第二篇掃描電子顯微分析

第二篇掃描電子顯微分析第一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一本章主要內(nèi)容10.1概述10.2掃描電鏡的特點和工作原理10.3掃描電鏡的主要性能10.4表面形貌襯度原理及其應(yīng)用10.5原子序數(shù)襯度原理及其應(yīng)用2第二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一10.1概述

掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，簡稱SEM）是繼透射電鏡之后發(fā)展起來的一種電子顯微鏡。早在1935年，德國的Knoll就提出了掃描電鏡的工作原理，1965年，第一臺商用SEM問世，當(dāng)時分辨率約為25nm。我國1973年研制，已生產(chǎn)多種型號的SEM。國產(chǎn)機的分辨率和可靠性等方面與進口機器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進口。日本每年生產(chǎn)SEM約1600臺，國內(nèi)現(xiàn)有SEM已超過1000臺。3第三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一4第四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一FEINova400場發(fā)射掃描電子顯微鏡TESCANVEGAII可變真空鎢燈絲掃描電鏡5第五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

掃描電子顯微鏡的成像原理和透射電于顯微鏡完全不同，它不用電磁透鏡放大成像，而是以類似電視攝影顯像的方式，利用細聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)出來的各種物型信號來調(diào)制成像的。新式掃描電子顯微鏡的二次電子像的分辨率已達到1nm，放大倍數(shù)可從數(shù)倍原位放大到20萬倍左右。6第六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一TEM與SEM的成像原理對比7第七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

由于掃描電子顯微鏡的景深遠比光學(xué)顯微鏡大，可以用它進行顯微斷口分析。用掃描電子顯微鏡觀察斷口時，樣品不必復(fù)制可直接進行觀察，這給分析帶來極大的方便。因此，目前顯微斷口的分析工作大都是用掃描電子顯微鏡來完成的。目前的掃描電子顯微鏡不只是分析形貌保，它可以和其它分析儀器相組合，使人們能在同一臺儀器上進行形貌、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。8第八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一10.2掃描電鏡的特點和工作原理

掃描電鏡的特點

儀器分辨本領(lǐng)較高。二次電子像分辨本領(lǐng)可達1.0nm(場發(fā)射)，3.0nm(鎢燈絲)；儀器放大倍數(shù)變化范圍大（從幾倍到幾十萬倍），且連續(xù)可調(diào)；圖像景深大，富有立體感?？芍苯佑^察起伏較大的粗糙表面（如金屬和陶瓷的斷口等）；9第九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

試樣制備簡單。只要將塊狀或粉末的、導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的試樣不加處理或稍加處理，就可直接放到SEM中進行觀察。一般來說，比透射電子顯微鏡（TEM）的制樣簡單，且可使圖像更近于試樣的真實狀態(tài)；可做綜合分析。SEM裝上波長色散X射線譜儀(WDX)(簡稱波譜儀)或能量色散X射線譜儀(EDX)(簡稱能譜儀)后，在觀察掃描形貌圖像的同時，可對試樣微區(qū)進行元素分析。10第十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

裝上不同類型的試樣臺和檢測器可以直接觀察處于不同環(huán)境（加熱、冷卻、拉伸等）中的試樣顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)的動態(tài)變化過程（動態(tài)觀察）。11第十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

掃描電鏡的構(gòu)造和工作原理掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理框圖

掃描電子顯微鏡是由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號收集處理、圖像顯示和記錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)三個基本部分組成。掃描電鏡的成像原理，不是用電磁透鏡放大成像，而是逐點逐行掃描成像。12第十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

由電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓作用下，經(jīng)過2-3個電磁透鏡聚焦后，會聚成一個細的電子束。

要達到這樣的縮小倍數(shù)，必須用幾個透鏡來完成。掃描電子顯微鏡一般都有三個聚光鏡，前兩個聚光鏡是強磁透鏡，可把電子束光斑縮小。第三個透鏡是弱磁透鏡，具有較長的焦距。布置這個末級透鏡(習(xí)慣上稱之為物鏡)的目的在于使樣品室和透鏡之間留有一定的空間，以便裝入各種信號探測器。掃描電子顯微鏡中照射到樣品上的電子束直徑越小，就相當(dāng)于成像單元的尺寸越小，相應(yīng)的分辨率就越高。

掃描電子顯微鏡中的電子槍與透射電子顯微鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電子顯微鏡低。掃描電子顯微鏡中各電磁透鏡都不作成像透鏡用，而是作聚光鏡用，它們的功能只是把電子槍的束斑逐級聚焦縮小，使原來直徑約為50um的束斑縮小成一個只有數(shù)個納米的細小斑點；13第十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下電子束在樣品表面按順序逐行進行掃描。

高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子和透射電子等。其強度隨樣品表面特征而變化。

這些物理信號分別被相應(yīng)的收集器接受，經(jīng)放大器按順序、成比例地放大后,送到顯像管,調(diào)制顯像管的亮度。14第十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

掃描電鏡成像的物理信號電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號

掃描電鏡成像所用的物理信號是電子束轟擊固體樣品而激發(fā)產(chǎn)生的具有一定能量的電子。當(dāng)其入射固體樣品時，將與樣品內(nèi)原子核和核外電子發(fā)生彈性和非彈性散射過程，激發(fā)固體樣品產(chǎn)生多種物理信號。15第十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，所以，利用背散射電子作為成像信號不僅能分析形貌特征，也可用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地進行成分分析。由于背散射電子的作用范圍比二次電子更大，因此，背散射電子成像的分辨率相對較低。

二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。由于它發(fā)自試樣表面層，入射電子還沒有較多次散射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒多大區(qū)別。所以二次電子的分辨率較高，一般可達到50-100?。二次電子產(chǎn)額主要決定于表面形貌，主要用于分析形貌特征。掃描電子顯微鏡的分辨率通常就是二次電子分辨率。

掃描電鏡的成像16第十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

入射電子進入樣品后，經(jīng)多次非彈性散射，能量損失殆盡（假定樣品有足夠厚度，沒有透射電子產(chǎn)生），最后被樣品吸收。這種被樣品所吸收的電子稱為吸收電子。若在樣品和地之間接入一個高靈敏度的電流表，就可以測得樣品對地的信號，這個信號是由吸收電子提供的。入射電子束與樣品發(fā)生作用，若逸出表面的背散射電子或二次電子數(shù)量任一項增加，將會引起吸收電子相應(yīng)減少，若把吸收電子信號作為調(diào)制圖像的信號，則其襯度與二次電子像和背散射電子像的反差是互補的。17第十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。

X射線的波長和原子序數(shù)之間服從莫塞萊定律：式中，Z為原子序數(shù)，K、為常數(shù)。可以看出，原子序數(shù)和特征能量之間是有對應(yīng)關(guān)系的，利用這一對應(yīng)關(guān)系可以進行成分分析。如果用X射線探測器測到了樣品微區(qū)中存在某一特征波長，就可以判定該微區(qū)中存在的相應(yīng)元素。18第十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

處于激發(fā)態(tài)的原子體系釋放能量的另一形式是發(fā)射具有特征能量的俄歇電子。如果原子內(nèi)層電子能級躍遷過程所釋放的能量，仍大于包括空位層在內(nèi)的鄰近或較外層的電子臨界電離激發(fā)能，則有可能引起原子再一次電離，發(fā)射具有特征能量的俄歇電子。因每一種原子都有自己的特征殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，一般在50-1500eV范圍之內(nèi)。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原于層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號適用于表層化學(xué)成分分析。顯然，一個原子中至少要有三個以上的電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)，鈹是產(chǎn)生俄歇效應(yīng)的最輕元素。19第十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

除了上述幾種信號外，固體樣品中還會產(chǎn)生例如陰極熒光、電子束感生效應(yīng)等信號，這些信號經(jīng)過調(diào)制后也可以用于專門的分析。20第二十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一10.3掃描電鏡的主要性能1．放大倍數(shù)（magnification）

2．分辨率（resolution）

3．景深（depthoffield/depthoffocus）21第二十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

放大倍數(shù)

當(dāng)入射電子束作光柵掃描時，若電子束在樣品表面掃描的幅度為AS，在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為AC，則掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)為：

由于掃描電子顯微鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度AS來實現(xiàn)的。目前大多數(shù)商品掃描電鏡放大倍數(shù)為20-200000倍，介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間。22第二十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

分辨率

分辨率是掃描電子顯微鏡主要性能指標(biāo)。對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離；對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域。分辨率主要取決于入射電子束直徑，電子束直徑愈小，分辨率愈高。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3nm，場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于1nm。

但分辨率并不直接等于電子束直徑，因為入射電子束與試樣相互作用會使入射電子束在試樣內(nèi)的有效激發(fā)范圍大大超過入射束的直徑。23第二十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

在高能入射電子作用下，試樣表面激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號，用來調(diào)制熒光屏亮度的信號不同，則分辨率就不同。電子進入樣品后，作用區(qū)是一梨形區(qū)，不同的激發(fā)信號產(chǎn)生于不同深度。入射電子在樣品中的擴展24第二十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

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。入射電子束進入淺層表面時，尚未向橫向擴展開來，可以認為在樣品上方檢測到的俄歇電子和二次電子主要來自直徑與掃描束斑相當(dāng)?shù)膱A柱體內(nèi)。這兩種電子的分辨率就相當(dāng)于束斑的直徑。各種物理信號的產(chǎn)生深度和廣度范圍25第二十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

入射電子進入樣品較深部位時，已經(jīng)有了相當(dāng)寬度的橫向擴展，從這個范圍中激發(fā)出來的背散射電子能量較高，它們可以從樣品的較深部位處彈射出表面，橫向擴展后的作用體積大小就是背散射電子的成像單元，所以，背散射電子像分辨率要比二次電子像低，一般為50-200nm。掃描電鏡的分辨率用二次電子像的分辨率表示。26第二十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一信號二次電子背散射電子吸收電子特征X射線俄歇電子分辨率5~1050~200100~1000100~10005~10各種信號成像的分辨率(單位為nm)27第二十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

樣品原子序數(shù)愈大，電子束進入樣品表面的橫向擴展愈大，分辨率愈低。電子束射入重元素樣品中時，作用體積不呈梨狀，而是半球狀。電子束進入表面后立即向橫向擴展。即使電子束束斑很細小，也不能達到較高的分辨率，此時二次電子的分辨率和背散射電子的分辨率之間的差距明顯變小。電子束的束斑大小、調(diào)制信號的類型以及檢測部位的原子序數(shù)是影響掃描電子顯微鏡分辨率的三大因素。此外，影響分辨率的因素還有信噪比、雜散電磁場、機械振動等。噪音干擾造成圖像模糊；磁場的存在改變了二次電子運動軌跡，降低圖像質(zhì)量；機械振動引起電子束斑漂移，這些因素的影響都降低了圖像分辨率。28第二十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

景深SEM景深與TEM景深有著不同的意義，SEM景深是指透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍。

掃描電子顯微鏡的景深取決于分辨本領(lǐng)和電子束入射半角。電子束入射半角是控制景深的主要因素，它取決于末級透鏡的光闌直徑和工作距離。掃描電子顯微鏡角很?。s10-3rad），所以景深很大。

掃描電鏡以景深大而著名。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。

29第二十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一景深的依賴關(guān)系30第三十頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一10.4表面形貌襯度原理及其應(yīng)用

二次電子像是利用電子束在試樣表面逐點掃描時探測到的二次電子的發(fā)射強度形成的圖像。由于二次電子的發(fā)射強度主要取決于試樣表面的傾斜、起伏狀況，因此，二次電子像反映的是試樣的表面形貌，一般稱為形貌像。

二次電子成像原理31第三十一頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

二次電子只能從樣品表面層5~10nm深度范圍內(nèi)被入射電子束激發(fā)出來，大于10nm時，雖然入射電子也能使核外電于脫離原子面變成自由電子，但因其能量較低以及平均自由程較短，不能逸出樣品表面，最終只能被樣品吸收。32第三十二頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一二次電子發(fā)射強度與入射角的關(guān)系

被入射電子束激發(fā)出來的二次電子數(shù)量和原子序數(shù)沒有明顯的關(guān)系，但對微區(qū)表面的幾何形狀十分敏感。入射電子束與試樣表面法線間夾角愈大，二次電子產(chǎn)額愈大。33第三十三頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

形貌襯度原理二次電子形貌襯度來源于樣品中各區(qū)域與入射電子束夾角的差別。樣品中B區(qū)域的傾斜度最小，二次電子產(chǎn)額最少，亮度最低；反之，C區(qū)域傾斜度最大，亮度也最大。二次電子形貌襯度原理34第三十四頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

實際樣品可以被看作是由許多位向不同的小平面組成的。入射電子束的方向是固定的，但由于試樣表面凹凸不平，因此它對試樣表面不同處的入射角也是不同的。因而在熒光屏上反映出不同的襯度。實際樣品中二次電子的激發(fā)過程示意圖突出的尖棱、小粒子、比較陡的斜面處的圖像亮度較大；平面的亮度較低；深的凹槽底部雖然能產(chǎn)生較多的二次電子，但不易被檢測器收集到，因此槽底的襯度較暗。35第三十五頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

分辨率高

用不同信號形成的各種掃描電鏡圖像中，二次電子像的分辨率是最高的，這是因為二次電子發(fā)射范圍小，其發(fā)射面積與電子束斑的大小相當(dāng)。

二次電子成像的特點

景深大，立體感強特別適用于粗糙表面和斷口形貌的觀察研究。36第三十六頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

無明顯的陰影效應(yīng)

在電子收集器的柵網(wǎng)上加上+250V的偏壓，可以使低能二次電子走彎曲軌道到達電子收集器，這不僅增大了有效收集立體角，提高了二次電子信號強度，而且使得背向收集器的那些區(qū)域產(chǎn)生的二次電子，仍有相當(dāng)一部分可以通過彎曲的軌道到達收集器，有利于顯示背向收集器的樣品區(qū)域細節(jié)，而不致于形成陰影。加偏壓前后的二次電子收集情況(a)加偏壓前(b)加偏壓后37第三十七頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

基于二次電子像（表面形貌襯度）的分辨率比較高且不易形成陰影等諸多優(yōu)點，使其成為掃描電鏡應(yīng)用最廣的一種方式，尤其在失效工件的斷口檢測、磨損表面觀察以及各種材料形貌特征觀察上，已成為目前最方便、最有效的手段。

二次電子形貌襯度的應(yīng)用38第三十八頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一

粉體的形貌觀察39第三十九頁，共四十六頁，編輯于2023年，星期一