第三章-掃描電子顯微鏡（經(jīng)典實(shí)用）

1、第三章-掃描電子顯微鏡 第三章-掃描電子顯微鏡 簡(jiǎn)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(shí)激發(fā)產(chǎn) 生的某些物理信號(hào) 來調(diào)制成像。 第三章-掃描電子顯微鏡 花蕊的柱頭花蕊的柱頭花粉花粉 茉莉花花粉茉莉花花粉菊花花粉菊花花粉 第三章-掃描電子顯微鏡 第三章-掃描電子顯微鏡 l分辨率高分辨率高：入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨率的 極限。場(chǎng)發(fā)射電子槍的應(yīng)用可得到精確聚焦的電子束， 現(xiàn)代先進(jìn)的掃描電鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到1 nm左右。 l放大倍數(shù)高放大倍數(shù)高：20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)。 l景深大景深大：視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種 試樣凹

2、凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)。比光學(xué)顯微鏡大幾百 倍。 l試樣制備簡(jiǎn)單。 l配有配有X X射線能譜儀裝置射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織 形貌的觀察和微區(qū)成分分析。 第三章-掃描電子顯微鏡 多孔硅的光學(xué)顯多孔硅的光學(xué)顯 微鏡圖像微鏡圖像 多孔硅的掃描多孔硅的掃描 電鏡圖像電鏡圖像 多孔硅：可見光發(fā)光材料。 第三章-掃描電子顯微鏡 第三章-掃描電子顯微鏡 一束聚焦電子束沿一定方向入射到試樣內(nèi)時(shí)，由于晶格 位場(chǎng)和原子庫侖場(chǎng)的作用，其入射方向會(huì)發(fā)生改變的現(xiàn)象稱 為散射。 l 彈性散射： 散射過程中入射電子只改變方向，其總動(dòng)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(duì)稱性、 取向

3、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)。 l 非彈性散射： 散射過程中入射電子的方向和動(dòng)能都發(fā)生改變。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。 第三章-掃描電子顯微鏡 l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(jià)電子）。反映樣品表面 的形貌特征，分辨率高。 l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。 l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

4、內(nèi)層時(shí)發(fā)出的光子。定量成分分析。 第三章-掃描電子顯微鏡 彈性背散 射電子 入射電子 非彈性背 散射電子 二次電子 特征X射線 第三章-掃描電子顯微鏡 l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(shí)，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。 l透射電子 : :電子穿透樣品的部分。用于透射電鏡的明場(chǎng)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電子衍 射和顯微技術(shù)射和顯微技術(shù)部分。 第三章-掃描電子顯微鏡 l 入射電子束受到樣品原子的散

5、 射作用，偏離原來方向，向外 發(fā)散。隨著電子束進(jìn)入樣品深 度的不斷增加，入射電子的分 布范圍不斷增大，動(dòng)能不斷降 低，直至動(dòng)能降為零，最終形 成一個(gè)規(guī)則的作用區(qū)域。 l 對(duì)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” 。 梨形作用體積梨形作用體積 第三章-掃描電子顯微鏡 改變電子能量只引起 作用體積大小的變化， 而不會(huì)顯著的改變形 狀。 電子束能量與作用體積的關(guān)系 第三章-掃描電子顯微鏡 l有效作用區(qū)：可以產(chǎn)生信號(hào)的區(qū)域。 l電子有效作用深度：有效作用區(qū)的最深處。 l有效作用區(qū)內(nèi)的信號(hào)并不一定都能逸出材料表面、成為有效 的可供采集的信號(hào)。 l隨著信號(hào)

6、的有效作用深度增加，作用區(qū)范圍增加，信號(hào)產(chǎn)生 的空間范圍也增加，信號(hào)的空間分辨率降低。 入射電子束 二次電子 背散射電子(100 nm1 m) 連續(xù)X射線 特征X射線 俄歇電子（0.42 nm） (510 nm) SEM的分辨率指的是二次 電子的分辨率。 第三章-掃描電子顯微鏡 l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(shí)，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(gè)物點(diǎn)均對(duì)應(yīng)一個(gè)像點(diǎn)。 l逐點(diǎn)成像：電子束所到之處，每個(gè) 物點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)（如二次 電子等），信號(hào)被接收放大后用來 調(diào)制像點(diǎn)的亮度，信號(hào)越強(qiáng)，像點(diǎn) 越亮。這樣，就在熒光屏上得到與 樣

7、品上掃描區(qū)域相對(duì)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）信息。 電子槍 照明透 鏡系統(tǒng) 掃描線圈 末級(jí)透鏡 樣品探測(cè)器至真空泵 熒光屏 光柵掃描、逐點(diǎn)成像 第三章-掃描電子顯微鏡 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 第三章-掃描電子顯微鏡 l電子光學(xué)系統(tǒng) l信號(hào)收集及顯示系統(tǒng) l真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng) 第三章-掃描電子顯微鏡 l由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。 l用來獲得掃描電子束，作為信號(hào)的激

8、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。 電子槍電子槍 第一、二聚光鏡第一、二聚光鏡 物鏡物鏡 掃描線圈掃描線圈 樣品室樣品室 第三章-掃描電子顯微鏡 200 m 熱陰極電子槍熱陰極電子槍 場(chǎng)發(fā)射電子槍場(chǎng)發(fā)射電子槍 鎢燈絲 六硼化鑭燈絲 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。 第三章-掃描電子顯微鏡 l檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，經(jīng)視頻放大作為顯 像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。二次電子、背散射電子通常采用閃爍計(jì)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(jí) 透鏡 背散射電子 探頭 法拉第網(wǎng)杯 （+200+

9、500 V） 閃爍體 光導(dǎo)管 光電倍增器 第三章-掃描電子顯微鏡 X-ray Detector Back Scatter Electron Detector 第三章-掃描電子顯微鏡 l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。 l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。 第三章-掃描電子顯微鏡 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。 l 二次電子像：分辨率高，

10、立體感強(qiáng) l 背散射電子像：粗略反映輕重不同元素的分布 第三章-掃描電子顯微鏡 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(hào)強(qiáng)度比在其他平坦部分產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度大，從而形 成表面形貌襯度。 入射 電子束 產(chǎn)率 第三章-掃描電子顯微鏡 陶瓷燒結(jié)體的表面圖像多孔硅的剖面圖 第三章-掃描電子顯微鏡 l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(shí)來自一個(gè)較大的作用體積。此外，背 反射電子能量較高，它們以直線軌跡逸出樣品表

11、面，對(duì)于背向 檢測(cè)器的樣品表面，因檢測(cè)器無法收集到背散射電子，而掩蓋 了許多有用的細(xì)節(jié)。 l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。 )10( 4 1 6 ln Z Z 第三章-掃描電子顯微鏡 錫鉛鍍層的表面圖像 （a）二次電子圖像（b）背散射電子圖像 (a) (b) 鉛 錫 第三章-掃描電子顯微鏡 l信號(hào)接收器由兩塊獨(dú)立的檢測(cè)器組成。 l對(duì)于原子序數(shù)信息來說，進(jìn)入左右兩個(gè)檢測(cè)器的

12、電信號(hào)，其大 小和極性相同，而對(duì)于形貌信息，兩個(gè)檢測(cè)器得到的電信號(hào)絕 對(duì)值相同，其極性恰恰相反。 l將檢測(cè)器得到的信號(hào)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。 成分像形貌像 成分像 形貌像 + - 第三章-掃描電子顯微鏡 背散射電子探頭采集的成分像（a）和形貌像（b） (a)(b) 第三章-掃描電子顯微鏡 第三章-掃描電子顯微鏡 l掃描電鏡分辨率的極限：入射電子束束斑直徑； l入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)：提高電子束能量在一 定條件下對(duì)提高分辨率不利； l成像方式及所用的調(diào)制信號(hào)：二次電子像的分辨率約等 于束斑直徑（幾個(gè)nm），背反射電子像的分辨率約為50- 200nm。X射

13、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(duì)形貌觀察而言，指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離；對(duì)微 區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域。 第三章-掃描電子顯微鏡 熒光屏上圖像邊長(zhǎng)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。 第三章-掃描電子顯微鏡 l景深是指一個(gè)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)能力范圍。 l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。 cc Mtg mm tg d F 2 . 0 0 d0 : 臨界分辨本領(lǐng) : 電子束的入

14、射半角 c 電子束入射半角的影響工作距離的影響 第三章-掃描電子顯微鏡 l樣品制備方法簡(jiǎn)單，對(duì)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(jìn)行觀察。 l對(duì)于非導(dǎo)電樣品，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。 這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用金、銀或 碳膜做導(dǎo)電層，膜厚在20nm左右。 l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)。 第三章-掃描電子顯微鏡 陰極 陽極 (100 V1000 V) 第三章-掃描電子顯微鏡 第三章-掃描電子顯微鏡 T 295

15、 K 塑性斷裂脆性斷裂 T 295 K T 295 K 塑性和脆性斷裂同時(shí)存在 1018號(hào)鋼在不同溫度下的斷口形貌 微空洞和 夾雜物 解理面 第三章-掃描電子顯微鏡 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 第三章-掃描電子顯微鏡 低倍像 高倍像 多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌 第三章-掃描電子顯微鏡 ZnO納米線的二次電子圖像 第三章-掃描電子顯微鏡 水中甲苯中 J. Cui et al., J. Colloid Interface Sci. 326, 267- 274 (2008) 三氯甲烷中 有機(jī)低分子凝膠因子在不同溶劑中的自組裝形貌 第三章-掃描電子顯微鏡 S. Al-Malaika et al., Polymer 46, 209-228 (2005) PET/EPR 80:20 w/wPET/EPR 60:40 w/w 聚對(duì)苯二甲酸乙二酯