第二章掃描電子顯微鏡

現(xiàn)代材料分析測(cè)試技術(shù)河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第一節(jié)掃描電鏡（SEM）的發(fā)展第二節(jié)SEM的工作原理第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用本章主要內(nèi)容第二章掃描電子顯微鏡

材料是社會(huì)發(fā)展的基石和支柱新材料是科技發(fā)展的先導(dǎo)材料研發(fā)和應(yīng)用能力體現(xiàn)了國(guó)家的競(jìng)爭(zhēng)力材料研究的重要性人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史階段常常用當(dāng)時(shí)主要使用的材料來(lái)劃分。從古代到現(xiàn)在人類(lèi)使用材料的歷史共經(jīng)歷了七個(gè)時(shí)代，各時(shí)代的開(kāi)始時(shí)間：石器時(shí)代（公元前10萬(wàn)年）青銅器時(shí)代（公元前3000年）鐵器時(shí)代（公元前1000年）水泥時(shí)代（公元0年）鋼時(shí)代（1800年）硅時(shí)代（1950年）新材料時(shí)代（1990年）

材料科學(xué)基礎(chǔ)的地位

因?yàn)椴牧系膽?yīng)用獲得的益處

青銅兵器性能的提高和兵器標(biāo)準(zhǔn)化制備。指南針的使用（磁性材料）鋼鐵材料的發(fā)展半導(dǎo)體材料、單晶硅、光纖材料有色輕金屬合金、復(fù)合材料、先進(jìn)陶瓷材料

秦帝國(guó)的統(tǒng)一——

航海時(shí)代的開(kāi)始——工業(yè)革命——信息時(shí)代——航空航天——聚合物的性能結(jié)構(gòu)依賴(lài)性晶體尺寸晶體取向晶體類(lèi)型壓電、熱電材料聚偏氟乙烯αβ普通塑料性能可以提高百倍mStackedlamellarstructureinaspherulite?

CrystalstructurenmFoldedchainspackedinacrystallinelamellaeSpherulite聚合物多層次結(jié)構(gòu)人眼光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡掃描探針顯微鏡0.2mm

200nm

1nm0.2nmo.1nm0.01nm顯微術(shù)：光學(xué)、電子、掃描探針LMTEMSPMSEM掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，簡(jiǎn)寫(xiě)為SEM)一種新型的電子光學(xué)儀器，是一個(gè)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(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。由于制樣簡(jiǎn)單、放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬、圖像的分辨率高、景深大以及SEM與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)行成分分析等特點(diǎn)，掃描電鏡已廣泛地應(yīng)用在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金學(xué)等學(xué)科的領(lǐng)域中，促進(jìn)了各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展。KYKY-1000B掃描電鏡外貌圖

掃描電子顯微鏡的簡(jiǎn)稱(chēng)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(guān)察和分析。現(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。掃描電鏡定義樣品制備簡(jiǎn)單，能直接觀(guān)察并分析樣品的表面結(jié)構(gòu)特征。三自由度平移和旋轉(zhuǎn)樣品，可多角度對(duì)樣品進(jìn)行觀(guān)察。掃描電鏡景深大，所抓拍圖象的立體感強(qiáng)。圖象的放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)，基本包括了放大鏡、光學(xué)顯微鏡到透射電鏡的范圍。觀(guān)察樣品表面形貌的同時(shí)，可作微區(qū)成分分析。掃描電鏡典型特點(diǎn)第一節(jié)掃描電鏡（SEM）的發(fā)展第二節(jié)SEM的工作原理第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用本章主要內(nèi)容第二章掃描電子顯微鏡第一階段為理論奠基階段；第二階段為試驗(yàn)研究階段；第三階段為商品化發(fā)展時(shí)期三個(gè)階段

：第一節(jié)掃描電鏡的發(fā)展1834年，法拉第在“皇家學(xué)會(huì)會(huì)報(bào)”上發(fā)表文章第一次提到基本電荷“電的原子”概念。同年，漢米爾頓推導(dǎo)出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)與幾何光學(xué)等效原理。1923年，法國(guó)科學(xué)家LouisdeBroglie發(fā)現(xiàn)，微觀(guān)粒子本身除具有粒子特性以外還具有波動(dòng)性。他指出不僅光具有波粒二象性，一切電磁波和微觀(guān)運(yùn)動(dòng)物質(zhì)(電子、質(zhì)子等)也都具有波粒二象性。電磁波在空間的傳播是一個(gè)電場(chǎng)與磁場(chǎng)交替轉(zhuǎn)換向前傳遞的過(guò)程。電子在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)比光波要短得多。1926年，德國(guó)物理學(xué)家H·Busch提出了關(guān)于電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)理論。他指出：具有軸對(duì)稱(chēng)性的磁場(chǎng)對(duì)電子束來(lái)說(shuō)起著透鏡的作用。從理論上設(shè)想了可利用磁場(chǎng)作為電子透鏡，達(dá)到使電子束會(huì)聚或發(fā)散的目的。第一個(gè)階段

：理論奠基階段第一節(jié)掃描電鏡的發(fā)展1931年，德國(guó)柏林工科大學(xué)高壓實(shí)驗(yàn)室的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（transmissionelectronmicroscope，TEM）的雛形。其加速電壓為70kV，放大率僅12倍。盡管這樣的放大率還微不足道，但它有力地證明了使用電子束和電磁透鏡可形成與光學(xué)影像相似的電子影像。為電子顯微鏡的制造研究和提高奠定了基礎(chǔ)。1933Ruska建成第一臺(tái)電子顯微鏡。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。，1942年在實(shí)驗(yàn)室制成第一臺(tái)掃描電鏡，但囚受各種技術(shù)條件的限制，進(jìn)展一直很慢。1938Rusca研制成功第一臺(tái)真正實(shí)用的電子顯微鏡。1938Ardenne研制出第一臺(tái)掃描電子顯微鏡。1939西門(mén)子生產(chǎn)出第一批商品電子顯微鏡。1942第一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室用的掃描電子顯微鏡問(wèn)世。第二個(gè)階段

：試驗(yàn)研究階段第一節(jié)掃描電鏡的發(fā)展1965年，在各項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)有了很大進(jìn)展的前提下才在英國(guó)誕生了第一臺(tái)實(shí)用化的商品掃描電鏡。此后，荷蘭、美國(guó)、西德也相繼研制出各種型號(hào)的掃描電鏡，日木二戰(zhàn)后在美國(guó)的支持下生產(chǎn)出掃描電鏡，中國(guó)則在20世紀(jì)70年代生產(chǎn)出自己掃描電鏡。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(jìn)展.80年代末期，各廠(chǎng)家的掃描電鏡的二次電子像分辨率均己達(dá)到4.5nm.在提高分辨率方面各廠(chǎng)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)士曾強(qiáng)照明源即提高電子槍亮度(如采用LaB6或場(chǎng)發(fā)射電子槍);(3)提高真空度（多級(jí)真空系統(tǒng)）和檢測(cè)系統(tǒng)的接收效率；(4)盡可能減小外界振動(dòng)干擾（磁懸浮技術(shù)）。第三個(gè)階段

：商品化發(fā)展時(shí)期第一節(jié)掃描電鏡的發(fā)展我國(guó)電子顯微鏡發(fā)展簡(jiǎn)史1958中科院長(zhǎng)春光學(xué)研究所研制出我國(guó)第一臺(tái)電鏡，分辨本領(lǐng)100?。1959多家單位合作，研究出XD-100型透射電鏡，分辨本領(lǐng)25?。1965上海電子光學(xué)技術(shù)研究所制成DXA3-8型，分辨本領(lǐng)7?，使我國(guó)電鏡技術(shù)躍居世界先進(jìn)水平。1975中科院北京科學(xué)儀器廠(chǎng)研制成功我國(guó)第一臺(tái)掃描電子顯微鏡，分辨本領(lǐng)100?。1978上海新躍儀表廠(chǎng)和江南光學(xué)儀器廠(chǎng)試制成功透射掃描型電子顯微鏡。第三個(gè)階段

：商品化發(fā)展時(shí)期第一節(jié)掃描電鏡的發(fā)展JEM1101透射電子顯微鏡JEOL掃描電子顯微鏡

第一代顯微鏡——光學(xué)顯微鏡1830年代后期為M.Schleide和T.Schmann所發(fā)明；它使人類(lèi)“看”到了致病的細(xì)菌、微生物和微米級(jí)的微小物體，對(duì)社會(huì)的發(fā)展起了巨大的促進(jìn)作用，至今仍是主要的顯微工具

.第二代顯微鏡——電子顯微鏡

20世紀(jì)三十年代早期盧斯卡（E.Ruska）等發(fā)明了電子顯微鏡，使人類(lèi)能”看”到病毒等亞微米的物體，它與光學(xué)顯微鏡一起成了微電子技術(shù)的基本工具。1932年電子顯微鏡RuskaKnoll第三代顯微鏡——掃描探針顯微鏡（SPM）

也可簡(jiǎn)稱(chēng)為納米顯微鏡。1982年賓尼和羅雷爾發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），使人類(lèi)實(shí)現(xiàn)了觀(guān)察單個(gè)原子的原望；1985年賓尼發(fā)明了可適用于非導(dǎo)電樣品的原子力顯微鏡（AFM），也具有原子分辨率，與掃描隧道顯微鏡一起構(gòu)建了掃描探針顯微鏡（SPM）系列。掃描隧道顯微鏡1982年從1830年到1982年150年內(nèi)，人類(lèi)眼睛的也從200nm“看”到了0.1nm，提高了2000倍?，F(xiàn)代掃描電鏡的發(fā)展方向主要是兩個(gè)：大型和超小型。大型：采用場(chǎng)發(fā)射電子槍或者LaB6電子槍?zhuān)岣叻直媛实?5?。與電子探針的功能相結(jié)合，加上波長(zhǎng)色散譜儀和能量色散譜儀，進(jìn)行元素分析。并加上電子通道花樣（ECP）和選區(qū)電子通道花樣（SECP）等功能。使其性能向綜合的方向發(fā)展。超小型：由于掃描電鏡制樣簡(jiǎn)單，操作方便，圖象更有立體感，層次細(xì)節(jié)更分明和豐富，清晰度高，各制造廠(chǎng)家自75年后紛紛制造各種桌上型的掃描電鏡（也稱(chēng)簡(jiǎn)易型）。其特點(diǎn)是體積小,重量輕。像日立公司（HITACHI）的S－310A，全部重量170公斤，日本電子的JSM－T20也僅180公斤。這類(lèi)超小型掃描電鏡能以很低的代價(jià)（不超過(guò)40000美元）就得到高分辨率（150?）的清晰圖象，應(yīng)用廣泛。掃描電鏡的分類(lèi)：常規(guī)掃描電鏡（SEM）、環(huán)境掃描電鏡（ESEM）、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FE-SM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描透射電鏡（STEM）、掃描探針顯微鏡（SPM）、原子力顯微鏡（AFM）、分析型電鏡（與能譜，紅外等設(shè)備聯(lián)用）掃描電鏡的發(fā)展方向第一節(jié)掃描電鏡的發(fā)展第一節(jié)掃描電鏡（SEM）的發(fā)展第二節(jié)SEM的工作原理第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用本章主要內(nèi)容第二章掃描電子顯微鏡一束細(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(xiàn)、俄歇過(guò)程和俄歇電子、吸收電子、透射電子等。2.1電子與固體試樣的交互作用第二節(jié)掃描電鏡的工作原理樣品入射電子

Auger電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子X(jué)射線(xiàn)透射電子

當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向入射到試樣內(nèi)時(shí)，由于受到固體物質(zhì)中晶格位場(chǎng)和原子庫(kù)侖場(chǎng)的作用，其入射方向會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為散射。彈性散射：如果在散射過(guò)程中入射電子只改變方向，但其總動(dòng)能基本上無(wú)變化，則這種散射稱(chēng)為彈性散射。彈性散射的電子符合布拉格定律，攜帶有晶體結(jié)構(gòu)、對(duì)稱(chēng)性、取向和樣品厚度等信息，在電子顯微鏡中用于分析材料的結(jié)構(gòu)。非彈性散射：如果在散射過(guò)程中入射電子的方向和動(dòng)能都發(fā)生改變，則這種散射稱(chēng)為非彈性散射。在非彈性散射情況下，入射電子會(huì)損失一部分能量，并伴有各種信息的產(chǎn)生。非彈性散射電子：損失了部分能量，方向也有微小變化。用于電子能量損失譜，提供成分和化學(xué)信息。也能用于特殊成像或衍射模式。彈性散射和非彈性散射第二節(jié)掃描電鏡的工作原理SEM中的三種主要信號(hào)背散射電子：入射電子在樣品中經(jīng)散射后再?gòu)纳媳砻嫔涑鰜?lái)的電子。反映樣品表面不同取向、不同平均原子量的區(qū)域差別。二次電子：由樣品中原子外殼層釋放出來(lái)，在掃描電子顯微術(shù)中反映樣品上表面的形貌特征。X射線(xiàn)：入射電子在樣品原子激發(fā)內(nèi)層電子后外層電子躍遷至內(nèi)層時(shí)發(fā)出的光子。1、背散射電子背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子，也稱(chēng)為一次電子，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是指散射角大于90o，被樣品中原子核反彈回來(lái)的那些入射電子，其能量沒(méi)有損失(或基本上沒(méi)有損失)。背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)。因此背散射電子不僅可用作形貌分析，而且可以用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，用作成分的定性分析。2、二次電子

入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱(chēng)二次電子。二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱(chēng)為二次電子，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。二次電子主要決定于表面形貌，不能用于成分分析。

背散射電子來(lái)源于入射電子，分為彈性散射和非彈性背散射電子，彈性散射電子的能量等于入射電子的能量，非彈性散射背散射電子能量小于入射電子；背散射電子數(shù)量與材料元素種類(lèi)有關(guān)。主要發(fā)生在離試樣表面300nm區(qū)域。二次電子來(lái)源于試樣表面，是入射電子擊打出來(lái)的，不是來(lái)源于入射電子。能量較低，二次電子發(fā)射的數(shù)量與材料的形貌有關(guān)。背散射電子和二次電子的區(qū)別：

如果入射電子激發(fā)試樣原子的內(nèi)層電子，是原子處于激發(fā)態(tài)或離子態(tài)，它有恢復(fù)到低能基態(tài)的趨勢(shì)。其中一種方式是外層電子躍遷到內(nèi)層的電子空位，同時(shí)以X射線(xiàn)的形式釋放出來(lái)。這種X射線(xiàn)稱(chēng)為特征X射線(xiàn)。原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和特征波長(zhǎng)的一種電磁波輻射?？梢苑治鰳悠返慕M成元素和成分。3、特征X射線(xiàn)入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)多次非彈性散射后能量損失殆盡，不再產(chǎn)生其它效應(yīng)，而被樣品吸收，這部分電子稱(chēng)為吸收電子。試樣吸收電子之前是電中性的，吸收電子后帶上負(fù)電荷。如果試樣較薄，有電子透過(guò)試樣，則入射電子數(shù)量=背散射電子+二次電子+吸收電子+透射電子。如果試樣很厚，樣品不能透過(guò)，則入射電子數(shù)量=背散射電子+二次電子+吸收電子。特征：

吸收電子信號(hào)調(diào)制成圖像，其襯度恰好和S、E或B、E信號(hào)調(diào)制圖像襯度相反與背散射電子的襯度互補(bǔ)。入射電子束射入一個(gè)多元素樣品中時(shí)，因Se產(chǎn)額與原子序數(shù)無(wú)關(guān)，則背散射電子較多的部位（Z較大）其吸收電子的數(shù)量就減少，反之亦然；吸收電子能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度，即可用來(lái)進(jìn)行定性的微區(qū)成分分析。4、吸收電子如果原子內(nèi)層電子在能級(jí)躍過(guò)程中釋放出來(lái)的能量ΔE并不以X射線(xiàn)的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量把空位層的另一個(gè)電子發(fā)射出去（或空位層的外層電子發(fā)射出去），這一個(gè)被電離的電子稱(chēng)為俄歇電子。每種原子都有自己的特定殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值。特征：

1）各元素的俄歇電子能量值很低，50～1500ev；

2）來(lái)自樣品表面1—2nm范圍。其平均自由程很?。ǎ?nm），較深區(qū)域產(chǎn)生的俄歇電子向表面運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)因碰撞損失能量而失去特征值的特點(diǎn)。因此，只有在距表面1nm左右范圍內(nèi)逸出的俄歇電子才具有特征能量。因此它適合做表面分析。5、俄歇電子

對(duì)于薄試樣(一般小于100nm)，入射電子可透過(guò)試樣。如果在試樣的下方放一個(gè)接收器，便可接收到透射電子，這些電子帶有所穿過(guò)的樣品信息，成像后可以得到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。透射電子中有彈性散射電子和非彈性散射電子。透過(guò)電子的數(shù)量決定于試樣的厚度和密度。特征：

1.透射電子信號(hào)由微區(qū)的厚度，成分和晶體結(jié)構(gòu)決定

可利用特征能量損失ΔE電子配合電子能量分析器進(jìn)行微區(qū)成分分析。即電子能量損失譜EELS。

6、透射電子：有些固體物質(zhì)受到電子束照射后，價(jià)電子被激發(fā)到高能級(jí)或能帶中，被激發(fā)的材料同時(shí)產(chǎn)生了弛豫發(fā)光，這種光成為陰極發(fā)光，其波長(zhǎng)可能是可見(jiàn)光紅外或紫外光，可以用來(lái)作為調(diào)制信號(hào)。因此，利用陰極發(fā)光可以研究礦物中的發(fā)光微粒、發(fā)光半導(dǎo)體材料中的晶格缺陷和熒光物質(zhì)的均勻性等。7、陰極發(fā)光：作業(yè)：各種電子信號(hào)的定義以及呈現(xiàn)的樣品性質(zhì)(特征及應(yīng)用)2.1電子與固體試樣的交互作用第二節(jié)掃描電鏡的工作原理一、掃描電子顯微鏡的工作原理掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像。二次電子是最主要的成像信號(hào)。由電子槍發(fā)射的電子，經(jīng)二級(jí)聚光鏡及物鏡的會(huì)聚形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束。在掃描線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號(hào)），二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化，是樣品表面特征和入射角的函數(shù)。二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。2.2掃描電鏡的工作原理和結(jié)構(gòu)

第二節(jié)掃描電鏡的工作原理

一、掃描電鏡的工作原理

第二節(jié)掃描電鏡的工作原理掃描電鏡的工作原理與閉路電視系統(tǒng)相似?？梢院?jiǎn)單地歸納為“光柵掃描，逐點(diǎn)成像”。面分析?掃描放大倍數(shù)原理掃描線(xiàn)圈

表面凹凸與二次電子的產(chǎn)生

表面凹凸與二次電子的產(chǎn)生

表面凹凸與二次電子的產(chǎn)生

表面凹凸與二次電子的產(chǎn)生

表面凹凸與二次電子的產(chǎn)生

表面凹凸與二次電子的產(chǎn)生二、掃描電鏡的結(jié)構(gòu)

第二節(jié)掃描電鏡的工作原理掃描電鏡主要由：電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)接受處理顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)組成。（一）電子光學(xué)系統(tǒng)電子槍電子探針系統(tǒng)電磁透鏡電子光學(xué)系統(tǒng)掃描線(xiàn)圈樣品室掃描電鏡成像示意圖掃描電鏡成像示意圖1.電子探針系統(tǒng)：用以產(chǎn)生具有一定能量、強(qiáng)度和直徑的作掃描運(yùn)動(dòng)的電子束，并將其照射在樣品表面上。該電子束稱(chēng)電子探針。電子槍?zhuān)汉屯干潆婄R相似，一般采用發(fā)夾式鎢絲三極電子槍。所用加速電壓一般是5～50kV。磁透鏡：通常由雙聚光鏡和物鏡組成，可以將電子槍發(fā)射出的電子束直徑縮小100～10000倍。掃描線(xiàn)圈：使電子束在一個(gè)矩形光柵上掃描，通常由雙偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈組成，放在物鏡上方。這兩組線(xiàn)圈內(nèi)的電流不是恒定的，而是隨時(shí)間而線(xiàn)性改變強(qiáng)度的鋸齒波電流。樣品室：樣品室用于放置測(cè)試樣品，并安裝各種信號(hào)電子探測(cè)器。

2、真空系統(tǒng)：電源系統(tǒng)和信號(hào)電子成像系統(tǒng)由于電子束只能在真空下產(chǎn)生和操控，掃描電鏡對(duì)鏡筒的真空度有一定要求。一般情況下，要求真空度優(yōu)于10-3～10-4Pa。如果真空度的下降，會(huì)導(dǎo)致電子槍燈絲壽命縮短，極間放電，產(chǎn)生虛假二次電子效應(yīng)，透鏡光闌和樣品表面污染加速等，從而嚴(yán)重的影響成像的質(zhì)量。因此，真空系統(tǒng)的質(zhì)量是衡量掃描電鏡質(zhì)量的參考指標(biāo)之一。

2、信號(hào)接受處理顯示系統(tǒng)：信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)的作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的各類(lèi)電子信號(hào)，經(jīng)視頻放大后作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。

電子信號(hào)成像系統(tǒng)：將電子探針和樣品相互作用產(chǎn)生的信號(hào)電子進(jìn)行收集、放大和處理，最后在顯象管上顯示出來(lái)。掃描電鏡可以接收從樣品上發(fā)出的多種信號(hào)電子束來(lái)成像，不同信號(hào)電子采用不同的探測(cè)器，以二次電子信號(hào)圖像質(zhì)量最好。(a)加偏壓前

(b)加偏壓后圖4.62加偏壓前后的二次電子收集情況

*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，即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的圖像。掃描電鏡的分辨率掃描電鏡的放大倍數(shù)掃描電鏡的景深

三、掃描電鏡的主要性能第二節(jié)掃描電鏡的工作原理分辨率是形貌結(jié)構(gòu)類(lèi)分析儀器最重要的性能指標(biāo)，SEM的分辨本領(lǐng)與以下因素有關(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。熱陰極電子槍的最小束斑直徑6nm，場(chǎng)發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm。2)

入射束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)：電子束打到樣品上，會(huì)發(fā)生散射，擴(kuò)散范圍如同梨狀或半球狀。入射束能量越大，樣品原子序數(shù)越小，則電子束作用體積越大。只有在離樣品表面深度0.3L2區(qū)產(chǎn)生的背散射電子有可能逸出樣品表面，二次電子信號(hào)在5-10nm深處的逸出，吸收電子信號(hào)、一次X射線(xiàn)來(lái)自整個(gè)作用體積。這就是說(shuō)，不同的物理信號(hào)來(lái)自不同的深度和廣度。

掃描電鏡的分辨率掃描電鏡的放大倍數(shù)可用表達(dá)式

M=AC/ASAC是熒光屏上圖像的邊長(zhǎng)，AS是電子束在樣品上的掃描振幅。目前大多數(shù)商品掃描電鏡放大倍數(shù)為20-20000倍，介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間。

掃描電鏡的放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)掃描電鏡的景深景深是指在攝影機(jī)鏡頭或其他成像器前沿著能夠取得清晰圖像的成像景深相機(jī)器軸線(xiàn)所測(cè)定的物體距離范圍。在聚焦完成后，在焦點(diǎn)前后的范圍內(nèi)都能形成清晰的像，這一前一后的距離范圍，便叫做景深。掃描電鏡的景深SEM景深很大。它的景深取決于分辨本領(lǐng)和電子束入射半角。掃描電鏡的末級(jí)透鏡采用小孔徑角，長(zhǎng)焦距，可以獲得很大的景深，比一般光學(xué)顯微鏡景深大100~500倍，比透射電鏡的景深大10倍。由于景深大，掃描電鏡圖像的立體感強(qiáng)，形態(tài)逼真。

SEMgives3DImagesWhy?BecauseSEMhasverylargerangeforDepthofView.掃描電鏡的景深掃描電鏡的景深為比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡的景深大10倍。d0臨界分辨本領(lǐng)，電子束的入射角掃描電鏡的景深掃描電鏡的主要性能與特點(diǎn)放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M總）景深大（F≈d0/β）保真度好樣品制備簡(jiǎn)單放大倍率高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。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀器放大倍率指標(biāo)。

分辨率高分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率d可以用貝克公式表示：d=0.61/nsin

，為透鏡孔徑半角，為照明樣品的光波長(zhǎng)，n為透鏡與樣品間介質(zhì)折射率。對(duì)光學(xué)顯微鏡＝70－75，n=1.4。因?yàn)閚sin1.4，而可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為：＝400nm-700nm，所以光學(xué)顯微鏡分辨率d0.5

，顯然d200nm。要提高分辨率可以通過(guò)減小照明波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種DeBroglie波，具有波粒二相性，＝12.26/V0.5(伏)，如果V＝20kV時(shí)，則＝0.0085nm。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，分辨率與子束直徑近似相等。景深D大

景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀(guān)察需要大景深的SEM。SEM的景深Δf可以用如下公式表示：Δf=

式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為放大倍率，d為電子束直徑。可以看出，長(zhǎng)工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像。多孔SiC陶瓷的二次電子像一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡（OM）大100倍。如10000倍時(shí),TEM:D＝1m，SEM:10m,100倍時(shí)，OM:10m，SEM=1000m。保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀(guān)察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對(duì)斷口的失效分析特別重要。樣品制備簡(jiǎn)單

樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對(duì)不導(dǎo)電的樣品只需蒸鍍一層20nm的導(dǎo)電膜。另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。有的SEM加入附件后，能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過(guò)程的觀(guān)察。返回第一節(jié)掃描電鏡（SEM）的發(fā)展第二節(jié)SEM的工作原理第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用本章主要內(nèi)容第二章掃描電子顯微鏡所謂襯度，即是像面上相鄰部分間的黑白對(duì)比度或顏色差。人眼對(duì)于0.02mm以下的亮度差別是很難判定的，對(duì)顏色差別則稍微敏感一些。有些顯微鏡觀(guān)察對(duì)象，如生物標(biāo)本，其細(xì)節(jié)間亮度差別甚小，加之顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造誤差使其成像襯度進(jìn)一步降低而難于分辨，此時(shí)，看不清物體細(xì)節(jié)，不是總放大倍率過(guò)低，也不是物鏡數(shù)值孔徑太小，而是由于像面襯度太低的緣故。什么是襯度？第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度二次電子形貌襯度是由于樣品表面形貌差別而形成的襯度，是利用二次電子信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)而得到的一種襯度。二次電子像的襯度可以分為以下幾類(lèi)：二次電子形貌襯度第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度(1)形貌襯度(2)成分襯度(3)電壓襯度右圖為形貌襯度原理圖2.8二次電子形貌襯度示意圖二次電子像襯度的特點(diǎn)：二次電子形貌襯度第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度（1）分辨率高（2）景深大，立體感強(qiáng)（3）主要反應(yīng)形貌襯度。思考：什么是最小襯度？（a）陶瓷燒結(jié)體的表面圖像（b）多孔硅的剖面圖二次電子像原子序數(shù)襯度是由于樣品表面物質(zhì)原子序數(shù)（或化學(xué)成分）差別而形成的襯度，是利用背散射電子信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)而得到的一種圖像襯度，既可以用來(lái)進(jìn)行形貌分析，也可以用于成分分析。前者稱(chēng)背散射電子形貌襯度，后者也稱(chēng)為成分襯度。原子序數(shù)襯度第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度1、背散射電子背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子，也稱(chēng)為一次電子，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是指散射角大于90o，被樣品中原子核反彈回來(lái)的那些入射電子，其能量沒(méi)有損失(或基本上沒(méi)有損失)。背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)。因此背散射電子不僅可用作形貌分析，而且可以用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，用作成分的定性分析。背散射電子像襯度及特點(diǎn)原子序數(shù)襯度第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度影響背散射電子產(chǎn)額的因素有：(1)原子序數(shù)Z(2)入射電子能量E0

(3)樣品傾斜角

背散射系數(shù)與原子序數(shù)的關(guān)系背散射電子像襯度及特點(diǎn)原子序數(shù)襯度第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為

式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)。

背散射電子像

背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄有驍?shù)Z大的部位而形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)；而平均原子序數(shù)較低的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。背散射電子襯度可以分為以下幾類(lèi)：原子序數(shù)襯度第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度(1)成分襯度(2)形貌襯度(3)磁襯度背散射電子像背散射電子既可以用來(lái)顯示形貌襯度，也可以用來(lái)顯示成分襯度。1.形貌襯度用背反射信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率元比二次電子低。因?yàn)楸撤瓷潆娮訒r(shí)來(lái)自一個(gè)較大的作用體積。此外，背反射電子能量較高，它們以直線(xiàn)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)法收集到背反射電子，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié)。2.成分襯度背散射電子發(fā)射系數(shù)可表示為樣品中重元素區(qū)域在圖像上是亮區(qū)，而輕元素在圖像上是暗區(qū)。利用原子序數(shù)造成的襯度變化可以對(duì)各種合金進(jìn)行定性分析。背反射電子信號(hào)強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。背散射電子像的襯度特點(diǎn)：（1）分辯率低（2）背散射電子檢測(cè)效率低，襯度?。?）主要反應(yīng)原子序數(shù)襯度二次電子形貌襯度和原子序數(shù)襯度的區(qū)別以及其應(yīng)用有何不同？二次電子的檢測(cè)方法使得能量小于50eV的電子，不論從什么方向射出樣品幾乎都能被收集吸引過(guò)來(lái)而被檢測(cè)。因而得到無(wú)明顯陰影的圖象。同時(shí)二次電子產(chǎn)額主要取決于樣品表面的形貌，因此二次電子圖象特別適合于觀(guān)察起伏較大的樣品的表面。二次電子形貌襯度主要用于以下幾個(gè)方面：①斷口分析：沿晶斷口、韌窩斷口、解理斷口、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料斷口。②表面形貌分析③材料變形與斷裂動(dòng)態(tài)過(guò)程的原位觀(guān)察原子序數(shù)襯度？？？思考第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度兩種圖像的對(duì)比錫鉛鍍層的表面圖像（a）二次電子圖像（b）背散射電子圖像第一節(jié)掃描電鏡（SEM）的發(fā)展第二節(jié)SEM的工作原理第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用本章主要內(nèi)容第二章掃描電子顯微鏡掃描電鏡樣品制備的流程圖樣品要求：可以是塊狀、薄膜或粉末顆粒；保持樣品結(jié)構(gòu)和形貌的穩(wěn)定性，不因取樣而改變。表面導(dǎo)電樣品大小要適合于樣品樁的尺寸樣品的高度要控制在掃描電鏡要求的范圍內(nèi)。樣品的制備樣品鍍膜方法掃描電鏡樣品制備技術(shù)第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用樣品制備掃描電鏡的最大優(yōu)點(diǎn)是樣品制備方法簡(jiǎn)單，對(duì)金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘接在電鏡的樣品座上即可直接進(jìn)行觀(guān)察。對(duì)于非導(dǎo)電樣品如塑料、礦物等，在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類(lèi)試樣在觀(guān)察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在20nm左右。掃描電鏡應(yīng)用實(shí)例斷口形貌分析納米材料形貌分析在微電子工業(yè)方面的應(yīng)用

1018號(hào)鋼在不同溫度下的斷口形貌斷口形貌分析鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×ZnO納米線(xiàn)的二次電子圖像多孔氧化鋁模板制備的金納米線(xiàn)的形貌（a）低倍像（b）高倍像納米材料形貌分析斷口分析典型的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。（a）芯片導(dǎo)線(xiàn)的表面形貌圖，（b）CCD相機(jī)的光電二極管剖面圖。在微電子工業(yè)方面的應(yīng)用掃描電鏡生物樣品的制備1.取樣和固定2.脫水3.干燥：臨界點(diǎn)干燥4.鍍膜：離子濺射儀花粉粒第一節(jié)掃描電鏡（SEM）的發(fā)展第二節(jié)SEM的工作原理第三節(jié)SEM形貌和原子序數(shù)襯度第四節(jié)SEM在材料分析中的應(yīng)用第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用本章主要內(nèi)容第二章掃描電子顯微鏡電子探針的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，特別是材料顯微結(jié)構(gòu)－工藝－性能關(guān)系的研究，電子探針起了重要作用。電子探針顯微分析有以下幾個(gè)特點(diǎn)：電子探針顯微分析第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用顯微結(jié)構(gòu)分析

元素分析范圍廣定量分析準(zhǔn)確度高不損壞試樣、分析速度快微區(qū)離子遷移研究1.顯微結(jié)構(gòu)分析電子探針是利用0.5μm－1μm的高能電子束激發(fā)所分析的試樣，通過(guò)電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)、二次電子、吸收電子、背散射電子及陰極熒光等信息來(lái)分析試樣的微區(qū)內(nèi)(μm范圍內(nèi))成份、形貌和化學(xué)結(jié)合狀態(tài)等特征。電子探針成分分析的空間分辨率（微區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個(gè)立方μm范圍，微區(qū)分析是它的一個(gè)重要特點(diǎn)之一,它能將微區(qū)化學(xué)成份與顯微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)，是一種顯微結(jié)構(gòu)的分析。而一般化學(xué)分析、X光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較大范圍內(nèi)的平均化學(xué)組成，也無(wú)法與顯微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng),不能對(duì)材料顯微結(jié)構(gòu)與材料性能關(guān)系進(jìn)行研究。2.元素分析范圍廣電子探針?biāo)治龅脑胤秶话銖呐?B)——鈾(Ｕ)，因?yàn)殡娮犹结槼煞莘治鍪抢迷氐奶卣鱔射線(xiàn)，而氫和氦原子只有K層電子，不能產(chǎn)生特征X射線(xiàn)，所以無(wú)法進(jìn)行電子探針成分分析。鋰(Li)和鈹(Be)雖然能產(chǎn)生X射線(xiàn)，但產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)波長(zhǎng)太長(zhǎng)，通常無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)，少數(shù)電子探針用大面間距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測(cè)Be元素。能譜儀的元素分析范圍現(xiàn)在也和波譜相同，分析元素范圍從硼(B)——鈾(Ｕ)3.定量分析準(zhǔn)確度高電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準(zhǔn)確的儀器。電子探針的檢測(cè)極限(能檢測(cè)到的元素最低濃度)一般為（0.01－0.05）%，不同測(cè)量條件和不同元素有不同的檢測(cè)極限，但由于所分析的體積小，所以檢測(cè)的絕對(duì)感量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(1—3)%，對(duì)原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。4.不損壞試樣、分析速度快現(xiàn)在電子探針均與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，可以連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行多種方法分析，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，對(duì)含10個(gè)元素以下的試樣定性、定量分析，新型電子探針在30min左右可以完成，如果用EDS進(jìn)行定性、定量分析，幾分種即可完成。對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，還可以自動(dòng)聚焦分析。電子探針?lè)治鲞^(guò)程中一般不損壞試樣，試樣分析后，可以完好保存或繼續(xù)進(jìn)行其它方面的分析測(cè)試，這對(duì)于文物、古陶瓷、古硬幣及犯罪證據(jù)等的稀有試樣分析尤為重要。5.微區(qū)離子遷移研究多年來(lái)，還用電子探針的入射電子束注入試樣來(lái)誘發(fā)離子遷移，研究了固體中微區(qū)離子遷移動(dòng)力學(xué)、離子遷移機(jī)理、離子遷移種類(lèi)、離子遷移的非均勻性及固體電解質(zhì)離子遷移損壞過(guò)程等，已經(jīng)取得了許多新的結(jié)果。電子探針儀的構(gòu)造和工作原理電子探針儀的構(gòu)造和掃描電鏡相似電子探針儀其實(shí)就是我們通常所說(shuō)的能譜儀電子探針儀的構(gòu)造和工作原理第五節(jié)電子探針顯微分析技術(shù)及應(yīng)用1、定性分析的基本原理２、定量分析的基本原理1.定性分析的基本原理

電子探針除了用電子與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進(jìn)行形貌觀(guān)察外，主要是利用波譜或能譜，測(cè)量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)波長(zhǎng)與強(qiáng)度，從而對(duì)試樣中元素進(jìn)行定性、定量分析。式中ν為元素的特征X射線(xiàn)頻率，Z為原子序數(shù)，K與σ均為常數(shù)，C為光速。當(dāng)σ≈1時(shí)，λ與Z的關(guān)系式可寫(xiě)成:定性分析的基礎(chǔ)是Moseley關(guān)系式:

由式可知，組成試樣的元素(對(duì)應(yīng)的原子序數(shù)Z)與它產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)波長(zhǎng)(λ)有單值關(guān)系，即每一種元素都有一個(gè)特定波長(zhǎng)的特征X射線(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)，它不隨入射電子的能量而變化。如果用X射線(xiàn)波譜儀測(cè)量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)波長(zhǎng)的種類(lèi)，即可確定試樣中所存在元素的種類(lèi)，這就是定性分析的基本原理。能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之間的特征X射線(xiàn)能量不同，即E＝hν，h為普朗克常數(shù)，ν為特征X射頻率，通過(guò)EDS