掃描電鏡教程

1、第十章第十章 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 返回首頁返回首頁 掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英 文 縮 寫 為文 縮 寫 為 S E M ( S c a n n i n g E l e c t ro n Microscope)。SEM與電子探針（與電子探針（EPMA）的的 功能和結構基本相同，但功能和結構基本相同，但SEM一般不帶波譜一般不帶波譜 儀（儀（WDS）。）。 。現(xiàn)在?，F(xiàn)在SEM都與能譜都與能譜 （EDS）組合，可以進行成分分析。所以，組合，可以進行成分分析。所以， SEM也是也是顯微結構分析顯微結構分析的主要儀器，已廣泛的主要儀器，已廣泛 用于材

2、料、冶金、礦物、生物學等領域。用于材料、冶金、礦物、生物學等領域。 引言引言 掃描電鏡結構原理掃描電鏡結構原理 1. 掃描電鏡的工作原理及特點掃描電鏡的工作原理及特點 掃描電鏡的工作原理與閉路電視系統(tǒng)相似。掃描電鏡的工作原理與閉路電視系統(tǒng)相似。 掃描電鏡成像示意圖 掃描電鏡成像示意圖 JSM-6700F場發(fā)射掃描電鏡場發(fā)射掃描電鏡 2. 掃描電鏡的主要結構掃描電鏡的主要結構 主要包括有電子光學系統(tǒng)、掃描系主要包括有電子光學系統(tǒng)、掃描系 統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記 錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。 透射電鏡一般是透射電鏡一般是電子光學

3、系統(tǒng)（照明電子光學系統(tǒng)（照明 系統(tǒng)）系統(tǒng)）、成像放大系統(tǒng)成像放大系統(tǒng)、電源電源和和真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 三大部分組成。三大部分組成。 比較比較 3.3.電子與固體試樣的交互作用電子與固體試樣的交互作用 一束細聚焦的電子束轟擊試樣表面一束細聚焦的電子束轟擊試樣表面 時，入射電子與試樣的原子核和核外電時，入射電子與試樣的原子核和核外電 子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激 發(fā)出反映試樣形貌、結構和組成的各種發(fā)出反映試樣形貌、結構和組成的各種 信息，有：二次電子、背散射電子、信息，有：二次電子、背散射電子、 陰極發(fā)光、特征陰極發(fā)光、特征X 射線、俄歇過程和俄射線、俄歇過程

4、和俄 歇電子、吸收電子、透射電子等。歇電子、吸收電子、透射電子等。 樣品樣品 入射電子入射電子 AugerAuger電子電子 陰極發(fā)光陰極發(fā)光 背散射電子背散射電子 二次電子二次電子 X射線射線 透射電子透射電子 各種信息的作用深度各種信息的作用深度 從圖中可以看出，從圖中可以看出， 俄歇電子的穿透俄歇電子的穿透 深度最小，一般深度最小，一般 穿透深度小于穿透深度小于 1nm，二次電子二次電子 小于小于10nm。 q二次電子像二次電子像 q背散射電子像背散射電子像 入射電子與樣品相互作用后，使樣入射電子與樣品相互作用后，使樣 品原子較外層電子（價帶或導帶電子）品原子較外層電子（價帶或導帶電子）

5、 電離產(chǎn)生的電子，稱二次電子電離產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電。二次電 子能量比較低，習慣上把子能量比較低，習慣上把能量小于能量小于50eV 電子統(tǒng)稱為二次電子，電子統(tǒng)稱為二次電子，僅在樣品表面僅在樣品表面 5nm10nm的深度的深度內才能逸出表面，內才能逸出表面， 這是二次電子分辨率高的重要原因之一。這是二次電子分辨率高的重要原因之一。 背散射電子與二次電子背散射電子與二次電子 的信號強度與的信號強度與Z Z的關系的關系 結論結論 二次電子信號在原序二次電子信號在原序 數(shù)數(shù)Z20Z20后，其信號強后，其信號強 度隨度隨Z Z變化很小。變化很小。 用用 背散射電子像可以觀背散射電子像可以觀 察

6、未腐蝕樣品的拋光察未腐蝕樣品的拋光 面元素分布或相分布，面元素分布或相分布， 并可確定元素定性、并可確定元素定性、 定量分析點定量分析點。 1二次電子象二次電子象 。因為二次電子信。因為二次電子信 號主要來處樣品表層號主要來處樣品表層510nm的深度范圍，的深度范圍， 它的強度與原子序數(shù)沒有明確的關系，便對它的強度與原子序數(shù)沒有明確的關系，便對 微區(qū)表面相對于入射電子束的方向卻十分敏微區(qū)表面相對于入射電子束的方向卻十分敏 感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于 顯示形貌襯度。顯示形貌襯度。 凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電

7、子，用二次電子探測器很容易全部被收集，子，用二次電子探測器很容易全部被收集， 所以二次電子圖像無陰影效應，二次電子所以二次電子圖像無陰影效應，二次電子 易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產(chǎn)易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產(chǎn) 額額 K/cos K為常數(shù)，為常數(shù)，為入射電子與樣品表面法為入射電子與樣品表面法 線之間的夾角，線之間的夾角， 角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表 明二次電子對樣品表面狀態(tài)非常敏感明二次電子對樣品表面狀態(tài)非常敏感。 同學們請看書上同學們請看書上P109頁解釋的原因頁解釋的原因 形貌襯度原理形貌襯度原理 背散射電子像背散射電子像 背散射電子背散射電

8、子是指入射電子與樣品相是指入射電子與樣品相 互作用互作用( (彈性和非彈性散射彈性和非彈性散射) )之后，再次之后，再次 逸出樣品表面的高能電子，其能量接近逸出樣品表面的高能電子，其能量接近 于入射電子能量于入射電子能量( ( E E。) )。背射電子的產(chǎn)背射電子的產(chǎn) 額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以 背散射電子信號的強度與背散射電子信號的強度與樣品的化學組樣品的化學組 成成有關，即與組成樣品的各元素有關，即與組成樣品的各元素平均原平均原 子序數(shù)子序數(shù)有關。有關。 i i i zcZ 背散射電子的信號強度背散射電子的信號強度I與原子序數(shù)與原子序數(shù)Z的關系為的

9、關系為 4 3 3 2 ZI 式中式中Z為原子序數(shù)，為原子序數(shù)，C為百分含量為百分含量(Wt%)。 背散射電子像背散射電子像 ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背系耐火材料的背 散射電子成分像，散射電子成分像，1000 ZrO2-Al2O3-SiO2系系 耐火材料的背散射耐火材料的背散射 電子像。由于電子像。由于ZrO2 相平均原子序數(shù)遠相平均原子序數(shù)遠 高于高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以圖中白色相，所以圖中白色 相為斜鋯石，小的相為斜鋯石，小的 白色粒狀斜鋯石與白色粒狀斜鋯石與 灰色莫來石混合區(qū)灰色莫來石混合區(qū) 為莫來石斜鋯石為莫來石斜鋯石 共析體，基體灰色共析體，基體灰色

10、 相為莫來石。相為莫來石。 玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像 拋光面拋光面 斷口分析斷口分析 粉體形貌觀察粉體形貌觀察 Al203團聚體團聚體(a)和和 團聚體內部的一次粒子結構形態(tài)團聚體內部的一次粒子結構形態(tài)(b) (a) 300 (b) 6000 鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌 20000 放大倍率高（放大倍率高（M=Ac/As） 分辨率高（分辨率高（d0=dmin/M總總） 景深大（景深大（F d0/） 保真度好保真度好 樣品制備簡單樣品制備簡單 放放大倍率高大倍率高 從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調。放大從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調。放大 倍率

11、不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分 析樣品的需要進行選擇。如果放大倍率為析樣品的需要進行選擇。如果放大倍率為M， 人眼分辨率為人眼分辨率為0.2mm，儀器分辨率為儀器分辨率為5nm， 則有效放大率則有效放大率M0.2 106nm 5nm=40000 （倍）。如果選擇高于倍）。如果選擇高于40000倍的放大倍率，倍的放大倍率， 不會增加圖像細節(jié)，只是虛放，一般無實際意不會增加圖像細節(jié)，只是虛放，一般無實際意 義。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀義。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀 器放大倍率指標。器放大倍率指標。 分辨率高分辨率高 分辨率指能分辨

12、的兩點之間的最小距離。分辨率分辨率指能分辨的兩點之間的最小距離。分辨率d可以可以 用貝克公式表示：用貝克公式表示：d=0.61 /nsin ， 為透鏡孔徑半角，為透鏡孔徑半角， 為照明樣品的光波長，為照明樣品的光波長，n為透鏡與為透鏡與 樣品間介質折射率。對光學顯微鏡樣品間介質折射率。對光學顯微鏡 70 75 ， n=1.4。因為因為 nsin1.4，而可見光波長范圍為：而可見光波長范圍為： 400nm-700nm ，所以光學顯微鏡分辨率所以光學顯微鏡分辨率 d 0.5 ， 顯然顯然 d 200nm。要提高分辨率可以通過減小照明波要提高分辨率可以通過減小照明波 長來實現(xiàn)。長來實現(xiàn)。SEM是用電

13、子束照射樣品，電子束是一種是用電子束照射樣品，電子束是一種 D e B r o g l i e 波 ， 具 有 波 粒 二 相 性 ，波 ， 具 有 波 粒 二 相 性 ， 12.26/V 0 . 5 (伏伏) ，如果，如果V20kV時，則時，則 0.0085nm。目前用目前用W燈絲的燈絲的SEM，分辨率已達到分辨率已達到 3nm-6nm, 場發(fā)射源場發(fā)射源SEM分辨率可達到分辨率可達到1nm 。高分高分 辨率的電子束直徑要小，分辨率與子束直徑近似相等。辨率的電子束直徑要小，分辨率與子束直徑近似相等。 景深景深D大大 景深大的圖像立體感強，對粗糙不平的斷口景深大的圖像立體感強，對粗糙不平的斷口

14、 樣品觀察需要大景深的樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的景深的景深f可可 以用如下公式表示：以用如下公式表示： f = a D d M ) 2 . 0 ( 式中式中D為工作距離，為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，為物鏡光闌孔徑，M 為為 放大倍率，放大倍率，d為電子束直徑?？梢钥闯?，長為電子束直徑?？梢钥闯?，長 工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大 景深圖像。景深圖像。 一般情況下，一般情況下，SEM景深比景深比TEM大大 10倍，比光學顯微鏡（倍，比光學顯微鏡（OM）大大 100倍。如倍。如10000倍時倍時,TEM :D 1 m，SEM:10 m,

15、 100倍時，倍時， OM:10 m，SEM=1000 m。 保真度好保真度好 樣品通常不需要作任何處理即樣品通常不需要作任何處理即 可以直接進行觀察，所以不會由于可以直接進行觀察，所以不會由于 制樣原因而產(chǎn)生假象。這對斷口的制樣原因而產(chǎn)生假象。這對斷口的 失效分析特別重要。失效分析特別重要。 樣品制備簡單樣品制備簡單 樣品可以是自然面、斷口、塊狀、樣品可以是自然面、斷口、塊狀、 粉體、反光及透光光片，對不導電的樣粉體、反光及透光光片，對不導電的樣 品只需蒸鍍一層品只需蒸鍍一層20nm的導電膜。的導電膜。 另外，現(xiàn)在許多另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理具有圖像處理 和圖像分析功能。有的和圖像分

16、析功能。有的SEM加入附件加入附件 后，能進行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等后，能進行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等 動態(tài)過程的觀察。動態(tài)過程的觀察。 電子探針的應用范圍越來越廣，特別是材料電子探針的應用范圍越來越廣，特別是材料 顯微結構工藝性能關系的研究，電子探針起顯微結構工藝性能關系的研究，電子探針起 了重要作用。電子探針顯微分析有以下幾個特點：了重要作用。電子探針顯微分析有以下幾個特點： 1. 顯微結構分析顯微結構分析 電子探針是利用電子探針是利用0.5m1m的高能電子束激發(fā)所的高能電子束激發(fā)所 分析的試樣，通過電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征分析的試樣，通過電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X 射線、二

17、次電子、吸收電子、射線、二次電子、吸收電子、 背散射電子及陰極熒光等背散射電子及陰極熒光等 信息來分析試樣的微區(qū)內信息來分析試樣的微區(qū)內(m范圍內范圍內)成份、形貌和化學成份、形貌和化學 結合狀態(tài)等特征。結合狀態(tài)等特征。電子探針成分分析的空間分辨率（微電子探針成分分析的空間分辨率（微 區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個立方區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個立方m范圍，范圍， 微區(qū)分析是它的一個重要特點之一微區(qū)分析是它的一個重要特點之一, 它能將微區(qū)化學成份它能將微區(qū)化學成份 與顯微結構對應起來，是一種顯微結構的分析與顯微結構對應起來，是一種顯微結構的分析。而一般。而一般 化學分析、化學分析

18、、 X 光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較 大范圍內的平均化學組成，也無法與顯微結構相對應大范圍內的平均化學組成，也無法與顯微結構相對應, 不不 能對材料顯微結構與材料性能關系進行研究。能對材料顯微結構與材料性能關系進行研究。 返回 電子探針所分析的元素范圍一般從硼電子探針所分析的元素范圍一般從硼 (B)鈾鈾()，因為電子探針成份分析是利因為電子探針成份分析是利 用元素的特征用元素的特征X 射線，而氫和氦原子只有射線，而氫和氦原子只有K 層電子，不能產(chǎn)生特征層電子，不能產(chǎn)生特征X 射線，所以無法進射線，所以無法進 行電子探針成分分析。鋰行電子探針成分分析。

19、鋰(Li)和鈹和鈹(Be)雖然能雖然能 產(chǎn)生產(chǎn)生X 射線，但產(chǎn)生的特征射線，但產(chǎn)生的特征X 射線波長太長，射線波長太長， 通常無法進行檢測，通常無法進行檢測，少數(shù)電子探針用大面間少數(shù)電子探針用大面間 距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測Be元元 素。能譜儀的元素分析范圍現(xiàn)在也和波譜相素。能譜儀的元素分析范圍現(xiàn)在也和波譜相 同，分析元素范圍從硼同，分析元素范圍從硼(B)鈾鈾() 返回 3. 定量分析準確度高定量分析準確度高 電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準 確的儀器。電子探針的檢測極限確的儀器。電子探針的檢測極限(能檢測到能檢測

20、到 的元素最低濃度的元素最低濃度)一般為一般為（0.010.05）%， 不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限，不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限， 但由于所分析的體積小，所以檢測的絕對感但由于所分析的體積小，所以檢測的絕對感 量極限值約為量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相主元素定量分析的相 對誤差為對誤差為(13)%，對原子序數(shù)大于，對原子序數(shù)大于11 的元的元 素，含量在素，含量在10% 以上的時，其相對誤差通以上的時，其相對誤差通 常小于常小于2%。 返回 4. 不損壞試樣、分析速度快不損壞試樣、分析速度快 現(xiàn)在電子探針均與計算機聯(lián)機，可以連續(xù)自現(xiàn)在電子探針均與計算機聯(lián)機，

21、可以連續(xù)自 動進行多種方法分析，并自動進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)動進行多種方法分析，并自動進行數(shù)據(jù)處理和數(shù) 據(jù)分析，對含據(jù)分析，對含10個元素以下的試樣定性、定量分個元素以下的試樣定性、定量分 析，新型電子探針在析，新型電子探針在30min左右可以完成，如果左右可以完成，如果 用用EDS 進行定性、定量分析，幾進行定性、定量分析，幾分種分種即可完成。即可完成。 對表面不平的大試樣進行元素面分析時，還可以對表面不平的大試樣進行元素面分析時，還可以 自動聚焦分析。自動聚焦分析。 電子探針分析過程中一般不損壞試樣，試樣電子探針分析過程中一般不損壞試樣，試樣 分析后，可以完好保存或繼續(xù)進行其它方面的分分析后，可

22、以完好保存或繼續(xù)進行其它方面的分 析測試，這對于文物、古陶瓷、古硬幣及犯罪證析測試，這對于文物、古陶瓷、古硬幣及犯罪證 據(jù)等的稀有試樣分析尤為重要。據(jù)等的稀有試樣分析尤為重要。 返回 5. 微區(qū)離子遷移研究微區(qū)離子遷移研究 多年來，還用電子探針的入射電子多年來，還用電子探針的入射電子 束注入試樣來誘發(fā)離子遷移，研究了固束注入試樣來誘發(fā)離子遷移，研究了固 體中微區(qū)離子遷移動力學、離子遷移機體中微區(qū)離子遷移動力學、離子遷移機 理、離子遷移種類、離子遷移的非均勻理、離子遷移種類、離子遷移的非均勻 性及固體電解質離子遷移損壞過程等，性及固體電解質離子遷移損壞過程等， 已經(jīng)取得了許多新的結果。已經(jīng)取得了

23、許多新的結果。 返回 電子探針儀的構造和工作原理電子探針儀的構造和工作原理 電子探針儀的構造和掃描電鏡相似電子探針儀的構造和掃描電鏡相似 電子探針分析的基本原理電子探針分析的基本原理 1. 定性分析的基本原理定性分析的基本原理 電子探針除了用電子與試樣相互作電子探針除了用電子與試樣相互作 用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進行形用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進行形 貌觀察外，主要是利用波譜或能譜，測貌觀察外，主要是利用波譜或能譜，測 量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征 X 射線波長與強度，從而對試樣中元素射線波長與強度，從而對試樣中元素 進行定性、定量分析。進行定性、

24、定量分析。 式中式中為元素的特征為元素的特征X 射線頻率，射線頻率，Z為原子序數(shù)，為原子序數(shù)， K與與均為常數(shù)，均為常數(shù)，C為光速。當為光速。當1時，時， 與與Z的關系式可寫成的關系式可寫成: 定性分析的基礎是定性分析的基礎是Moseley關系式關系式: 由式可知，組成試樣的元素由式可知，組成試樣的元素(對應的原子序數(shù)對應的原子序數(shù)Z) 與它產(chǎn)生的特征與它產(chǎn)生的特征X 射線波長射線波長()有單值關系，即每有單值關系，即每 一種元素都有一個特定波長的特征一種元素都有一個特定波長的特征X射線與之相對射線與之相對 應，應， 它不隨入射電子的能量而變化。如果用它不隨入射電子的能量而變化。如果用X 射射

25、 線波譜儀測量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征線波譜儀測量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X 射線波射線波 長的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類，這長的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類，這 就是定性分析的基本原理。就是定性分析的基本原理。 能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之 間的特征間的特征X 射線能量不同，即射線能量不同，即Eh，h 為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，為特征為特征X 射頻率，射頻率， 通通 過過EDS 檢測試樣中不同能量的特征檢測試樣中不同能量的特征X 射線，射線， 即可進行元素的定性分析，即可進行元素的定性分析，EDS 定性速度定性速度 快，但由于它分辨率低

26、，不同元素的特征快，但由于它分辨率低，不同元素的特征 X 射線譜峰往往相互重疊，必須正確判斷射線譜峰往往相互重疊，必須正確判斷 才能獲得正確的結果，分析過程中如果譜才能獲得正確的結果，分析過程中如果譜 峰相互重疊嚴重，可以用峰相互重疊嚴重，可以用WDS和和EDS聯(lián)合聯(lián)合 分析，這樣往往可以得到滿意的結果。分析，這樣往往可以得到滿意的結果。 返回返回 2 試樣中試樣中A元素的相對含量元素的相對含量CA與該元素產(chǎn)生的特與該元素產(chǎn)生的特 征征X射線的強度射線的強度IA (X射線計數(shù)射線計數(shù))成正比成正比:CAIA，如如 果在相同的電子探針分析條件下，同時測量試樣和果在相同的電子探針分析條件下，同時測

27、量試樣和 已知成份的標樣中已知成份的標樣中A 元素的同名元素的同名X 射線射線(如如K線線) 強度，經(jīng)過修正計算，就可以得出試樣中強度，經(jīng)過修正計算，就可以得出試樣中A元素的元素的 相對百分含量相對百分含量CA: 式中式中CA為某為某A元素的百分含量，元素的百分含量， K 為常數(shù)，根據(jù)不同的修正方法為常數(shù)，根據(jù)不同的修正方法K 可用不同的表達式表示，可用不同的表達式表示，IA 和和 I(A) 分別為試樣分別為試樣 中和標樣中中和標樣中A元素的特征元素的特征X 射線強度，同樣方法可射線強度，同樣方法可 求出試樣中其它元素的百分含量。求出試樣中其它元素的百分含量。 返回返回 電子探針的儀器構造電子

28、探針的儀器構造 電子探針的主要組成部份為電子探針的主要組成部份為:1. 電子電子 光學系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、2. X射線譜儀系統(tǒng)、射線譜儀系統(tǒng)、3.試樣室、試樣室、 4.電子計算機、電子計算機、5.掃描顯示系統(tǒng)、掃描顯示系統(tǒng)、6.真空真空 系統(tǒng)等系統(tǒng)等。 1. 電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng) 電子光學系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃電子光學系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃 描線圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的電子束、足夠大的電描線圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的電子束、足夠大的電 子束流、盡可能小的電子束直徑，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的子束流、盡可能小的電子束直徑，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的X 射線射線 激發(fā)源。激發(fā)源。 （

29、a）電子槍電子槍 電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。它的主電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。它的主 要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細聚焦電子束要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細聚焦電子束(探針探針)。從加。從加 熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一 個個10m100m交叉點（交叉點（Crossover)，再經(jīng)過二級會聚再經(jīng)過二級會聚 透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個小于透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個小于1m 的電子探針。電子束直徑和束流隨電子槍的加速電壓而改的電子探針。電子束直徑和束流隨電子槍的加速電壓而改 變

30、，變， 加速電壓可變范圍一般為加速電壓可變范圍一般為1kV30kV。 電磁透鏡分會聚透鏡和物鏡，靠電磁透鏡分會聚透鏡和物鏡，靠 近電子槍的透鏡稱會聚透鏡，會聚透近電子槍的透鏡稱會聚透鏡，會聚透 鏡一般分兩級，是把電子槍形成的鏡一般分兩級，是把電子槍形成的 10m100m 的交叉點縮小的交叉點縮小1 100 倍后，進入試樣上方的物鏡，物倍后，進入試樣上方的物鏡，物 鏡可將電子束再縮小并聚焦到試樣上。鏡可將電子束再縮小并聚焦到試樣上。 為了擋掉大散射角的雜散電子，使入為了擋掉大散射角的雜散電子，使入 射到試樣的電子束直徑盡可能小，會射到試樣的電子束直徑盡可能小，會 聚透鏡和物鏡下方都有光闌。聚透鏡

31、和物鏡下方都有光闌。 （a）波長色散譜儀波長色散譜儀 X射線譜儀的性能，直接影響到元素分射線譜儀的性能，直接影響到元素分 析的靈敏度和分辨本領，它的作用是測量電析的靈敏度和分辨本領，它的作用是測量電 子與試樣相互作用產(chǎn)生的子與試樣相互作用產(chǎn)生的X 射線波長和強度。射線波長和強度。 譜儀分為二類譜儀分為二類:一類是波長色散譜儀一類是波長色散譜儀(WDS)， 一類是能量色散譜儀一類是能量色散譜儀(EDS)。 眾所周知，眾所周知，X 射線是一種電磁輻射，具有波射線是一種電磁輻射，具有波 粒二象性，粒二象性， 因此可以用二種方式對它進行描因此可以用二種方式對它進行描 述。如果把它視為連續(xù)的電磁波，那么

32、特征述。如果把它視為連續(xù)的電磁波，那么特征X 射線就能看成具有固定波長的電磁波，不同射線就能看成具有固定波長的電磁波，不同 元素就對應不同的特征元素就對應不同的特征X 射線波長，如果不射線波長，如果不 同同X 射線入射到晶體上，就會產(chǎn)生衍射，根射線入射到晶體上，就會產(chǎn)生衍射，根 據(jù)據(jù)Bragg公式：公式： 可以選用已知面間距可以選用已知面間距d的合適晶體分光，只要的合適晶體分光，只要 測出不同特征射線所產(chǎn)生的衍射角測出不同特征射線所產(chǎn)生的衍射角2，就可以求就可以求 出其波長出其波長，再根據(jù)公式就可以知道所分析的元再根據(jù)公式就可以知道所分析的元 素種類，特征素種類，特征X 射線的強度是從波譜儀的

33、探測器射線的強度是從波譜儀的探測器 (正比計數(shù)管正比計數(shù)管)測得。根據(jù)以上原理制成的譜儀稱測得。根據(jù)以上原理制成的譜儀稱 為波長色散譜儀為波長色散譜儀(WDS)。 不同波長的不同波長的X 射線要用不同面間距的晶體進行分射線要用不同面間距的晶體進行分 光，光， 日本電子公司的電子探針通常使用的四種日本電子公司的電子探針通常使用的四種 晶體面間距及波長檢測范圍見表晶體面間距及波長檢測范圍見表 分光晶體及波長范圍分光晶體及波長范圍 表中表中STEPb(C18H35O2)2為硬脂酸鉛，為硬脂酸鉛， TAP(C8H5O4TI)為鄰苯二甲酸氫鉈，為鄰苯二甲酸氫鉈，PET(C5H12O4)為異為異 戊四醇，

34、戊四醇，LiF為氟化鋰晶體。為氟化鋰晶體。 （b）能量色散譜儀能量色散譜儀 如果把如果把X射線看成由一些不連續(xù)的光子組成，射線看成由一些不連續(xù)的光子組成， 光子的能量為光子的能量為 E，為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，為光為光 子振動頻率。不同元素發(fā)出的特征子振動頻率。不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同射線具有不同 頻率，頻率， 即具有不同能量，當不同能量的即具有不同能量，當不同能量的X射線光子射線光子 進入鋰漂移硅進入鋰漂移硅Si(Li)探測器后，在探測器后，在Si(Li)晶體內將產(chǎn)晶體內將產(chǎn) 生電子空穴對，在低溫（如液氮冷卻探測器）條生電子空穴對，在低溫（如液氮冷卻探測器）條 件下，產(chǎn)生一個電子

35、空穴對平均消耗能量件下，產(chǎn)生一個電子空穴對平均消耗能量為為 3.8eV。能量為能量為E 的的X 射線光子進入射線光子進入Si(Li)晶體激發(fā)晶體激發(fā) 的電子空穴對的電子空穴對NE/,入射光子的能量不同，所入射光子的能量不同，所 激發(fā)出的電子空穴對數(shù)目也不同，例如，激發(fā)出的電子空穴對數(shù)目也不同，例如，Mn K 能量為能量為5.895keV,形成的電子空穴對為形成的電子空穴對為1550 個。個。 探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子空穴對探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子空穴對 的數(shù)目的數(shù)目N 決定，由于電壓脈沖信號非常小，為了降決定，由于電壓脈沖信號非常小，為了降 低噪音，探測器用液氮冷卻，然后用前置

36、放大器對低噪音，探測器用液氮冷卻，然后用前置放大器對 信號放大，放大后的信號進入多道脈沖高度分析器，信號放大，放大后的信號進入多道脈沖高度分析器， 把不同能量的把不同能量的X射線光子分開來，并在輸出設備射線光子分開來，并在輸出設備 （如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)脈沖高度曲線，縱脈沖高度曲線，縱 坐標是脈沖數(shù)，即入射坐標是脈沖數(shù)，即入射X 射線光子數(shù)，與所分析元射線光子數(shù)，與所分析元 素含量有關，橫坐標為脈沖高度，與元素種類有關，素含量有關，橫坐標為脈沖高度，與元素種類有關， 這樣就可以測出這樣就可以測出X 射線光子的能量和強度，從而得射線光子的能量和強度，從而得 出所分析

37、元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散 譜儀譜儀(EDS)，簡稱能譜儀。簡稱能譜儀。 能譜儀能譜儀70 年代問世以來，發(fā)展速度很快，年代問世以來，發(fā)展速度很快， 現(xiàn)在分辨率已達到現(xiàn)在分辨率已達到130eV左右左右 ，以前，以前Be窗口能窗口能 譜儀分析元素范圍從譜儀分析元素范圍從11Na92U，現(xiàn)在用新型現(xiàn)在用新型 有機膜超薄窗口，分析元素可從有機膜超薄窗口，分析元素可從4Be92U。 元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等 原子序數(shù)的元素定量分析準確度已接近波譜。原子序數(shù)的元素定量分析準確度已接近波譜。 近年

38、來能譜儀的圖象處理和圖象分析功能發(fā)展近年來能譜儀的圖象處理和圖象分析功能發(fā)展 很快。探測器的性能也有提高，能譜使用時加很快。探測器的性能也有提高，能譜使用時加 液氮，不使用時不加液氮。有的能譜探測器用液氮，不使用時不加液氮。有的能譜探測器用 電制冷方法冷卻，使探頭維護更方便。電制冷方法冷卻，使探頭維護更方便。 能譜有許多優(yōu)點，例如，元素分析時能譜是同能譜有許多優(yōu)點，例如，元素分析時能譜是同 時測量所有元素，而波譜要一個一個元素測量，所時測量所有元素，而波譜要一個一個元素測量，所 以分析速度遠比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使以分析速度遠比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使X 射線收集效率提高，這有利于試

39、樣表面光潔度不好射線收集效率提高，這有利于試樣表面光潔度不好 及粉體試樣的元素定性、定量分析。另外，能譜分及粉體試樣的元素定性、定量分析。另外，能譜分 析時所需探針電流小，對電子束照射后易損傷的試析時所需探針電流小，對電子束照射后易損傷的試 樣，例如生物試樣、快離子導體試樣等損傷小。但樣，例如生物試樣、快離子導體試樣等損傷小。但 能譜也有缺點，如分辨率差，譜峰重疊嚴重，定量能譜也有缺點，如分辨率差，譜峰重疊嚴重，定量 分析結果一般不如波譜等。分析結果一般不如波譜等。 表為能譜和波譜主要性能的比較。表為能譜和波譜主要性能的比較。 現(xiàn)在大部分掃描電鏡、電子探針及透射電鏡都配能現(xiàn)在大部分掃描電鏡、電

40、子探針及透射電鏡都配能 譜儀，使成分分析更方便。譜儀，使成分分析更方便。 比較內容比較內容WDSEDS 元素分析范圍元素分析范圍4Be92U4Be92U 定量分析速度定量分析速度慢慢快快 分辨率分辨率高（高（5eV）低（低（130 eV） 檢測極限檢測極限10-2 (%)10-1 (%) 定量分析準確度定量分析準確度高高低低 X射線收集效率射線收集效率低低高高 峰背比（峰背比（WDS/EDS）101 能譜和波譜主要性能的比較能譜和波譜主要性能的比較 用于安裝、交換和移動試樣。試樣可以沿用于安裝、交換和移動試樣。試樣可以沿X、 Y、Z軸方向移動，有的試樣臺可以傾斜、旋轉。軸方向移動，有的試樣臺可

41、以傾斜、旋轉。 現(xiàn)在試樣臺已用光編碼定位，準確度優(yōu)于現(xiàn)在試樣臺已用光編碼定位，準確度優(yōu)于1m， 對表面不平的大試樣進行元素面分析時，對表面不平的大試樣進行元素面分析時，Z軸軸 方向可以自動聚焦。方向可以自動聚焦。 試樣室可以安裝各種探測器，例如二次電子試樣室可以安裝各種探測器，例如二次電子 探測器、背散射電子探測器、波譜、能譜、及探測器、背散射電子探測器、波譜、能譜、及 光學顯微鏡等。光學顯微鏡用于觀察試樣光學顯微鏡等。光學顯微鏡用于觀察試樣(包括包括 熒光觀察熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射，以確定分析部位，利用電子束照射 后能發(fā)出熒光的試樣（如后能發(fā)出熒光的試樣（如Zr02），）

42、，能觀察入射能觀察入射 到試樣上的電子束直徑大小。到試樣上的電子束直徑大小。 掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和觀察掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和觀察 圖像的熒光屏（圖像的熒光屏（CRT）進行同步光柵掃描，把進行同步光柵掃描，把 電子束與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子束與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射 電子及電子及X 射線等信號，經(jīng)過探測器及信號處理系射線等信號，經(jīng)過探測器及信號處理系 統(tǒng)后，送到統(tǒng)后，送到CRT 顯示圖像或照相紀錄圖像。以顯示圖像或照相紀錄圖像。以 前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像，前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像， 數(shù)字圖像可以進行圖像處

43、理和圖像分析數(shù)字圖像可以進行圖像處理和圖像分析。 真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真 空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈 絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般 為為0.01Pa0.001Pa，通常用機械泵油擴散泵通常用機械泵油擴散泵 抽真空。油擴散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊抽真空。油擴散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊 下，會分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量下，會分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量 分析結果，特別是對碳的分析影響嚴重。用液氮分析結果，特

44、別是對碳的分析影響嚴重。用液氮 冷阱冷卻試樣附近的冷指，或采用無油的渦輪分冷阱冷卻試樣附近的冷指，或采用無油的渦輪分 子泵抽真空，可以減少試樣碳污染。子泵抽真空，可以減少試樣碳污染。 電子探針的試樣要求電子探針的試樣要求 （a）試樣尺寸試樣尺寸 所分析的試樣應為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù)所分析的試樣應為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù) 不同儀器的試樣架大小而定。定量分析的試樣要均質，厚不同儀器的試樣架大小而定。定量分析的試樣要均質，厚 度通常應大于度通常應大于5m。例如對例如對JCXA-733 電子探針儀，最大電子探針儀，最大 試樣尺寸為試樣尺寸為32mm25mm。EPMA-8705 電子探

45、儀所允電子探儀所允 許的最大試樣尺寸為許的最大試樣尺寸為102mm20mm。由于電子探針是微由于電子探針是微 區(qū)分析，定點分析區(qū)域是幾個立方微米，電子束掃描分析區(qū)分析，定點分析區(qū)域是幾個立方微米，電子束掃描分析 和圖像觀察區(qū)域與放大倍數(shù)有關，但最大也不會超過和圖像觀察區(qū)域與放大倍數(shù)有關，但最大也不會超過5mm。 所以均勻試樣沒有必要做得很大，有代表性即可。所以均勻試樣沒有必要做得很大，有代表性即可。 如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應盡量小，特如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應盡量小，特 別對分析不導電試樣時，小試樣能改善導電性和導熱性能。別對分析不導電試樣時，小試樣能改善導電性和導熱性能

46、。 （b）具有較好的電導和熱導性能具有較好的電導和熱導性能 金屬材料一般都有較好的導電和導熱金屬材料一般都有較好的導電和導熱 性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般 電導和熱導都較差。后者在入射電子的轟擊電導和熱導都較差。后者在入射電子的轟擊 下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖 像模糊，并經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無法像模糊，并經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無法 進行。試樣導熱性差還會造成電子束轟擊點進行。試樣導熱性差還會造成電子束轟擊點 的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點 組份揮

47、發(fā)而影響定量分析準確度度組份揮發(fā)而影響定量分析準確度度。 電子束轟擊試樣時，只有電子束轟擊試樣時，只有0.5%左右的能量轉變成左右的能量轉變成X 射線，射線， 其余能量大部份轉換成熱能，熱能使試樣轟擊其余能量大部份轉換成熱能，熱能使試樣轟擊 點溫度升高，點溫度升高，Castaing用如下公式表示溫升用如下公式表示溫升T(K): 式中式中V。(kV)為加速電壓，為加速電壓，i(A)為探針電流，為探針電流， d(m)為電子束直徑，為電子束直徑，k 為材料熱導率為材料熱導率(Wcm-1k-1)。例例 如，對于典型金屬如，對于典型金屬(k=1 時時)，當，當V。20kV，d1m， i1A 時，時，T9

48、6K。 對于熱導差的典型晶體，對于熱導差的典型晶體， k=0.1，典型的有機化合物典型的有機化合物k=0.002。對于熱導差的材料，對于熱導差的材料， 如如K=0.01, V0=30kV， i=0.1A， d=1m時時, 由公式得由公式得 T=1440K。如果試樣表面鍍上如果試樣表面鍍上10nm的鋁膜，則的鋁膜，則T減減 少到少到760K。因此因此, 對于硅酸鹽等非金屬材料必須在表面對于硅酸鹽等非金屬材料必須在表面 均勻噴鍍一層均勻噴鍍一層20nm左右的碳膜、鋁膜或金膜等來增加試左右的碳膜、鋁膜或金膜等來增加試 樣表面的導電和導熱性能。樣表面的導電和導熱性能。 試樣表面必須拋光，在試樣表面必須

49、拋光，在100 倍反光顯微倍反光顯微 鏡下觀察時，能比較容易地找到鏡下觀察時，能比較容易地找到 50m50m無凹坑或擦痕的分析區(qū)域。因無凹坑或擦痕的分析區(qū)域。因 為為X 射線是以一定的角度從試樣表面射出，射線是以一定的角度從試樣表面射出， 如果試樣表面凸凹不平，就可能使出射如果試樣表面凸凹不平，就可能使出射X 射射 線受到不規(guī)則的吸收，降低線受到不規(guī)則的吸收，降低X 射線測量強度，射線測量強度， 圖圖8.15表明試樣表面臺階引起的附加吸收。表明試樣表面臺階引起的附加吸收。 試樣表面臺階引起的附加吸收試樣表面臺階引起的附加吸收 （a）粉體試樣粉體試樣 粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導粉體可以直接

50、撒在試樣座的雙面碳導 電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓 緊，然后用洗耳球吹去粘結不牢固的顆粒。緊，然后用洗耳球吹去粘結不牢固的顆粒。 當顆粒比較大時，例如大于當顆粒比較大時，例如大于5m，可以可以 尋找表面盡量平的大顆粒分析。也可以將尋找表面盡量平的大顆粒分析。也可以將 粗顆粒粉體用環(huán)氧樹脂等鑲嵌材料混合后，粗顆粒粉體用環(huán)氧樹脂等鑲嵌材料混合后， 進行粗磨、細磨及拋光方法制備。進行粗磨、細磨及拋光方法制備。 對于小于對于小于5m小顆粒，嚴格講不符合定量分析條小顆粒，嚴格講不符合定量分析條 件，但實際工作中有時可以采取一些措施得到較好的分件，但實際工作中有

51、時可以采取一些措施得到較好的分 析結果。析結果。對粉體量少只能用電子探針分析時，要選擇粉對粉體量少只能用電子探針分析時，要選擇粉 料堆積較厚的區(qū)域，以免激發(fā)出試樣座成分料堆積較厚的區(qū)域，以免激發(fā)出試樣座成分。為了獲得。為了獲得 較大區(qū)域的平均結果，往往用掃描的方法對一個較大區(qū)較大區(qū)域的平均結果，往往用掃描的方法對一個較大區(qū) 域進行分析。要得到較好的定量分析結果，最好將粉體域進行分析。要得到較好的定量分析結果，最好將粉體 用壓片機壓制成塊狀，此時標樣也應用粉體壓制。用壓片機壓制成塊狀，此時標樣也應用粉體壓制。對細對細 顆粒的粉體分析時，特別是對團聚體粉體形貌觀察時，顆粒的粉體分析時，特別是對團聚

52、體粉體形貌觀察時， 需將粉體用酒精或水在超聲波機內分散，再用滴管把均需將粉體用酒精或水在超聲波機內分散，再用滴管把均 勻混合的粉體滴在試樣座上，待液體烘干或自然干燥后，勻混合的粉體滴在試樣座上，待液體烘干或自然干燥后， 粉體靠表面吸附力即可粘附在試樣座上。粉體靠表面吸附力即可粘附在試樣座上。 （b）塊狀試樣塊狀試樣 塊狀試樣，特別是測定薄膜厚度、離子遷移深塊狀試樣，特別是測定薄膜厚度、離子遷移深 度、背散射電子觀察相分布等試樣，度、背散射電子觀察相分布等試樣，可以用環(huán)氧樹可以用環(huán)氧樹 脂等鑲嵌后，進行研磨和拋光脂等鑲嵌后，進行研磨和拋光。較大的塊狀試樣也。較大的塊狀試樣也 可以直接研磨和拋光，但容易產(chǎn)生倒角，會影響薄可以直接研磨和拋光，但容易產(chǎn)生倒角，會影響薄 膜厚度及離子遷移深度的測定，對尺寸小的試樣只膜厚度及離子遷移深度的測定，對尺寸小的試樣只 能鑲嵌后加工。對多孔或較疏松的試樣，例如有些能鑲嵌后加工。對多孔或較疏松的試樣，例如有些 燒結材料、腐蝕產(chǎn)物等，需采用真空鑲嵌方法。將燒結材料、腐蝕產(chǎn)物等，需采用真空鑲嵌方法。將 試樣用環(huán)氧樹脂膠浸泡，在試樣用環(huán)氧樹脂膠浸泡，在500C600C 時放入低時