組織形貌分析第三章-電子顯微鏡

1、,第 1 篇 組織形貌分析,第三章 掃描電子顯微鏡,簡稱掃描電鏡。 它不用透鏡放大成像，而是以類似電視的成像方式，用聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)產(chǎn)生的某些物理信號來調(diào)制成像。,第三章 掃描電子顯微鏡（SEM）,第三章 掃描電子顯微鏡（SEM）,1. 掃描電鏡的優(yōu)點 2. 電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號(重點) 3. 掃描電鏡的工作原理 (重點) 4. 掃描電鏡的構(gòu)造 5. 掃描電鏡襯度像(重點) 8. 應(yīng)用舉例 6. 掃描電鏡的主要性能 9. SEM重點內(nèi)容回顧 7. 樣品制備 10. SEM演示錄像,1. 掃描電鏡的優(yōu)點,分辨率高：入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨率的極限。場發(fā)射電子槍的

2、應(yīng)用可得到精確聚焦的電子束，現(xiàn)代先進的掃描電鏡的分辨率已經(jīng)達到1 nm左右。 放大倍數(shù)高：20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)。 景深大：視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。比光學(xué)顯微鏡大幾百倍。 試樣制備簡單。 配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時進行顯微組織形貌的觀察和微區(qū)成分分析。,光學(xué)顯微鏡 VS 掃描電鏡,多孔硅的光學(xué)顯微鏡圖像,多孔硅的掃描電鏡圖像,多孔硅：可見光發(fā)光材料。,2. 電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號（重點）,2.1 彈性散射和非彈性散射,2.2 電子顯微鏡常用的信號,2.3 各種信號的深度和區(qū)域大小,2.1 彈性散射和非彈性散射,一束聚焦電子束沿一定

3、方向入射到試樣內(nèi)時，由于晶格位場和原子庫侖場的作用，其入射方向會發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為散射。,彈性散射： 散射過程中入射電子只改變方向，其總動能基本上無變化。彈性散射的電子符合布拉格定律，攜帶有晶體結(jié)構(gòu)、對稱性、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： 散射過程中入射電子的方向和動能都發(fā)生改變。在非彈性散射情況下，入射電子會損失一部分能量，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。,2.2 SEM中的三種主要信號,二次電子：被入射電子轟擊出來的樣品中原子的核外電子（內(nèi)層電子或價電子）。反映樣品表面的

4、形貌特征，分辨率高。 背散射電子：被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。形貌特征及定性成分分析。 特征X射線：入射電子激發(fā)原子內(nèi)層電子后，外層電子躍遷至內(nèi)層時發(fā)出的光子。定量成分分析。,三種主要信號的產(chǎn)生過程,其他信號,俄歇電子：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，多余能量轉(zhuǎn)移給外層電子，使外層電子掙脫原子核的束縛，成為俄歇電子。詳細(xì)的介紹見本書第三篇第十三章俄歇電子能譜部分。 透射電子 :電子穿透樣品的部分。用于透射電鏡的明場像和透射掃描電鏡的掃描圖像, 以揭示樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形貌及物相特征。詳細(xì)的介紹見本書第二篇第九章電子衍射和

5、顯微技術(shù)部分。,2.3 各種信號的深度和區(qū)域大小,入射電子束受到樣品原子的散射作用，偏離原來方向，向外發(fā)散。隨著電子束進入樣品深度的不斷增加，入射電子的分布范圍不斷增大，動能不斷降低，直至動能降為零，最終形成一個規(guī)則的作用區(qū)域。 對于輕元素樣品，電子束散射區(qū)域的外形 “梨形作用體積”；重元素樣品“半球形作用體積” 。,梨形作用體積,2.3 各種信號的深度和區(qū)域大小, 改變電子能量只引起 作用體積大小的變化，而不會顯著的改變形狀。,電子束能量與作用體積的關(guān)系,有效作用區(qū)：可以產(chǎn)生信號的區(qū)域。 電子有效作用深度：有效作用區(qū)的最深處。 有效作用區(qū)內(nèi)的信號并不一定都能逸出材料表面、成為有效的可供采集的

6、信號。 隨著信號的有效作用深度增加，作用區(qū)范圍增加，信號產(chǎn)生的空間范圍也增加，信號的空間分辨率降低。,2.3 各種信號的深度和區(qū)域大小,(510 nm),SEM的分辨率指的是二次電子的分辨率。,3.1 掃描電鏡的工作原理（重點）,光柵掃描：入射電子束在樣品表面上作光柵式逐行掃描，同時，控制電子束的掃描線圈上的電流與熒光屏相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈上的電流同步。每一個物點均對應(yīng)一個像點。 逐點成像：電子束所到之處，每個物點都會產(chǎn)生相應(yīng)的信號（如二次電子等），信號被接收放大后用來調(diào)制像點的亮度，信號越強，像點越亮。這樣，就在熒光屏上得到與樣品上掃描區(qū)域相對應(yīng)但經(jīng)過高倍放大的圖像，客觀地反映樣品上的形貌（或成分）

7、信息。,光柵掃描、逐點成像,3.2 掃描電鏡圖像的放大倍數(shù),掃描電鏡圖像的放大倍數(shù)定義為顯像管中電子束在熒光屏上的掃描振幅和電子光學(xué)系統(tǒng)中電子束在樣品上掃描振幅的比值，即： 式中，M：放大倍數(shù)，L：顯像管的熒光屏尺寸；l：電子束在試樣上掃描距離。,M=L/l,4. 掃描電子顯微鏡的構(gòu)造,電子光學(xué)系統(tǒng) 信號收集及顯示系統(tǒng) 真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng),4.1 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。 用來獲得掃描電子束，作為信號的激發(fā)源。掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑 主要由電子槍決定。,電子槍發(fā)展三個階段,200 m,熱陰極電子槍,場發(fā)射電子槍,鎢燈絲,六硼化鑭燈絲

8、,35kV,幾十幾百kV,電子束直徑：10 nm,電子束亮度較低； 束斑尺寸較大。,4.2 信號收集及顯示系統(tǒng),檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。二次電子、背散射電子通常采用閃爍計數(shù)器，由法拉第網(wǎng)杯、閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增器組成。,末級透鏡,背散射電子探頭,法拉第網(wǎng)杯（+200+500 V）,閃爍體,光導(dǎo)管,光電倍增器,三種信號的探測器,4.3 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 10-4-10-5 Torr（ 10-2-10-3 Pa）的真空度。 電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的

9、安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。,5. 掃描電鏡襯度像（重點）,掃描電鏡襯度的形成：主要是利用樣品表面微區(qū)特征（如形貌、原子序數(shù)或化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向等）的差異。 二次電子像：分辨率高，立體感強 背散射電子像：粗略反映輕重不同元素的分布,提供表面形貌襯度。二次電子來自試樣表面層，發(fā)射率受表面形貌影響大。二次電子產(chǎn)額（發(fā)射率）與入射電子束與試樣表面法向夾角有關(guān)，1/cos 。因此，試樣表面凹凸不平的部位產(chǎn)生的二次電子信號強度比在其他平坦部分產(chǎn)生的信號強度大，從而形成表面形貌襯度。,5.1 二次電子像,入射 電子束,產(chǎn)率 ,陶瓷燒結(jié)體的表面圖像,多孔硅的剖面圖,5.1

10、 二次電子像,5.2 背散射電子像,形貌襯度 樣品表面形貌影響背散射電子的產(chǎn)率，但其分辨率遠(yuǎn)比二次電子低。背反射電子時來自一個較大的作用體積。此外，背反射電子能量較高，它們以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背散射電子，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié)。 成分襯度 反映樣品微區(qū)的原子序數(shù)或化學(xué)成分的差異。 背散射電子大部分是受原子核反射回來的入射電子。發(fā)射系數(shù)()隨原子序數(shù)(Z)的增大而增加。 樣品中重元素區(qū)域在圖像上較亮，而輕元素在圖像上較暗。,背散射電子既可以用來顯示形貌襯度，也可以用來顯示成分襯度。,背散射電子像與二次電子像的比較,錫鉛鍍層的表面圖像 （a）二次電子

11、圖像（b）背散射電子圖像,(a),(b),信號接收器由兩塊獨立的檢測器組成。 對于原子序數(shù)信息來說，進入左右兩個檢測器的電信號，其大小和極性相同，而對于形貌信息，兩個檢測器得到的電信號絕對值相同，其極性恰恰相反。 將檢測器得到的信號相加，能得到反映樣品原子序數(shù)的信息；相減能得到形貌信息。,5.3 背散射電子像的獲得,背散射電子探頭采集的成分像（a）和形貌像（b）,(a),(b),背散射電子像,6. 掃描電子顯微鏡的主要性能,分辨率 放大倍數(shù) 景深,6.1 分辨率,掃描電鏡分辨率的極限：入射電子束束斑直徑； 入射電子束在樣品中的擴展效應(yīng)：提高電子束能量在一定條件下對提高分辨率不利； 成像方式及所

12、用的調(diào)制信號：二次電子像的分辨率約等于束斑直徑（幾個nm），背反射電子像的分辨率約為50-200nm。X射線的深度和廣度都遠(yuǎn)較背反射電子的發(fā)射范圍大，所以X射線圖像的分辨率遠(yuǎn)低于二次電子像和背反射電子像。,對形貌觀察而言，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。,6.2 放大倍數(shù),熒光屏上圖像邊長與電子束在樣品上掃描振幅的比值。目前大多數(shù)商用掃描電鏡放大倍數(shù)為2020,000倍。,6.3 景深,景深是指一個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

13、辨本領(lǐng) : 電子束的入射半角,電子束入射半角的影響,工作距離的影響,7. 樣品制備,樣品制備方法簡單，對于導(dǎo)電性好的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行觀察。 對于非導(dǎo)電樣品，在電子束作用下會產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運動軌跡，使圖像質(zhì)量下降。這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進行處理，通常采用金、銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚在20nm左右。 掃描電鏡制樣技術(shù)中通常采用離子濺射鍍膜法和真空蒸發(fā)。,離子濺射鍍膜儀,(100 V1000 V),Sputtering Machine,8. 掃描電鏡應(yīng)用實例,8.1 斷口形貌分析

14、 8.2 納米材料形貌分析,8.1 斷口形貌分析,塑性斷裂,脆性斷裂,塑性和脆性斷裂同時存在,1018號鋼在不同溫度下的斷口形貌,微空洞和夾雜物,解理面,8.1 斷口形貌分析,D. Ferrer-Balas et al., Polymer 43, 3083-3091 (2002),共聚聚丙烯(H0)、乙烯-聚丙烯嵌段共聚物(C1-C3)薄膜在不同溫度下的斷口形貌,8.2 納米材料形貌分析,低倍像,高倍像,多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌,8.2 納米材料形貌分析,ZnO納米線的二次電子圖像,8.2 納米材料形貌分析,水中,甲苯中,J. Cui et al., J. Colloid Interface Sci. 326, 267-274 (2008),有機低分子凝膠因子在不同溶劑中的自組裝形貌,8.2 納米材料形貌分析,S. Al-Malaika et al., Polymer 46, 209-228 (2005),PET/EPR 80:20 w/w,PET/EPR 60:40 w/w,聚對苯二甲酸乙