材料分析方法第十四章 掃描電子顯微鏡

1、第十四章第十四章 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡本章要點(diǎn)：本章要點(diǎn)：1.入射電子束與樣品作用后產(chǎn)生入射電子束與樣品作用后產(chǎn)生的各種信號(hào)及其特點(diǎn)的各種信號(hào)及其特點(diǎn)3. 掃描電鏡的分辨率決定因素掃描電鏡的分辨率決定因素(入射電子束直徑入射電子束直徑和和調(diào)制信號(hào)類型調(diào)制信號(hào)類型)2.掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和原理掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和原理4.4.二次電子的特點(diǎn)、二次電子的特點(diǎn)、 掃描電鏡掃描電鏡二次二次成像成像各種各種形貌形貌襯度襯度特點(diǎn)特點(diǎn)5. 背散射電子特點(diǎn)背散射電子特點(diǎn) 掃描電鏡二掃描電鏡二次電子成像與次電子成像與背散射電子成像的不同點(diǎn)背散射電子成像的不同點(diǎn)(Scanning Electron Mi

2、croscope, SEM)透射電鏡透射電鏡TEM成像原理成像原理: 根據(jù)電子根據(jù)電子具有具有與可見(jiàn)光與可見(jiàn)光相似的相似的波動(dòng)性，波動(dòng)性，利用電磁透鏡放大成像利用電磁透鏡放大成像.掃描電鏡掃描電鏡SEM成像原理：成像原理：與與TEM不同不同, 掃描電鏡掃描電鏡從原理上講就是從原理上講就是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理物理信號(hào)。信號(hào)。通過(guò)對(duì)這些通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的信號(hào)的接受、放大和顯示成像，接受、放大和顯示成像，獲得試樣表面獲得試樣表面形貌像。形貌像。（常用的物理信號(hào)：二（常用的物理信號(hào)：二次次電子）電子）概述概述特別說(shuō)明

3、：特別說(shuō)明： 對(duì)于對(duì)于TEMTEM，物鏡和投影鏡之間還存在物鏡和投影鏡之間還存在“中間鏡中間鏡” 對(duì)于對(duì)于SEM,SEM,聚光鏡與物鏡之間加一個(gè)聚光鏡與物鏡之間加一個(gè)“掃描線圈掃描線圈”光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡 透射電鏡透射電鏡 掃描電鏡掃描電鏡 電子探針光路比較電子探針光路比較光源光源聚光鏡聚光鏡樣品樣品樣品樣品物鏡物鏡熒光屏或照相底片熒光屏或照相底片信號(hào)探測(cè)器信號(hào)探測(cè)器OMTEMSEM投影鏡投影鏡樣品樣品二次二次電子電子特征特征X X射線射線EPMA(EPMA(EDSEDS, WDS), WDS)Electron ProbeMiro-Analysis掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)：掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)：1）有較高的

4、放大倍數(shù)，）有較高的放大倍數(shù)，20-20萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)，萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)， 分辨率分辨率可達(dá)可達(dá)3 nm 左右左右；2）有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察）有很大的景深，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)；各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；3）試樣制備簡(jiǎn)單。）試樣制備簡(jiǎn)單。 （對(duì)于不導(dǎo)電樣品，做點(diǎn)導(dǎo)電處理）（對(duì)于不導(dǎo)電樣品，做點(diǎn)導(dǎo)電處理） （樣品的尺寸：幾個(gè)毫米到幾個(gè)厘米）（樣品的尺寸：幾個(gè)毫米到幾個(gè)厘米） 目前的掃描電鏡目前的掃描電鏡大大都配有都配有X射線能譜儀裝置，若配有射線能譜儀裝置，若配有EDS, 這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織表面貌的觀察和微區(qū)成

5、分分析，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織表面貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究?jī)x器。因此它是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究?jī)x器。掃描電鏡的作用：掃描電鏡的作用：觀察表面形貌（適合粗糙表面或斷口）觀察表面形貌（適合粗糙表面或斷口）http:/www.starjoy- 較較光學(xué)顯微鏡有更好的景深光學(xué)顯微鏡有更好的景深光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡在在500 倍時(shí)僅倍時(shí)僅有局部有局部區(qū)域有區(qū)域有清析的影清析的影像視野。像視野。掃描電鏡掃描電鏡同樣同樣500倍放大倍倍放大倍率率下有下有較優(yōu)越的分辨率與景較優(yōu)越的分辨率與景深，全視野都非常清晰。深，全視野都非常清晰。SEM擁有擁有良好景深，方便樣品觀察與分析良

6、好景深，方便樣品觀察與分析蒼蠅的復(fù)眼蒼蠅的復(fù)眼幾幾層聚酯纖維片層聚酯纖維片花粉顆?；ǚ垲w粒掃描電鏡的二次電子像掃描電鏡的二次電子像氧化鋁模板氧化鋁模板-掃描電鏡掃描電鏡的二次電子像的二次電子像14-1 電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)電子束與樣品作用分為兩類：電子束與樣品作用分為兩類：彈性散射（電子沒(méi)有能量損失）彈性散射（電子沒(méi)有能量損失）彈性散射（電子把一部分能量傳給彈性散射（電子把一部分能量傳給樣品）樣品）入射電子束與樣品作用后產(chǎn)生的信號(hào)有：入射電子束與樣品作用后產(chǎn)生的信號(hào)有：透射電子透射電子，吸收電子吸收電子，背散射電子背散射電子，二次電子二次電子特征特征

7、X射線射線，俄歇電子俄歇電子（一種特殊（一種特殊的二次電子的二次電子），等等。，等等。二次電子二次電子（掃描電鏡主要用它來(lái)成像）（掃描電鏡主要用它來(lái)成像）產(chǎn)生：產(chǎn)生：被入射電子轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的樣品電子。被入射電子轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的樣品電子。由于原子核與價(jià)電子的結(jié)合能最小，因此價(jià)電子最容易脫離，由于原子核與價(jià)電子的結(jié)合能最小，因此價(jià)電子最容易脫離，二次電子中二次電子中90%是樣品原子的是樣品原子的價(jià)電子價(jià)電子。特點(diǎn)：特點(diǎn)：能量低能量低, ,只能從樣品的小于只能從樣品的小于5 51010nmnm深度的淺表層中逸出。深度的淺表層中逸出。二次電子的產(chǎn)額對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，能非常有效

8、的二次電子的產(chǎn)額對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，能非常有效的顯示樣品的表面形貌顯示樣品的表面形貌二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)沒(méi)有明顯依賴關(guān)系，所以不能用二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)沒(méi)有明顯依賴關(guān)系，所以不能用來(lái)進(jìn)行成份分析來(lái)進(jìn)行成份分析電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的幾種信號(hào)特點(diǎn)電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的幾種信號(hào)特點(diǎn)電子束受到物質(zhì)原子散射作用，偏離原來(lái)方向，向外發(fā)電子束受到物質(zhì)原子散射作用，偏離原來(lái)方向，向外發(fā)散，所以隨著電子束進(jìn)入樣品深度的不斷增加，入射電子散，所以隨著電子束進(jìn)入樣品深度的不斷增加，入射電子的分布范圍不斷增大，同時(shí)動(dòng)能不斷降低，直至動(dòng)能降低的分布范圍不斷增大，同時(shí)動(dòng)能不斷降低，直至動(dòng)能降低為

9、零，最終形成一個(gè)規(guī)則的作用區(qū)域?yàn)榱?，最終形成一個(gè)規(guī)則的作用區(qū)域。輕元素輕元素樣品樣品-“梨形作用體積梨形作用體積”重元素重元素樣品樣品-“半球半球形作用體積形作用體積”改變改變電子能量只引起作用體積大小的電子能量只引起作用體積大小的變化變化，而不會(huì)顯著地改，而不會(huì)顯著地改變形狀。變形狀。信號(hào)的信號(hào)的作用作用體積體積5-10nm二次電子二次電子各信號(hào)能夠各信號(hào)能夠到達(dá)樣品表面到達(dá)樣品表面的深度的深度背散射背散射電子：電子：被被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的入射的入射電子，電子，可以可以來(lái)自樣品表層幾百納米的深來(lái)自樣品表層幾百納米的深度范圍溢出來(lái)，度范圍溢出來(lái)，其其產(chǎn)額與樣

10、品形貌和原子序數(shù)有產(chǎn)額與樣品形貌和原子序數(shù)有關(guān)，其原子量越大反彈的愈多，關(guān)，其原子量越大反彈的愈多，經(jīng)過(guò)處理后的成像就愈亮，因此經(jīng)過(guò)處理后的成像就愈亮，因此用來(lái)鑒別出材料成分的差異性。用來(lái)鑒別出材料成分的差異性。背散射電子背散射電子成像：成像：1）不僅可不僅可作作形貌分析形貌分析，還，還可顯示可顯示原原子序數(shù)襯度子序數(shù)襯度。2）但）但它的成像分辨率較二次電子低。它的成像分辨率較二次電子低。俄歇電子俄歇電子(Auger)產(chǎn)生產(chǎn)生: 入射電子在激發(fā)入射電子在激發(fā)特征特征x射線射線的過(guò)的過(guò)程中，如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程中，如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放的能量不是以程中釋放的能量不是以X射線的

11、形式發(fā)射線的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量把空位層射出去，而是用這部分能量把空位層的另一個(gè)電子發(fā)射出去（或使空位層的另一個(gè)電子發(fā)射出去（或使空位層的的外層電子發(fā)射出去），這個(gè)被電的的外層電子發(fā)射出去），這個(gè)被電離出來(lái)的電子叫俄歇電子。離出來(lái)的電子叫俄歇電子。特點(diǎn)特點(diǎn): 能量低，只能從樣品的小于能量低，只能從樣品的小于2nm深度深度的淺表層中逸出的淺表層中逸出俄歇電子具備樣品原子的特征能量，俄歇電子具備樣品原子的特征能量，特別適合做淺表面層成分分析。特別適合做淺表面層成分分析。用在俄歇電子能譜儀用在俄歇電子能譜儀AES(Auger electron Spectroscopy ）上。）上。 EKE

12、L1EL2俄歇電子激發(fā)源俄歇電子的躍遷過(guò)程能級(jí)圖該俄歇電子記為該俄歇電子記為KL1L2 能量為能量為其能量入射電子其能量入射電子/光子光子與無(wú)關(guān)與無(wú)關(guān),是原子特征的是原子特征的)21LLKEEEE 思考：思考：俄歇電子俄歇電子KL1L1的產(chǎn)生的產(chǎn)生特征特征X射線：射線： 入射電子激發(fā)出內(nèi)層電子，在內(nèi)層產(chǎn)生空位，臨近層的入射電子激發(fā)出內(nèi)層電子，在內(nèi)層產(chǎn)生空位，臨近層的電子向空位層躍遷，產(chǎn)生特征電子向空位層躍遷，產(chǎn)生特征X射線，其能量值等于樣射線，其能量值等于樣品元素的兩能級(jí)差值。品元素的兩能級(jí)差值。產(chǎn)生特征產(chǎn)生特征X射線可用于電子探針顯微分析射線可用于電子探針顯微分析Electron Probe

13、Miro-Analysis (EPMA)目的是進(jìn)行微區(qū)成份分析目的是進(jìn)行微區(qū)成份分析Electron ProbeMiro-AnalysisWDS:EDS: Energy Dispersive SpectroscopyWave Dispersive SpectroscopySEM / EDS一般說(shuō)來(lái)，透射電鏡和掃描電鏡都一般說(shuō)來(lái)，透射電鏡和掃描電鏡都 帶有帶有EDS, 目的是為了進(jìn)行成分分析目的是為了進(jìn)行成分分析14-2 掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和原理掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和原理真空真空物鏡物鏡聚光鏡聚光鏡電子槍電子槍掃描掃描電路電路光電倍增管光電倍增管探測(cè)器探測(cè)器觀察用陰極射線管觀察用陰極射線管拍攝

14、用用陰極射線管拍攝用用陰極射線管掃描掃描線圈線圈二次電子二次電子電子槍電子槍聚光鏡聚光鏡和和物物鏡鏡：將將50 um的電子束斑會(huì)聚的電子束斑會(huì)聚成幾個(gè)納米成幾個(gè)納米掃描線圈掃描線圈樣品室樣品室信號(hào)收集和圖象顯示系統(tǒng)信號(hào)收集和圖象顯示系統(tǒng)真空系統(tǒng)（真空系統(tǒng)（10-3Pa）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)造構(gòu)造顯示系統(tǒng)包括信號(hào)的收集、放大、處理、顯示與記顯示系統(tǒng)包括信號(hào)的收集、放大、處理、顯示與記錄部分。顯示和記錄部分包括兩個(gè)顯像管和照相機(jī)。錄部分。顯示和記錄部分包括兩個(gè)顯像管和照相機(jī)。一個(gè)顯像管是長(zhǎng)余輝的，用于觀察一個(gè)顯像管是長(zhǎng)余輝的，用于觀察;另一顯像管是高另一顯像管是高分辨

15、率的、短余輝的，用于照相。分辨率的、短余輝的，用于照相。EDS通過(guò)檢測(cè)樣品被電子束激發(fā)出的特征通過(guò)檢測(cè)樣品被電子束激發(fā)出的特征X射線，確射線，確定樣品含有的元素及成分比，用電子束照射樣品采定樣品含有的元素及成分比，用電子束照射樣品采集集X射線，因此可以進(jìn)行微區(qū)的點(diǎn)分析、線分析及面射線，因此可以進(jìn)行微區(qū)的點(diǎn)分析、線分析及面分析。分析。 電子槍電子槍其作用是利用陰極與陽(yáng)極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子其作用是利用陰極與陽(yáng)極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。束。電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的種類計(jì)有三種，

16、要小，目前常用的種類計(jì)有三種，鎢鎢(W)燈絲、六燈絲、六硼化鑭硼化鑭(LaB6)燈絲、場(chǎng)發(fā)射燈絲、場(chǎng)發(fā)射 (Field Emission，最好，最好)，不同不同的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩(wěn)定度及電子源壽命的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩(wěn)定度及電子源壽命等均有差異。等均有差異。 鎢鎢(W)燈絲燈絲燈絲價(jià)格較便宜，燈絲價(jià)格較便宜， 對(duì)真空度要求不高，缺點(diǎn)是對(duì)真空度要求不高，缺點(diǎn)是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經(jīng)過(guò)二級(jí)鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經(jīng)過(guò)二級(jí)或三級(jí)聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在或三級(jí)聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器分辨率

17、受到限制?，F(xiàn)在，高等級(jí)掃描電鏡采用六因此儀器分辨率受到限制?，F(xiàn)在，高等級(jí)掃描電鏡采用六硼化鑭（硼化鑭（LaB6）或場(chǎng)發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨或場(chǎng)發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達(dá)到率達(dá)到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。但這種電子槍要求很高的真空度。說(shuō)明：說(shuō)明：14-3 掃描電子顯微鏡的主要性能掃描電子顯微鏡的主要性能說(shuō)明：掃描電鏡照射到樣品上的電子束直徑說(shuō)明：掃描電鏡照射到樣品上的電子束直徑越小，就相當(dāng)與成像單元的尺寸越小，相應(yīng)越小，就相當(dāng)與成像單元的尺寸越小，相應(yīng)的分辨率就越高。的分辨率就越高。由于二次電子和俄歇電子只能在一個(gè)與束斑由于二次電子和俄歇電子只能在一個(gè)與束斑直徑相當(dāng)?shù)?/p>

18、園柱體內(nèi)被激發(fā)出來(lái)，所以利用直徑相當(dāng)?shù)膱@柱體內(nèi)被激發(fā)出來(lái)，所以利用二次電子成像時(shí)，電鏡的分辨率等于電子束二次電子成像時(shí)，電鏡的分辨率等于電子束斑直徑大小。利用其他信號(hào)成像時(shí)分辨率一斑直徑大小。利用其他信號(hào)成像時(shí)分辨率一般大于電子束斑直徑大小般大于電子束斑直徑大小分辨率：分辨率：用二次電子成像的掃描電鏡的分辨用二次電子成像的掃描電鏡的分辨率等于等于電子束斑直徑大小（率等于等于電子束斑直徑大?。?-4nm)5-10nm二次電子二次電子各信號(hào)能夠到達(dá)樣品表面的的深度各信號(hào)能夠到達(dá)樣品表面的的深度關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)1.分辨率：分辨率： 對(duì)微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的對(duì)微區(qū)成分分析而言，它是指

19、能分析的最小區(qū)域；對(duì)成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小區(qū)域；對(duì)成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率大小由最小距離。分辨率大小由入射電子束直徑和調(diào)制信入射電子束直徑和調(diào)制信號(hào)類型共同決定號(hào)類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于用于成像的物理信號(hào)不同，例如二次電子和但由于用于成像的物理信號(hào)不同，例如二次電子和背反射電子，在樣品表面的發(fā)射范圍也不相同，從背反射電子，在樣品表面的發(fā)射范圍也不相同，從而影響其分辨率。一般二次電子像的分辨率約為而影響其分辨率。一般二次電子像的分辨率約為3-4nm，而場(chǎng)發(fā)射槍的而場(chǎng)發(fā)射槍的SEM可優(yōu)于可優(yōu)于3nm。背反射電

20、子像的分辨率約為背反射電子像的分辨率約為50-200nm。2.放大倍數(shù)：放大倍數(shù)： 當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在樣品表面掃描的幅度為樣品表面掃描的幅度為As，在熒光屏陰極射線同步掃在熒光屏陰極射線同步掃描的幅度為描的幅度為Ac，則掃描電鏡的放大倍數(shù)為則掃描電鏡的放大倍數(shù)為: M=Ac/As2.放大倍數(shù)：放大倍數(shù)： 當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí)，若電子束在樣品表面掃描的幅度為樣品表面掃描的幅度為As，在熒光屏陰極射線同步掃在熒光屏陰極射線同步掃描的幅度為描的幅度為Ac，則掃描電鏡的放大倍數(shù)為則掃描電鏡的放大倍數(shù)為: M=

21、Ac/As因?yàn)槿肷潆娮邮┤霕悠芬驗(yàn)槿肷潆娮邮┤霕悠酚行чL(zhǎng)度增加了，有效長(zhǎng)度增加了，使表面使表面小于小于5-10 5-10 nmnm深度深度的作用體的作用體積內(nèi)逸出表面的二次電子積內(nèi)逸出表面的二次電子數(shù)量增多。數(shù)量增多。 樣品表面傾角樣品表面傾角的影響的影響: :隨樣品表面法線與入射束夾隨樣品表面法線與入射束夾角增大，二次電子產(chǎn)額增大。角增大，二次電子產(chǎn)額增大。二次電子能量比較低二次電子能量比較低,僅在樣品表面小于僅在樣品表面小于510nm 深度內(nèi)才能深度內(nèi)才能逸出表面逸出表面. 二次電子產(chǎn)額對(duì)微區(qū)表面的幾何形狀十分敏感二次電子產(chǎn)額對(duì)微區(qū)表面的幾何形狀十分敏感. .14-4 表面形貌襯度原理及應(yīng)用表面形貌襯度原理及應(yīng)用二次電子多，亮二次電子多，亮根據(jù)上述原理畫(huà)根據(jù)上述原理畫(huà)出二次電子形貌出二次電子形貌襯度的示意圖襯度的示意圖實(shí)際樣品中二次電子的激發(fā)過(guò)程示意圖實(shí)際樣品中二次電子的激發(fā)過(guò)程示意圖1)1)凸出的尖棱，