6節(jié)掃描電子顯微分析

1、掃描電子顯微分析與電子探針 第一節(jié) 掃描電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造 一、工作原理 圖10-1 掃描電子顯微鏡原理示意圖 二、構(gòu)造與主要性能 掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、信號(hào)檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等部分組成 1電子光學(xué)系統(tǒng) 組成：電子槍、電磁聚光鏡、光欄、樣品室等；作用：獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)的激發(fā)源。 圖10-2 電子光學(xué)系統(tǒng)示意圖 表10-1 幾種類型電子槍性能比較電子束斑的要求：為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和掃描像分辨率，電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑；束斑的亮度和直徑與電子槍的類型有關(guān)；2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 作用：使電子束產(chǎn)

2、生橫向偏轉(zhuǎn)，包括用于形成光柵狀掃描的掃描系統(tǒng)，以及使樣品上的電子束間斷性消隱或截?cái)嗟钠D(zhuǎn)系統(tǒng)。類型：偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以采用橫向靜電場，也可采用橫向磁場。 3信號(hào)檢測放大系統(tǒng) 作用：收集(探測)樣品在入射電子束作用下產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，并進(jìn)行放大。不同的物理信號(hào)，要用不同類型的收集系統(tǒng)。檢測器：閃爍計(jì)數(shù)器是最常用的一種信號(hào)檢測器，它由閃爍體、光導(dǎo)管、光電倍增管組成。具有低噪聲、寬頻帶(10Hz1MHz)、高增益(106)等特點(diǎn)，可用來檢測二次電子、背散射電子等信號(hào)。 4圖像顯示和記錄系統(tǒng) 作用：將信號(hào)檢測放大系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為能顯示在陰極射線管熒光屏上的圖像，供觀察或記錄。 5電源系統(tǒng) 作用：為

3、掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路組成 6真空系統(tǒng) 作用：確保電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作、防止樣品污染、保證燈絲的工作壽命等。 SEM的主要性能（1）放大倍數(shù) 放大倍數(shù)：陰極射線管電子束在熒光屏上的掃描振幅與入射電子束在樣品表面上的掃描振幅之比，即：M：可從20倍到20萬倍連續(xù)調(diào)節(jié)。 （2）分辨率 分辨率：圖像上兩亮點(diǎn)之間的最小暗間隙寬度除以總的放大倍數(shù)，即為掃描電鏡的極限分辨率；影響掃描電鏡圖像分辨率的因素有很多，但主要因素有： 掃描電子束斑直徑 ； 入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)（作用區(qū)的大小和形狀）；高能電子與材料的相互作用區(qū)的形狀與大小主要取決于樣品的原子序數(shù)

4、，入射的高能電子雖不能改變作用區(qū)的形狀，但卻能影響作用區(qū)的大小。 操作方式及其所用的調(diào)制信號(hào) 由于各種成像操作方式所用的調(diào)制信號(hào)不同，因而得到的圖像的分辨率也不同；如：二次電子成像、背散射電子成像； 信號(hào)噪音比 信號(hào)強(qiáng)度：入射電子的能量和束流；噪音：取決于檢測器和樣品； 雜散磁場環(huán)境磁場的影響； 機(jī)械振動(dòng)將引起束斑漂流等，使分辨率下降。 （3）景深景深是指透鏡對(duì)高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)能力范圍，這個(gè)范圍用一段距離來表示。 SEM（二次電子像）的景深比光學(xué)顯微鏡的大，成像富有立體感。表10-2 掃描電子顯微鏡景深三、樣品制備掃描電于顯微鏡的最大優(yōu)點(diǎn)之一是樣品制備方法簡單，對(duì)金屬和

5、陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘貼在電鏡的樣品座上即可直接進(jìn)行觀察。 為防止假象的存在，在放試祥前應(yīng)先將試祥用丙酮或酒精等進(jìn)行清洗必要時(shí)用超聲波振蕩器振蕩，或進(jìn)行表面拋光； 試樣可以是塊狀或粉末顆粒，在真空中能保持穩(wěn)定；表面受到污染的試樣，要在不破壞試樣表面結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行適當(dāng)清洗，然后烘干。新斷開的斷口或斷面，一般不需要進(jìn)行處理，以免破壞斷口或表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。有些試樣的表面、斷口需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那治g，才能暴露某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，則在侵蝕后應(yīng)將表面或斷口清洗干凈，然后烘干。磁性試樣要預(yù)先去磁；試樣大小要適合； 對(duì)試樣的要求對(duì)于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外，

6、基本上不需進(jìn)行什么制備，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，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。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。塊狀試樣、粉末試樣的制備鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺射鍍膜。離子濺射鍍膜與真空鍍膜相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是：（ 1 ）裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，濺射一次只需幾分鐘，而真空鍍膜則要半個(gè)小時(shí)以上。（ 2 ）消耗貴金屬少，每次僅約幾毫克。（ 3 ）對(duì)同一種鍍膜材料，離子濺射鍍膜質(zhì)量好，能形成顆粒更細(xì)、更致密、更均勻、附著力更

7、強(qiáng)的膜。 鍍膜ZnO水泥漿體斷口第二節(jié) 電子探針X射線顯微分析（EPMA） EPMA的構(gòu)造與SEM大體相似，只是增加了接收記錄X射線的譜儀。EPMA使用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。 圖10-17 電子探針結(jié)構(gòu)示意圖 一、能譜儀 能譜儀全稱為能量分散譜儀(EDS)目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是Si(Li)檢測器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測器，它實(shí)際上是一個(gè)以Li為施主雜質(zhì)的n-i-p型二極管圖10-18 Si(Li)檢測器探頭結(jié)構(gòu)示意圖 以Si(Li)檢測器為探頭的能譜儀實(shí)際上是一整套復(fù)雜的電子學(xué)裝置。圖10-19 Si(Li)X射線能譜儀 Si(Li)能譜儀的優(yōu)點(diǎn)： (1)

8、分析速度快 能譜儀可以同時(shí)接受和檢測所有不同能量的X射線光子信號(hào)，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na92U，20世紀(jì)80年代后推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測元素的范圍為4Be92U。 (2)靈敏度高 X射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10左右)，無需經(jīng)過晶體衍射，信號(hào)強(qiáng)度幾乎沒有損失，所以靈敏度高。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。 (3)譜線重復(fù)性好由于能譜儀沒有運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位

9、置的重復(fù)性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。能譜儀的缺點(diǎn)： (1)能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探頭直接對(duì)著樣品，所以由背散射電子或X射線所激發(fā)產(chǎn)生的熒光X射線信號(hào)也被同時(shí)檢測到，從而使得Si(Li)檢測器檢測到的特征譜線在強(qiáng)度提高的同時(shí)，背底也相應(yīng)提高，譜線的重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。故儀器分辨不同能量特征X射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。(2)工作條件要求嚴(yán)格。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)，即使是在不工作時(shí)也不能中斷，否則晶體內(nèi)Li的濃度分布狀態(tài)就會(huì)因擴(kuò)散而變化，導(dǎo)致探頭功能下降甚至完全被破壞。 二、波譜儀 波

10、譜儀全稱為波長分散譜儀(WDS)。被激發(fā)的特征X射線照射到連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的分光晶體上實(shí)現(xiàn)分光(色散)，即不同波長的X射線將在各自滿足布拉格方程的2方向上被檢測器接收。 波譜儀的特點(diǎn)：波譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是波長分辨率很高。 如它可將波長十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線清晰地分開。但由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，譜儀對(duì)X射線光源發(fā)射的X射線光量子的收集率也就會(huì)很低，致使X射線信號(hào)的利用率極低。此外，由于經(jīng)過晶體衍射后，強(qiáng)度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用，這是波譜儀的兩個(gè)缺點(diǎn)。 (a)能譜曲線；(b)波譜曲線能譜議和波譜

11、儀的譜線比較電子探針分析的基本工作方式 一是定點(diǎn)分析，即對(duì)樣品表面選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn)行定性或半定量分析，并對(duì)其所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量分析；二是線掃描分析，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進(jìn)行所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性或半定量分析；三是面掃描分析，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元素的X射線的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制陰極射線管熒光屏的亮度，獲得該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的掃描圖像。 下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點(diǎn)成分分析結(jié)果，可見析出相（t相）Y2O3含量低，而基體(c相)Y2O3含量高，這和相圖是相符合的。 ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體的定點(diǎn)分析(圖中數(shù)字為Y2O3mol%) 下圖給出BaF2晶界線掃描分析的例子，圖(a)為BaF2晶界的形貌像和線掃描分析的位置，圖(b)為O和Ba元素沿圖(a)直線位置上的分布，可見在晶界上有O的偏聚。Ba