎng)發(fā)射JSM-6340F型可以觀察大試樣，加速電壓15kV時(shí)分辨本領(lǐng)為1

5、.2nm，低壓1kV時(shí)為2.5nm。這兩種SEM由于試樣要處在磁場(chǎng)中，所以不能觀察磁性材料。11冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡124、超大試樣室掃描電鏡 被檢物的最大尺寸可為直徑700mm，高600mm，長(zhǎng)1400mm，最大重量可達(dá)300公斤，真空室長(zhǎng)1400，寬1100和高1200mm。分辨本領(lǐng)4nm，加速電壓0.3kV20kV。是一種新的計(jì)算機(jī)控制、非破壞性的檢查分析測(cè)試裝置?？捎糜诠I(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)，質(zhì)量管理，微機(jī)加工和工藝品的檢查研究等。 135.環(huán)境掃描電子顯微鏡環(huán)境掃描電子顯微鏡的基本工作原理與掃描電子顯微鏡相同,但它克服了后者的諸多不足,觀測(cè)過(guò)程是真正的“環(huán)境”條件。80年代出現(xiàn)的環(huán)境掃描電

6、鏡ESEM，根據(jù)需要試樣可處于壓力12600Pa不同氣氛的高氣壓低真空環(huán)境中，開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。與試樣室內(nèi)為10-3Pa的常規(guī)高真空SEM不同，所以也可稱(chēng)為低真空掃描電鏡LV-SEM1415166、掃描電聲顯微鏡 80年代初問(wèn)世的掃描電聲顯微鏡SEAM，采用了一種新的成像方式：其強(qiáng)度受頻閃調(diào)制的電子束在試樣表面掃描，用壓電傳感器接收試樣熱、彈性微觀性質(zhì)變化的電聲信號(hào)，經(jīng)視頻放大后成像。能對(duì)試樣的亞表面實(shí)現(xiàn)非破壞性的剖面成像。 可應(yīng)用于半導(dǎo)體、金屬和陶瓷材料，電子器件及生物學(xué)等領(lǐng)域。177、測(cè)長(zhǎng)缺陷檢測(cè)掃描電鏡 此電鏡采用了加熱到1800K的ZrO/W陰極肖脫基熱場(chǎng)發(fā)射電子槍?zhuān)哂辛己玫牡图铀?/p>

7、電壓性能：1kV時(shí)分辨本領(lǐng)達(dá)4nm，而且電子束流的穩(wěn)定度優(yōu)于1%/h、可長(zhǎng)期連續(xù)工作，對(duì)直徑為100，125，150，200mm的Si片，每小時(shí)可檢測(cè)100個(gè)缺陷。188、晶體學(xué)取向成像掃描電子顯微術(shù) 另一個(gè)新發(fā)展方向是以背散射電子衍射圖樣(EBSP)為基礎(chǔ)的晶體學(xué)取向成像電子顯微術(shù)(OIM)。在SEM上增加一個(gè)可將試樣傾動(dòng)約70度的裝置，CCD探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，掃描并接收記錄塊狀試樣表面的背散射電子衍射花樣(背散射菊池花樣)，按試樣各部分不同的晶體取向分類(lèi)成像來(lái)獲得有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)的信息，可顯示晶粒組織、晶界和裂紋等，也可用于測(cè)定織構(gòu)和晶體取向?？赏l(fā)展成SEM的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)附件。199、

8、計(jì)算機(jī)控制掃描電鏡 在保持重要功能的同時(shí)，減少了操作的復(fù)雜性。儀器完全由計(jì)算機(jī)軟件控制操作。許多參量(焦距、像散校正和試樣臺(tái)移動(dòng)速度等)和調(diào)節(jié)靈敏度都會(huì)根據(jù)顯微鏡的工作狀態(tài)作自適應(yīng)變化和耦合，可迅速而準(zhǔn)確地改變電鏡的主要參數(shù)。EDS完全與XL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一體化。2021三、掃描電鏡的工作原理22四.掃描電鏡的構(gòu)造1.電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)即鏡筒，由電子槍?zhuān)酃忡R，物鏡和樣品室等部件組成。它的作用是將來(lái)自電子槍的電子束聚集成亮度高，直徑小的入射束（直徑一般為10mm或更?。﹣?lái)轟擊樣品，使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)23在光學(xué)系統(tǒng)中掃描電鏡的最后一個(gè)透鏡的結(jié)構(gòu)有別于透射電鏡，它是采用上下極靴不同孔徑不對(duì)稱(chēng)

9、的磁透鏡，這樣可以大大減小下級(jí)靴的圓孔直徑，從而減少樣品表面的磁場(chǎng)，避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾，不影響對(duì)二次電子的收集242.掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)是掃描電鏡的特殊部件，它由掃描發(fā)生器和掃描線(xiàn)圈組成。它的作用是：（1）使入射電子束在樣品表面掃描，并使陰極射線(xiàn)顯像管電子束在熒光屏上同步掃描。（2）改變?nèi)肷涫跇悠繁砻娴膾呙枵穹?，從而改變掃描像的放大倍?shù)253.信號(hào)收集系統(tǒng)掃描電鏡應(yīng)用的物理信號(hào)可分為：（1）電子信號(hào)，包括二次電子，背散射電子，透射電子和吸收電子。吸收電子可以直接用電流表測(cè)出，其他電子信號(hào)用電子收集器收集。（2）特征X射線(xiàn)信號(hào)，用X射線(xiàn)譜儀檢測(cè)。（3）可見(jiàn)光訊號(hào)，如陰極熒光，用可見(jiàn)光收

10、集器收集。26電子收集器常見(jiàn)的是由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增管組成的部件。其作用是將電子信號(hào)收集起來(lái)，然后成比例地轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，經(jīng)放大后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，這種信號(hào)就作為掃描像的調(diào)制信號(hào)。27（1）收集二次電子時(shí)，為了提高收集有效立體角，常在收集器前端柵網(wǎng)上加上+250V偏壓，使離開(kāi)樣品的二次電子走彎曲軌道，到達(dá)收集器。這樣就提高了收集效率，而且，即使是在非常粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的圖像。28（2）收集背射電子由于能量比較高，離開(kāi)樣品后，受柵網(wǎng)上偏壓的影響比較小，仍沿出射直線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)。收集器只能收集直線(xiàn)沿直線(xiàn)到達(dá)柵網(wǎng)上的那些電子。同時(shí)，為了擋住二次電子進(jìn)入收集

11、器，在柵網(wǎng)上加上-250V的偏壓。29（3）將收集器裝在樣品的下方，就可收集透射電子。304.圖像顯示及記錄系統(tǒng)作用是將信號(hào)收集器輸出的信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換為陰極射線(xiàn)顯像管電子束強(qiáng)度的變化，這樣就在熒光屏上得到一幅與樣品掃描點(diǎn)產(chǎn)生的某一物理訊號(hào)成正比例的亮度變化的掃描像，可用底板或CCD照相的方式記錄下來(lái)。顯示裝置一般有兩個(gè)顯示通道：一個(gè)用來(lái)觀察，另一個(gè)供記錄用。在觀察時(shí)為了便于調(diào)焦采用盡可能快的掃描速度，而拍照時(shí)為了得到高分辨率 的圖像，則采用慢的掃描速度。315.真空掃描和電源系統(tǒng)（1）真空系統(tǒng)由機(jī)械泵，有擴(kuò)散泵以及真空管道和閥門(mén)組成，且均采用自動(dòng)化操作。（2）電源系統(tǒng)由高壓電源，透鏡電源，電

12、子槍電源和真空系統(tǒng)電源組成32五.掃描電子顯微鏡的性能掃描電鏡的主要性能指標(biāo)： 1.放大倍數(shù) 20-80萬(wàn)倍,介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間。其放大倍數(shù)為: M=Ac/As 2.分辨本領(lǐng) 掃描電鏡的分辨本領(lǐng)主要與下面幾個(gè)因素有關(guān)。（1）入射電子束束斑直徑 入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。（2）入射束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng) 影響分辨率本領(lǐng)的因素還有信噪比、雜散電磁場(chǎng)和機(jī)械振動(dòng)等。（3）景深 掃描電鏡以景深大而著名。它的景深取決于分辨本領(lǐng)和電子束入射半角33主要特點(diǎn)： 景深大，圖像呈三維立體效果，能夠提供很多有價(jià)值的信息； 能直接觀察大樣品的原始表面，樣品制作簡(jiǎn)單； 利用X射線(xiàn)能譜儀可在對(duì)樣

13、品進(jìn)行形貌觀察的同時(shí)，對(duì)觀察到的某區(qū)域或某點(diǎn)進(jìn)行成分分析。 34主要功能： 二次電子形貌（SEI）：對(duì)試樣進(jìn)行表面形貌觀察分析； 元素的定性分析（EDX）：結(jié)合X射線(xiàn)能譜儀對(duì)試樣表面某區(qū)域或某點(diǎn)進(jìn)行成分定性和定量分析； 35掃描電子顯微鏡的局限性主要局限性是為將電子束的散射降到最低,整個(gè)掃描電子顯微鏡的通道需處于真空狀態(tài),因此要求掃描電子顯微鏡試樣必須適于這種觀測(cè)環(huán)境。試樣中不能含有揮發(fā)性物質(zhì),因此要觀察含水試樣時(shí),必須在觀測(cè)前對(duì)試樣處理,進(jìn)行烘干、復(fù)制或冷凍,這會(huì)在一定程度上導(dǎo)致試樣原來(lái)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,使觀察失真。36另外,掃描電子顯微鏡的成像原理要求在測(cè)試時(shí),試樣表面要保持恒定的電勢(shì),但是

14、由于樣品室的高真空狀態(tài),使得不導(dǎo)電的試樣由于受到轟擊而產(chǎn)生的電荷無(wú)法散逸,造成表面電荷集聚。因此,在不導(dǎo)電的試樣測(cè)試前,必須在試樣表面噴涂一層導(dǎo)電材料,通常是噴金屬,這就帶來(lái)了許多問(wèn)題: (1) 由于涂層的存在,會(huì)遮蓋試樣表面的細(xì)微結(jié)構(gòu),如試樣密度,結(jié)晶的取向等; (2) 由于涂層的厚薄不易控制,水平和垂直面上會(huì)出現(xiàn)差異,對(duì)測(cè)試的結(jié)果將產(chǎn)生影響; (3) 當(dāng)對(duì)試樣的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測(cè)試時(shí),涂層的存在會(huì)造成試驗(yàn)誤差的增加。對(duì)于非常細(xì)小的纖維結(jié)構(gòu)和細(xì)微顆粒進(jìn)行觀測(cè)時(shí),這些影響會(huì)更加明顯。37影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素1.電子槍電磁透鏡以及樣品室的潔凈度等，避免灰塵、水汽、油氣等污染。2.調(diào)節(jié)加速電壓

15、、工作電流以及儀器調(diào)整、樣品處理、真空度3.環(huán)境因素：振動(dòng)，磁場(chǎng)、噪聲、接地等38六.掃描電子顯微鏡樣品制備1.制備要求 材料的組織形貌觀察掃描電鏡樣品的制備，必須滿(mǎn)足以下要求：保持完好的組織和細(xì)胞形態(tài)；充分暴露欲觀察的部位；良好的導(dǎo)電性和較高的二次電子產(chǎn)額；保持充分干燥的狀態(tài)。392.樣品類(lèi)型 塊狀：用于普通微結(jié)構(gòu)研究平面：用于薄膜和表面附近微結(jié)構(gòu)研究橫截面樣品：均勻薄膜和界面的微結(jié)構(gòu)研究小塊物體：粉末，纖維，納米量級(jí)的材料402.1塊狀試樣制備 塊狀試樣掃描電鏡的試樣制備是比較簡(jiǎn)便的。對(duì)于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外，基本上不需要進(jìn)行什么制備，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，

16、即可放在掃描電鏡中觀察。對(duì)于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的材料，要先進(jìn)行鍍膜處理，在材料表面形成一層導(dǎo)電膜。 412.2粉末試樣的制備 先將導(dǎo)電膠或雙面膠紙粘結(jié)在樣品座上，再均勻地把粉末樣撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再鍍上一層導(dǎo)電膜，即可上電鏡觀察1.粉碎研磨 研磨后的粉末放在無(wú)水乙醇溶液里，用超聲波震蕩均勻后滴在微柵上，干燥后進(jìn)行透射電鏡觀察。 2.樹(shù)脂包埋 理想的包埋劑應(yīng)具有：高強(qiáng)度，高溫穩(wěn)定性，與多種溶劑和化學(xué)藥品不起反應(yīng)，如丙酮等，常用的幾種包埋劑：G-1，G-2，610，812E 422.3化學(xué)方法制備樣品 其程序通常是：清洗化學(xué)固定干燥噴鍍金屬。 2.4冷凍方法制備樣品 低溫掃

17、描電子顯微術(shù)是80年代迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的方法。它包括生物樣品的冷凍固定、冷凍干燥、冷凍割斷和冷凍含水樣品的掃描電子顯微術(shù)等。 433.導(dǎo)電處理： 因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物樣品的表面電阻很高，二次電子的發(fā)射率很低，信號(hào)弱，難以獲得必要的圖像反差。因此，物樣品和非導(dǎo)電的樣品在掃描電鏡觀察前，均需進(jìn)行表面導(dǎo)電處理。常用的導(dǎo)電處理方法有金屬?lài)婂兎ê蛯?dǎo)電染色法。其中金屬鍍膜法又有真空鍍膜及離子濺射鍍膜法等方法。 443. 1金屬?lài)婂兎?將干燥后的樣品用導(dǎo)電膠粘在樣品臺(tái)上，放入真空噴鍍儀內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴約15nm厚的碳和金，隨后進(jìn)行電鏡觀察。 離子濺射鍍膜 原理是：在低氣壓系統(tǒng)中，氣體分子在相隔一定距離的陽(yáng)極和陰極之間的

18、強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離成正離子和電子，正離子飛向陰極，電子飛向陽(yáng)極，二電極間形成輝光放電，在輝光放電過(guò)程中，具有一定動(dòng)量的正離子撞擊陰極，使陰極表面的原子被逐出，稱(chēng)為濺射，如果陰極表面為用來(lái)鍍膜的材料（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽(yáng)極的樣品臺(tái)上，則被正離子轟擊而濺射出來(lái)的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度的鍍膜層。453.2導(dǎo)電染色法 用金屬鹽類(lèi)化合物與生物體的蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、糖類(lèi)等結(jié)合，使表面離子化，或游離出金屬分子鑲嵌于生物分子間，從而使樣品表面電阻值降低，消除充電放電效應(yīng)，同時(shí)在一定程度上起硬化組織的固定作用。 464.金屬粉末及陶瓷樣品的制備4.1 金屬粉末 金屬粉末的粒度、形貌、粒度分布、

19、外表的微觀組織、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等粉末特性是重要物理性能。 4.1.1直接撒粉法 將粉末直接撒在清潔光亮的樣品臺(tái)上,滴一滴0.5%火棉膠醋酸戊脂溶液于試樣邊沿,火棉膠液立即浸潤(rùn)粉末,再把試樣臺(tái)水平輕輕晃動(dòng)幾下,使試樣分布平整、均勻,并用電熱風(fēng)吹干,粉末固定在樣品臺(tái)上即可放入電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察,其優(yōu)點(diǎn):制樣方法簡(jiǎn)單,但均勻性差,適應(yīng)于一般要求的粗顆粒樣品的觀察。 474.1.2導(dǎo)電膠粘結(jié)法 對(duì)于150500的粉末可采用一薄層導(dǎo)電膠將粉末粘在已拋光的銅樣品臺(tái)上,其基本做法是先在樣品臺(tái)上均勻涂上一層導(dǎo)電膠(Ag膠、石墨孔膠等),然后將粉末撒在上面,把試樣臺(tái)面朝下使不與膠層接觸的粉粒脫落,這樣,在表面留下被導(dǎo)電膠粘結(jié)的均勻一層。 484.1.3溶液均勻法 將粉末顆粒放在酒精或乙醚等清潔且又不與