第二章第6節(jié)掃描電子顯微分析

掃描電子顯微分析與電子探針第一節(jié)掃描電子顯微鏡任務(wù)原理及構(gòu)造一、任務(wù)原理圖10-1掃描電子顯微鏡原理表示圖二、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(cè)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)表示圖表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能夠小的束斑直徑；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)生橫向偏轉(zhuǎn)，包括用于構(gòu)成光柵狀掃描的掃描系統(tǒng)，以及使樣品上的電子束延續(xù)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(chǎng)，也可采用橫向磁場(chǎng)。3．信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)作用：搜集(探測(cè))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)展放大。不同的物理信號(hào)，要用不同類型的搜集系統(tǒng)。檢測(cè)器：閃爍計(jì)數(shù)器是最常用的一種信號(hào)檢測(cè)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(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特點(diǎn)，可用來(lái)檢測(cè)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(cè)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，供察看或記錄。5．電源系統(tǒng)作用：為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)的平安維護(hù)電路組成6．真空系統(tǒng)作用：確保電子光學(xué)系統(tǒng)正常任務(wù)、防止樣品污染、保證燈絲的任務(wù)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外表上的掃描振幅之比，即：M：可從20倍到20萬(wàn)倍延續(xù)調(diào)理?！?〕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要素有很多，但主要要素有：①掃描電子束斑直徑；②入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)〔作用區(qū)的大小和外形〕； 高能電子與資料的相互作用區(qū)的外形與大小主要取決于樣品的原子序數(shù)，入射的高能電子雖不能改動(dòng)作用區(qū)的外形，但卻能影響作用區(qū)的大小。③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，因此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；④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(cè)器和樣品；⑤雜散磁場(chǎng) 環(huán)境磁場(chǎng)的影響；⑥機(jī)械振動(dòng)將引起束斑漂流等，使分辨率下降?！?〕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)才干范圍，這個(gè)范圍用一段間隔來(lái)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(jiǎn)單，對(duì)金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小適宜的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘貼在電鏡的樣品座上即可直接進(jìn)展察看。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)展清洗．必要時(shí)用超聲波振蕩器振蕩，或進(jìn)展外表拋光；試樣可以是塊狀或粉末顆粒，在真空中能堅(jiān)持穩(wěn)定；外表遭到污染的試樣，要在不破壞試樣外表構(gòu)造的前提下進(jìn)展適當(dāng)清洗，然后烘干。新斷開(kāi)的斷口或斷面，普通不需求進(jìn)展處置，以免破壞斷口或外表的構(gòu)造形狀。有些試樣的外表、斷口需求進(jìn)展適當(dāng)?shù)那治g，才干暴露某些構(gòu)造細(xì)節(jié)，那么在侵蝕后應(yīng)將外表或斷口清洗干凈，然后烘干。磁性試樣要預(yù)先去磁；試樣大小要適宜；

對(duì)試樣的要求對(duì)于塊狀導(dǎo)電資料，除了大小要適宜儀器樣品座尺寸外，根本上不需進(jìn)展什么制備，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察看。對(duì)于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的資料，要先進(jìn)展鍍膜處置。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，即可上電鏡察看。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〕安裝構(gòu)造簡(jiǎn)單，運(yùn)用方便，濺射一次只需幾分鐘，而真空鍍膜那么要半個(gè)小時(shí)以上。〔2〕耗費(fèi)貴金屬少，每次僅約幾毫克?！?〕對(duì)同一種鍍膜資料，離子濺射鍍膜質(zhì)量好，能構(gòu)成顆粒更細(xì)、更致密、更均勻、附著力更強(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大體類似，只是添加了接納記錄X射線的譜儀。EPMA運(yùn)用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。圖10-17電子探針構(gòu)造表示圖一、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(cè)器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器，它實(shí)踐上是一個(gè)以Li為施主雜質(zhì)的n-i-p型二極管圖10-18Si(Li)檢測(cè)器探頭構(gòu)造表示圖以Si(Li)檢測(cè)器為探頭的能譜儀實(shí)踐上是一整套復(fù)雜的電子學(xué)安裝。圖10-19Si(Li)X射線能譜儀Si(Li)能譜儀的優(yōu)點(diǎn)：(1)分析速度快能譜儀可以同時(shí)接受和檢測(cè)一切不同能量的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一切元素，帶鈹窗口的探測(cè)器可探測(cè)的元素范圍為11Na～92U，20世紀(jì)80年代后推向市場(chǎng)的新型窗口資料可使能譜儀可以分析Be以上的輕元素，探測(cè)元素的范圍為4Be～92U。(2)靈敏度高 X射線搜集立體角大。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(wú)需經(jīng)過(guò)晶體衍射，信號(hào)強(qiáng)度幾乎沒(méi)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)條件下任務(wù)，這有利于提高分析的空間分辨率。(3)譜線反復(fù)性好 由于能譜儀沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，且沒(méi)有聚焦要求，所以譜線峰值位置的反復(fù)性好且不存在失焦問(wèn)題，適宜于比較粗糙外表的分析任務(wù)。能譜儀的缺陷：(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(cè)到，從而使得Si(Li)檢測(cè)器檢測(cè)到的特征譜線在強(qiáng)度提高的同時(shí)，背底也相應(yīng)提高，譜線的重疊景象嚴(yán)重。故儀器分辨不同能量特征X射線的才干變差。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。(2)任務(wù)條件要求嚴(yán)厲。Si(Li)探頭必需一直堅(jiān)持在液氦冷卻的低溫形狀，即使是在不任務(wù)時(shí)也不能中斷，否那么晶體內(nèi)Li的濃度分布形狀就會(huì)因分散而變化，導(dǎo)致探頭功能下降甚至完全被破壞。二、波譜儀波譜儀全稱為波長(zhǎng)分散譜儀(WDS)。被激發(fā)的特征X射線照射到延續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的分光晶體上實(shí)現(xiàn)分光(色散)，即不同波長(zhǎng)的X射線將在各自滿足布拉格方程的2方向上被檢測(cè)器接納。波譜儀的特點(diǎn)：波譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)分辨率很高。 如它可將波長(zhǎng)非常接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線明晰地分開(kāi)。但由于構(gòu)造的特點(diǎn)，譜儀對(duì)X射線光源發(fā)射的X射線光量子的搜集率也就會(huì)很低，致使X射線信號(hào)的利用率極低。此外，由于經(jīng)過(guò)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)度下運(yùn)用，這是波譜儀的兩個(gè)缺陷。(a)能譜曲線；(b)波譜曲線能譜議和波譜儀的譜線比較電子探針?lè)治龅母救蝿?wù)方式一是定點(diǎn)分析，即對(duì)樣品外表選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn)展定性或半定量分析，并對(duì)其所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)展定量分析；二是線掃描分析，即電子束沿樣品外表選定的直線軌跡進(jìn)展所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性或半定量分析；三是面掃描分析，即電子束在樣品外表作光柵式面掃描，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。以下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點(diǎn)成分分析結(jié)果，可見(jiàn)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%)以下圖給出BaF2晶界限掃描分析的例子，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(jiàn)在晶界上有O的偏聚。Ba