金屬材料SEM檢測(cè)

掃描電子顯微鏡引言電子與固體試樣的交互作用掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理表面形貌襯度原理與應(yīng)用原子序數(shù)襯度原理與應(yīng)用掃描電鏡的主要特點(diǎn)2023/2/11SEM

掃描電子顯微鏡的簡(jiǎn)稱為掃描電鏡，英文縮寫(xiě)為SEM(ScanningElectronMicroscope)。它是用細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過(guò)電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析?，F(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)行成分分析。所以，SEM也是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學(xué)等領(lǐng)域。

引言2023/2/12SEM電子與固體試樣的交互作用

一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X射線、俄歇過(guò)程和俄歇電子、吸收電子、透射電子等。2023/2/13SEM樣品入射電子

Auger電子

陰極發(fā)光

背散射電子二次電子X(jué)射線透射電子

2023/2/14SEM一、背散射電子背散射電子是被固體樣品中的原于反彈回來(lái)的一部分入射電子。彈性背散射電于是指被樣品中原于核反彈回來(lái)的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量沒(méi)有損失。非彈性背散射電子是入射電子和樣品核外電子撞擊后產(chǎn)生的非彈性散射，不僅方向改變，能量也不同程度的損失。如果逸出樣品表面，就形成非彈性背散射電子?？蛇M(jìn)行微區(qū)成分定性分析2023/2/15SEM二、二次電子二次電子是指在入射電子束作用下被轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的樣品的核外層電子。二次電子的能量較低，一般都不超過(guò)50ev。大多數(shù)二次電子只帶有幾個(gè)電子伏的能量。二次電子一般都是在表層5-10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，它對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。不能進(jìn)行微區(qū)成分分析2023/2/16SEM三、吸收電子入射電子進(jìn)人樣品后，經(jīng)多次非彈性散射能量損失殆盡,最后被樣品吸收。當(dāng)電子束入射一個(gè)多元素的樣品表面時(shí)，則產(chǎn)生背散射電子較多的部位(原子序數(shù)大)其吸收電子的數(shù)量就較少?？蛇M(jìn)行微區(qū)成分定性分析。2023/2/17SEM四、透射電子如果被分析的樣品很薄．那么就會(huì)有一部分入射電子穿過(guò)薄樣品而成為透射電子。它含有能量和入射電子相當(dāng)?shù)膹椥陨⑸潆娮?，還有各種不同能量損失的非彈性散射電子?？蛇M(jìn)行微區(qū)成份定性分析2023/2/18SEM五、特征Ｘ射線當(dāng)樣品原子的內(nèi)層電子被入射電子激發(fā)，原子就會(huì)處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)外層電子將向內(nèi)層躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層電子的空缺，從而使具有特征能量的Ｘ射線釋放出來(lái)。用Ｘ射線探測(cè)器測(cè)到樣品微區(qū)中存在一種特征波長(zhǎng)，就可以判定這個(gè)微區(qū)中存在著相應(yīng)的元素。2023/2/19SEM六、俄歇電子在特征x射線過(guò)程中，如果在原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出來(lái)的能量并不以X射線的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量把空位層內(nèi)的另—個(gè)電子發(fā)射出去，這個(gè)被電離出來(lái)的電子稱為～。俄歇電子能量各有特征值，能量很低，一般為50-1500eV.俄歇電子的平均白由程很小(1nm左右).

只有在距離表面層1nm左右范圍內(nèi)(即幾個(gè)原子層厚度)逸出的俄歇電子才具備特征能量，因此俄歇電子特別適用于表面層的成分分析。2023/2/110SEM掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理框圖掃描電鏡結(jié)構(gòu)

電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集處理、圖像顯示和記錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，三部分組成掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理2023/2/111SEM１、電子光學(xué)系統(tǒng)：

電子槍電磁透鏡（２個(gè)強(qiáng)磁１個(gè)弱磁）可使原來(lái)50μm電子束斑聚焦為6nm。掃描線圈樣品室2023/2/112SEM１、電子光學(xué)系統(tǒng)：樣品室探測(cè)器2023/2/113SEM２、信號(hào)收集處理、圖像顯示和記錄系統(tǒng)二次電子、背散射電子和透射電子的信號(hào)都可采用閃爍計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光信號(hào)通過(guò)光導(dǎo)管送入光電倍增器，光信號(hào)放大，又轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出，電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。因此樣品上各點(diǎn)的狀態(tài)各不相同，所以接收到的信號(hào)也不相同，于是就可以在顯像管上看到一幅反映試樣各點(diǎn)狀態(tài)的掃描電子顯微圖像。2023/2/114SEM３、真空系統(tǒng)是為了保證掃描電子顯微鏡電子光學(xué)系統(tǒng)的正常工作。防止樣品的污染；保持燈絲壽命；避免極間放電等問(wèn)題。真空度一般在1.33×10-2~1.33×10-3Pa，即可滿足要求。2023/2/115SEMLS-780型掃描電鏡外觀2023/2/116SEM表面形貌襯度原理及應(yīng)用二次電子成像原理二次電子形貌襯度應(yīng)用2023/2/117SEM樣品表面和電子束相對(duì)位置與二次電子產(chǎn)額之間的關(guān)系一、二次電子成像原理2023/2/118SEM二次電子的產(chǎn)額δ∝K/cosθK為常數(shù)，θ為入射電子與樣品表面法線之間的夾角。

θ角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明二次電子對(duì)樣品表面狀態(tài)非常敏感。

2023/2/119SEM形貌襯度原理2023/2/120SEM小顆粒尖端側(cè)面凹槽實(shí)際樣品中二次電子的激發(fā)過(guò)程示意圖2023/2/121SEMβ—Al2O3試樣形貌像2200×拋光面二、二次電子形貌襯度應(yīng)用示例2023/2/122SEM斷口分析功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)生，有晶粒拔出現(xiàn)象，晶粒表面光滑，還可以看到明顯的晶界相。2023/2/123SEM鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×粉體形貌觀察PZT粉體的形貌20000×2023/2/124SEM其它2023/2/125SEM

牙釉質(zhì)表面形貌（酸蝕前）

牙釉質(zhì)表面形貌（酸蝕后）

2023/2/126SEM原子序數(shù)襯度原理及應(yīng)用背散射電子成像吸收電子的成像2023/2/127SEM一、背散射電子成像用背散射電子信號(hào)進(jìn)行形貌分析，其分辨率遠(yuǎn)比二次電子低，因?yàn)楸成⑸潆娮邮窃谝粋€(gè)較大的作用體積內(nèi)被入射電子激發(fā)出來(lái)的，成像單元變大是分辨率降低的原因。背散射電子的能量很高，它們以直線軌跡逸出樣品表面，對(duì)于背向檢測(cè)器的樣品表面，因檢測(cè)器無(wú)法收集到背散射電子而變成一片陰影，因此在圖像上顯示出很強(qiáng)的襯度。形貌襯度特點(diǎn)2023/2/128SEM一、背散射電子成像2023/2/129SEM一、背散射電子成像可以將背散射成像與二次電子成像結(jié)合使用，這樣圖像層次(景深)增加，細(xì)節(jié)清楚。帶有凹坑樣品的掃描電鏡照片2023/2/130SEM一、背散射電子成像在原子序數(shù)Z小于40的范圍內(nèi)，背散射電子的產(chǎn)額對(duì)原子序數(shù)十分敏感。原子序數(shù)襯度原理原子序數(shù)對(duì)背散射電子產(chǎn)額的影響2023/2/131SEM一、背散射電子成像因此，在進(jìn)行分析時(shí)，樣品上原子序數(shù)較高的區(qū)域中由于收集到的背散射電子數(shù)量較多，故熒光屏上的圖像較亮。利用原子序數(shù)造成的襯度變化可以對(duì)各種金屬和合金進(jìn)行定性的成分分析。樣品中重元素區(qū)域相對(duì)于圖像上是亮區(qū)，而輕元素區(qū)域則為暗區(qū)原子序數(shù)襯度原理2023/2/132SEM一、背散射電子成像ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000×由于ZrO2相平均原子序數(shù)遠(yuǎn)高于Al2O3相和SiO2

相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來(lái)石混合區(qū)為莫來(lái)石－斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來(lái)石。2023/2/133SEM二、吸收電子成像吸收電子的產(chǎn)額與背散射電子相反，樣品的原子序數(shù)越小，背散射電子越少．吸收電子越多，反之樣品的原子序數(shù)越大，則背散射電子越多，吸收電子越少。因此，吸收電子像的襯度是與背散射電子和二次電子像的襯度互補(bǔ)的。背散射電子圖像上的亮區(qū)在相應(yīng)的吸收電子圖像上必定是暗區(qū)。2023/2/134SEM二、吸收電子成像鐵素體基體球墨鑄鐵拉伸斷口的背散射電子像和吸收電子像背散射電子像，黑色團(tuán)狀物為石墨吸收電子像，白色團(tuán)狀物為石墨2023/2/135SEM掃描電鏡的主要特點(diǎn)分辨率高放大倍率高（M=Ac/As）景深D大（Ds≈2ΔR0/β）保真度好樣品制備簡(jiǎn)單2023/2/136SEM一、分辨率高掃描電子顯微鏡分辨率的高低和檢測(cè)信號(hào)的種類有關(guān)。主要信號(hào)的分辨率如下表：信號(hào)二次電子背散射電子俄歇電子吸收電子特征X射線分辨率nm5~1050~2005~10100~1000100~10002023/2/137SEM

由左圖知，俄歇電子和二次電子因其本身能量較低以及平均自由程很短，只能在樣品的淺層表面內(nèi)逸出，在一段情況下能激發(fā)出俄歇電子的樣品表層厚度約為0.5-2nm，激發(fā)二次電子的層深為5-10nm范圍。入射電子束進(jìn)入淺層表面時(shí)，尚未向橫向擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，因此,俄歇電子和二次電子只能在一個(gè)和入射電子束斑直徑相當(dāng)?shù)膱A住體內(nèi)被激發(fā)出來(lái)。因?yàn)槭咧睆骄褪且粋€(gè)成像檢測(cè)單元(像點(diǎn))的大小，所以這兩種電子的分辨率就相當(dāng)子束斑的直徑。約為5-10nm。電子束的滴狀作用體積示意圖2023/2/138SEM

當(dāng)入射電子束進(jìn)入樣品較深部位時(shí)，橫向擴(kuò)展的范圍變大，從這個(gè)范圍中激發(fā)出來(lái)的背散射電子能量很高，它們可以從樣品的較探部位處彈射出表面，橫向擴(kuò)展后的作用體積大小就是背散射電子的成像單元，從而使它的分辨率大為降低。入射電子束還可以在樣品更深的部位激發(fā)出特征X射線來(lái)。X射線的作用體積變得更大，因此，若用X射線調(diào)制成像，它的分辨率比背散射電子更低。

所謂掃描電子顯微鏡的分辨率，即二次電子像的分辨率。電子束的滴狀作用體積示意圖2023/2/139SEM

不同能量的電子束在樣品中的作用模擬圖2023/2/140SEM

電子束在不同樣品中的作用模擬圖2023/2/141SEM

但是，當(dāng)電子束射入重元素樣品中時(shí)，作用體積不呈滴狀，而是半球狀。電子束進(jìn)入表面后立即向橫向擴(kuò)展，因此在分析重元素時(shí)，即使電子束的束斑很細(xì)小，也不能達(dá)到較高的分辨率。此時(shí)，二次電子的分辨率和背散射電子的分辨宰之間的差距明顯變小。由此可見(jiàn)，在其它條件相同的情況下(如信號(hào)噪音比、磁場(chǎng)條件及機(jī)械振動(dòng)等)，電子束的束斑大小、檢測(cè)信號(hào)的類型以及檢測(cè)部位的原子序數(shù)是影響掃描電子顯微鏡分辨率的三大因素。2023/2/142SEM目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm,場(chǎng)發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm。高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與電子束直徑近似相等。2023/2/143SEM二、放大倍數(shù)高

當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在樣品表面掃描的幅度為As，相應(yīng)地在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度是Ac。則：放大倍數(shù)=Ac/As

。由于顯微鏡的熒光屏尺寸是固定不變，電子束在樣品上掃描一個(gè)任意面積的矩形時(shí)，在陰極射線管上看到的掃描圖像大小都會(huì)和熒光屏尺寸相同。因此我們只要減小鏡筒中電子束的掃描幅度，就可以得到高的放大倍數(shù)，反之，放大倍數(shù)就減小。例如熒光屏的寬度Ac

＝100mm時(shí)，電子束在樣品表面掃描幅度As

=0.005mm(5μm)，放大倍數(shù)為20000倍。2023/2/144SEM

從幾十放大到幾十萬(wàn)倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進(jìn)行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率為0.2mm，儀器分辨率為5nm，則有效放大率M＝0.2106nm5nm=40000（倍）。如果選擇高于40000倍的放大倍率，不會(huì)增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無(wú)實(shí)際意義。二、放大倍數(shù)高2023/2/145SEM景深D大

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(lái)表示。如圖為電子束孔徑角?？梢?jiàn)，電子束孔徑角是控制掃描電子顯微鏡景深的主要因素，它取決于末級(jí)透鏡的光闌直徑和工作距離。角很?。s10-3rad），所以它的景深很大。它比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電子顯微鏡的景深大10倍。

20