掃描電子顯微鏡及電子探針

納米材料的形貌分析背散射電子強(qiáng)度與組成樣品的原子序數(shù)有關(guān)，得到原子序數(shù)的信息分析釋放的X射線，得到更多元素信息2.3掃描電鏡形貌分析SEM果蠅一、掃描照片成像原理：能量高度集中的電子掃描材料表面；二次電子強(qiáng)度隨著樣品表面形貌的變化而不同；測(cè)量掃描微區(qū)內(nèi)二次電子的強(qiáng)度隨不同位置的變化函數(shù)得到微觀照片掃描電鏡形貌分析優(yōu)點(diǎn)：高的分辨率。~1nm有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深，視野大，成像富有立體感試樣制備簡單。配有X射線能譜儀裝置，可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析。OpticalMicroscopeSEM二、掃描電鏡的工作原理“光柵掃描，逐點(diǎn)成像”。成像原理：

利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)出來的各種物理信號(hào)調(diào)制成像。類似電視攝影顯像的方式。SEM的樣品室附近可以裝入多個(gè)探測(cè)器，例如：SED、BED、GSED、EDS、WDS、EBSD等。目前的掃描電子顯微鏡可以進(jìn)行形貌、微區(qū)成分和晶體結(jié)構(gòu)等多種微觀組織結(jié)構(gòu)信息的同位分析。三、掃描電鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)（一）電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。電子槍掃描電子顯微鏡的電子槍有熱陰極電子槍和場(chǎng)發(fā)射電子槍兩種。普通熱陰極電子槍產(chǎn)生的電子源直徑為20-50μm；六硼化鑭熱陰極電子槍產(chǎn)生的電子源直徑為1-10μm；而場(chǎng)發(fā)射電子槍產(chǎn)生的電子源直徑可達(dá)0.01-0.1μm。六硼化鑭燈絲鎢燈絲場(chǎng)發(fā)射燈絲普通熱陰極或六硼化鑭陰極電子槍都屬于熱發(fā)射電子槍，而場(chǎng)發(fā)射電子槍則屬于冷發(fā)射電子槍。幾種類型電子槍性能比較類型鎢燈絲槍(W)六硼化鑭燈絲槍(LaB6)冷場(chǎng)發(fā)射電子槍工作溫度2300℃

1800℃

室溫

能量發(fā)散度≤2.0eV≤1.5eV

≤0.2eV

亮度

5x105A/cm2sr5x106A/cm2sr2x109A/cm2sr燈絲壽命≤100小時(shí)

500–1000小時(shí)

≥2年

總束流100μA50μA100nA槍尖激活

每天一次

聚光鏡功能是將來自電子的束斑逐級(jí)聚光縮小，使原來直徑50μm的束斑縮小到幾個(gè)納米的細(xì)小斑點(diǎn)。掃描電鏡一般有三個(gè)聚光鏡，第一、二聚光鏡屬強(qiáng)激磁透鏡，起匯聚電子束用；第三聚光鏡（末級(jí)透鏡）是弱磁透鏡（又稱為物鏡），具有較長的焦距，目的是使透鏡與樣品之間留有一定的空間，以便裝入各種信號(hào)探測(cè)器。掃描電鏡電子束斑尺寸對(duì)分辨本領(lǐng)影響很大。一般束斑尺寸越小，分辨本領(lǐng)越高。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：作用：提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。主要包括：用于形成光柵掃描的掃描系統(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)。可以采用橫向靜電場(chǎng)，也可采用橫向磁場(chǎng)。(a)光柵掃描(b)角光柵掃描樣品室

二次電子探頭(SED)與一般樣品臺(tái)成15～20°夾角，并施加0～200V偏壓；背散射電子探頭(BSD)一般安裝在極靴帽下方，與樣品臺(tái)平行。（二）信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大，作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理信號(hào)，要用不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)。它大致可以分為三大類，即電子檢測(cè)器、陰極熒光檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。（三）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。多孔SiC陶瓷的二次電子像四、實(shí)驗(yàn)方法(一)掃描電鏡的主要性能放大倍率高（M=As/Ac,20~20萬倍連續(xù)可調(diào)）分辨率高（二次電子5-10nm，背散射50-200nm）景深大（比光顯大100-500倍，比透射大10倍）保真度好樣品制備簡單(二)掃描電鏡的圖像信息二次電子像背射電子像吸收電子像俄歇電子像特征X射線二次電子像二次電子的產(chǎn)生和信息二次電子產(chǎn)額二次電子產(chǎn)額δ與二次電子束與試樣表面法向夾角有關(guān)，

δ∝K/cosαK為常數(shù)，α為入射電子與樣品表面法線之間的夾角。α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。二次電子襯度襯度定義：電子像的明暗程度取決于電子束的強(qiáng)弱，當(dāng)兩個(gè)區(qū)域中的電子強(qiáng)度不同時(shí)將出現(xiàn)圖像的明暗差異，叫襯度。襯度類型：形貌襯度、成分襯度、電壓襯度、磁襯度襯度特點(diǎn)：立體感強(qiáng)、存在一最小襯度人體紅細(xì)胞的SEM照片腺體蝴蝶翅膀二次電子像襯度影響因素：與樣品傾斜角的關(guān)系：一般不超過45°樣品成分的差異：原子序數(shù)不同會(huì)產(chǎn)生襯度樣品表面與檢測(cè)器的位置關(guān)系：樣品表面尖棱（A）、小粒子（B）、坑穴邊緣（C和D）等部位，在電子束作用下將產(chǎn)生高得多的二次電子信號(hào)強(qiáng)度，所以在掃描像上這些部位顯得異常的亮。在熒光屏或照片上C小刻面的像比A和B都亮，A又比B亮。面對(duì)檢測(cè)器的電子會(huì)有更大的亮度背散射電子是被樣品原子反射回來的人射電子。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)人射電子能量在10～40keV范圍時(shí)，樣品背散射系數(shù)隨元素原子序數(shù)Z的增大而增加。背散射電子信號(hào)強(qiáng)度隨原子序數(shù)Z增大而增大，樣品表面上平均原子序數(shù)較高的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)，在背散射電子像上顯示較亮的襯度。ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000×二次電子像與背散射電子像對(duì)比：二次電子像分辨率高；景深大；立體感強(qiáng)；反映樣品表面形貌。背散射電子像：分辯率低；背散射電子檢測(cè)效率低，襯度小；主要反應(yīng)原子序數(shù)襯度。錫鉛鍍層的表面圖像（a）二次電子圖像b）背散射電子圖像二次電子像背散射電子像二次電子+背散射電子拓?fù)湎瘢ò咨篠n；灰色：Al2O3）二次電子像背散射電子像背散射電子探頭采集的成分像（a）和形貌像（b）五、掃描電鏡在納米材料分析中的應(yīng)用案例研究介孔結(jié)構(gòu)納米薄膜形貌導(dǎo)電高分子陣列光催化劑金屬材料和半導(dǎo)