掃描電子顯微鏡的發(fā)展與應用

1、掃描電子顯微鏡的發(fā)展與應用摘 要：介紹了掃描電子顯微鏡的工作原理、結構特點及其發(fā)展，闡述了掃描電子顯微鏡在材料科學領域中的應用。關 鍵 詞：掃描電子顯微鏡；構造；材料；應用掃描電子顯微鏡（SEM）于20世紀60年代問世，是用來觀察樣品表面微區(qū)形貌和結構的一種大型精密電子光學儀器。其工作原理是利用一束極細的聚焦電子束掃描樣品表面，激發(fā)出某些與樣品表面結構有關的物理信號（如二次電子、背散射電子）來調(diào)制一個同步掃描的顯像管在相應位置的亮度而成像。掃描電子顯微鏡主要用于觀察固體厚試樣的表面形貌，具有很高的分辨力和連續(xù)可調(diào)的放大倍數(shù)，圖像具有很強的立體感。掃描電鏡能夠與電子能譜儀、波譜儀、電子背散射衍射

2、儀相結合，構成電子微探針，用于物質(zhì)化學成分和物相分析。因此，掃描電子顯微鏡在冶金、地質(zhì)、礦物、半導體、醫(yī)學、生物學、材料學等領域得到了非常廣泛的應用。1. 掃描電鏡的原理和構造1.1 掃描電子顯微鏡的工作原理 掃描電子顯微鏡的原理是利用電子槍采用真空加熱鎢燈絲，發(fā)生熱電子束，在0. 530 kV的加速電壓下，經(jīng)過電磁透鏡所組成的電子光學系統(tǒng)，電子束會聚極細電子束，并在樣品表面聚焦。末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束打到樣品上一點時，在熒光屏上就有一亮點與之對應，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比，掃描電子顯微鏡是采用逐點成像的圖像分解法進行的，光點成像的順序是從左上方開始到右下方，直到

3、最后一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幅圖像。對掃描電子顯微鏡成像有影響的信號主要有二次電子、背散射電子和X射線譜線等（見圖1）。其中二次電子是樣品與初始束電子相互作用而被激發(fā)出來的樣品原子所含的電子，它們能量很低，只能從樣品表面很淺的區(qū)域逸出，是掃描電子顯微鏡檢測出的主要信號，對應的圖像被稱為二次電子圖像，具有立體感，成像分辨率最好，能準確地反映樣品表面的形貌(凹凸)特征；背散射電子是與樣品原子核發(fā)生彈性碰撞而被散射出樣品的電子束電子，這部分電子能量很高，其成像分辨率不高；X射線譜線是當入射電子流轟擊到樣品表面時，如果能量足夠高，樣品內(nèi)部分原子的內(nèi)層電子會被轟出，使原子處于能級較高的激發(fā)態(tài)，

4、樣品原子各能級間出現(xiàn)電子躍遷而產(chǎn)生的，其成像分辨率最差。掃描電子顯微鏡探頭收集樣品釋放出的二次電子，背散射電子，X射線等信號（其作用見表2）。這些信號分別被不同的接收器接收，經(jīng)放大后用來調(diào)制熒光屏的亮度。當電子束以一定方式掃描時，按掃描的先后順序?qū)⒘炼鹊淖兓@示出來，即可得到樣品表面形貌圖。收集信號要類別功能二次電子形貌分析背散射電子成分分析特征X射線成分分析俄歇電子成分分析圖1 電子束與固體樣品 表1 掃描電鏡中主要信號及其作用 作用時產(chǎn)生的信號1.2 掃描電子顯微鏡的構造掃描電鏡是根據(jù)電子光學原理，用電子束和電磁透鏡代替光束和光學透鏡，將物質(zhì)的細微結構在非常高的放大倍數(shù)下成像，它主要由電子

5、光學系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)四大部分構成（見圖2）。圖2 掃描電鏡的構造1.2.1 電子光學系統(tǒng)(鏡筒)電子光學系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。（1）電子槍掃描電子顯微鏡中的電子槍與透射電子顯微鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電子顯微鏡低。（2）電磁透鏡掃描電子顯微鏡中各電磁透鏡都不作成像透鏡用，而是作聚光鏡用，它們的功能只是把電子槍的束斑(虛光源)逐級聚焦縮小，使原來直徑約為 50um的束斑縮小成一個只有數(shù)個納米的細小斑點。（3）掃描線圈掃描線圈的作用是使電子束偏轉(zhuǎn)，并在樣品表面作有規(guī)則的掃動，電子束在樣品上的掃描動作和顯像管上的掃描動作保持嚴格同步

6、。（4）樣品室樣品臺本身是一個復雜而精密的組件，它能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品作平移、傾斜和轉(zhuǎn)動等運動，以利于對樣品上每一特定位置進行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實際上是一個微型試驗室，它帶有多種附件，可使樣品在樣品臺上加熱、冷卻和進行機械性能試驗(如拉伸和疲勞)。樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置信號探測器。1.2.2 信號的收集和圖像顯示系統(tǒng)二次電子、背散射電子和透射電子的信號都可采用閃爍計數(shù)器來進行檢測。信號電子進入閃爍體后即引起電離，當離子和自由電子復合后就產(chǎn)生可見光?？梢姽庑盘柾ㄟ^光導管送入光電倍增器，光信號放大，即又轉(zhuǎn)化成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號

7、。由于鏡筒中的電子束和顯像管中電子束是同步掃描的，而熒光屏上每一點的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調(diào)制的，因此樣品上各點的狀態(tài)各不相同，所以接收到的信號也不相同，于是就可以在顯像管上看到一幅反映試樣各點狀態(tài)的掃描電子顯微圖像。1.3.3 真空系統(tǒng)為保證掃描電子顯微鏡電子光學系統(tǒng)的正常工作，對鏡筒內(nèi)的真空度有一定的要求。如果真空度不足，除樣品被嚴重污染外，還會出現(xiàn)燈絲壽命下降，極間放電等問題。2. 掃描電鏡的發(fā)展掃描電鏡的設計思想早在1935年便已提出，1942年在實驗室制成第一臺掃描電鏡，1965年，在各項基礎技術有了很大進展的前提下才在英國誕生了第一臺實用化的商品儀器。此后，荷蘭、美

8、國、西德也相繼研制出各種型號的掃描電鏡，日本二戰(zhàn)后在美國的支持下生產(chǎn)出掃描電鏡，我國則在20世紀70 年代生產(chǎn)出自己的掃描電鏡。近20年來，掃描電鏡主要是在提高分辨率方面取得了較大進展，主要采取以下措施來改進: (1) 降低透鏡球像差系數(shù)，以獲得小束斑；(2) 增強照明源即提高電子槍亮度(如采用LaB6或場發(fā)射電子槍)；(3) 提高真空度和檢測系統(tǒng)的接收效率；(4) 盡可能減小外界振動干擾。2.1 場發(fā)射掃描電鏡1968年，就采用場致發(fā)射電子槍代替普通鎢燈絲電子搶，槍需要很高的真空度，在高真空度下由于電子束的散射更小，其分辨率進一步得到提高。但是近幾年來，各廠家采用多級真空系統(tǒng)(機械泵+分子泵

9、+離子泵)，真空度可達10-7Pa。同時，采用磁懸浮技術，噪音振動大為降低，燈絲壽命也有增加。場致發(fā)射掃描電鏡的特點是二次電子像分辨率高，如果采用低加速電壓技術，在TV狀態(tài)下背散射電子(BSE)成像良好，對于未噴涂非導電樣品也可得到高倍像。2002年，日本日立公司最近推出了S-4800型高分辨場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)，該電鏡的電子發(fā)射源為冷場，物鏡為半浸沒式。采取改進的電子光學設計(E×B)來收集和分離各種不同純二次電子(SE) 信號、復合二次電子（SE+BSE)信號及背反射電子(BSE)信號。與其它很多內(nèi)置透鏡的FESEM相比，S-4800不僅擁有超高的分辨率，且擁有更大的樣品

10、室，因此，是研究納米材料的有利工具。2.2 分析型掃描電鏡所謂分析型掃描電鏡即是指將掃描電鏡配備多種附加儀器，以便對被測試樣進行多種信息的分析。2.2.1 EDS（能譜儀）附件能譜儀 ( 即X射線能量色散譜儀，簡稱EDS) 通常是指X射線能譜儀。目前，最先進的采用超導材料生產(chǎn)的能譜儀，分辨率達到了515eV，已超過了25eV分辨率的波譜儀，這是目前能譜儀發(fā)展的最高水平。能譜儀主要是用來分析材料表面微區(qū)的成分，分析方式有定點定性分析、定點定量分析、元素的線分布、元素的面分布。2.2.2 EBSD（電子背散射衍射）附件EBSD主要可做單晶體的物相分析，同時提供花樣質(zhì)量、置信度指數(shù)、彩色晶粒圖，可做

11、單晶體的空間位向測定、兩顆單晶體之間夾角等信息，要求所測單晶體完整并且沒有應力，在聚合物中應用極少。2.2.3 WDS（波譜儀）附件WDS是隨著電子探針的發(fā)明而誕生的，它是電子探針的核心部件，用作成分分析。與能譜儀相比較，波譜儀的檢測靈敏度更高，在電子探針的理想工作條件下能達到100 ×10-6的檢測能力。但也有電子束流大，樣品要求非常平整并且只能水平放置，對X射線取出角要求很大等局限性。2.3 現(xiàn)代掃描電鏡在二次電子像分辨率上取得了較大的進展后，掃描電鏡又因為需要在保持試樣原始樣貌的基礎上進行分析，發(fā)展了低電壓，低真空和環(huán)境掃描電鏡。2.3.1 低電壓掃描電鏡在掃描電鏡中，低電壓是

12、指電子束流加速電壓在1kV左右。此時，對未經(jīng)導電處理的非導體試樣其充電效應可以減小，電子對試樣的輻照損傷小，且二次電子的信息產(chǎn)額高，成像信息對表面狀態(tài)更加敏感，邊緣效應更加顯著，能夠適應半導體和非導體分析工作的需要。這對聚合物材料來說是十分有利的技術改革。2.3.2 低真空掃描電鏡真空是為了解決不導電試樣分析的另一種工作模式。其關鍵技術是采用了一級壓差光欄，實現(xiàn)了兩級真空。當聚焦的電子束進入低真空樣品室后，與殘余的空氣分子碰撞并將其電離，這些離化帶有正電的氣體分子在一個附加電場的作用下向充電的樣品表面運動，與樣品表面充電的電子中和，這樣就消除了非導體表面的充電現(xiàn)象，從而實現(xiàn)了對非導體樣品自然狀

13、態(tài)的直接觀察。2.3.3 環(huán)境掃描（ESEM）電鏡環(huán)境掃描電鏡低真空壓力可達到2600Pa，可配置水瓶向樣品室輸送水蒸氣或輸送混合氣體，若跟高溫或低溫樣品臺聯(lián)合使用則可模擬樣品的周圍環(huán)境結合掃描電鏡觀察，可得到環(huán)境條件下試樣的變化情況。其核心技術來自于采用兩級壓差光柵和氣體二次電子探測器，能達到 3.5nm 的二次電子圖像分辨率。ESEM的特點是：（1）非導電材料不需噴鍍導電膜，可直接觀察，分析簡便迅速，不破壞原始形貌；（2）可保證樣品在100%濕度下觀察，即可進行含油含水樣品的觀察，能夠觀察液體在樣品表面的蒸發(fā)、凝結以及化學腐蝕行為；（3）可進行樣品熱模擬及力學模擬的動態(tài)變化實驗研究，也可以

14、研究微注入液體與樣品的相互作用等。因為這些過程中有大量氣體釋放，只能在環(huán)掃狀態(tài)下進行觀察。環(huán)境掃描電鏡最大的優(yōu)勢便是，可以在一定可調(diào)的水蒸汽環(huán)境真空模式中，原位和動態(tài)觀察親水性高分子或是環(huán)境敏感水凝膠，即直觀地觀察其動態(tài)的結構變化和各種平衡響應。3. 掃描電鏡在材料研究中的應用3.1 材料的組織形貌觀察材料剖面的特征、零件內(nèi)部的結構及損傷的形貌,都可以借助掃描電鏡來判斷和分析。反射式的光學顯微鏡直接觀察大塊試樣很方便，但其分辨率、放大倍數(shù)和景深都比較低。而掃描電子顯微鏡的樣品制備簡單，可以實現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動，還能夠根據(jù)觀察需要進行空間轉(zhuǎn)動，以

15、利于使用者對感興趣的部位進行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析；掃描電子顯微圖像因真實、清晰，并富有立體感，在顯微組織三維形態(tài)(如圖3)和金屬斷口(如圖3)的觀察研究方面獲得了廣泛地應用。圖3 用SEM觀察集成電路芯片的剖面多層結構 圖4 用SEM觀察環(huán)氧樹脂端口圖3.2 鍍層表面形貌分析和深度檢測 金屬材料零件在使用過程中不可避免地會遭受環(huán)境的侵蝕，容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。為保護母材，成品件，常常需要進行諸如磷化、達克羅等表面防腐處理。有時為利于機械加工，在工序之間也進行鍍膜處理。由于鍍膜的表面形貌和深度對使用性能具有重要影響，所以常常被作為研究的技術指標。鍍膜的深度很薄，由于光學顯微鏡放大倍數(shù)的局限性，使用金

16、相方法檢測鍍膜的深度和鍍層與母材的結合情況比較困難，而掃描電鏡卻可以很容易完成.使用掃描電鏡觀察分析鍍層表面形貌是方便、易行的最有效的方法，樣品無需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察。3.3 微區(qū)化學成分分析 在樣品的處理過程中，有時需要提供包括形貌、成分、晶體結構或位向在內(nèi)的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進行判斷分析。為此，相繼出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡、電子探針多種分析功能的組合型儀器。掃描電子顯微鏡如配有X射線能譜(EDS)和X射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區(qū)的化學成分等信息。材料內(nèi)部的夾雜物等，由于它們的體積細小，因此，無法采用常規(guī)的化學方法進行定位鑒定。掃描電鏡可以提供

17、重要的線索和數(shù)據(jù)。工程材料失效分析常用的電子探針的基本工作方式為：(1)對樣品表面選定微區(qū)作定點的全譜掃描定性； (2)電子束沿樣品表面選定的直線軌跡作所含元素濃度的線掃描分析； (3)電子束在樣品表面作面掃描，以特定元素的X射線信號調(diào)制陰極射線管熒光屏亮度，給出該元素濃度分布的掃描圖像。一般而言，常用的X射線能譜儀能檢測到的成分含量下限為0.1% (質(zhì)量分數(shù))，可以應用在判定合金中析出相或固溶體的組成、測定金屬及合金中各種元素的偏析、研究電鍍等工藝過程形成的異種金屬的結合狀態(tài)、研究摩擦和磨損過程中的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及失效件表面的析出物或腐蝕產(chǎn)物的鑒別等方面。3.4 顯微組織及超微尺寸材料的研究

18、 鋼鐵材料中諸如回火托氏體、下貝氏體等顯微組織非常細密，用光學顯微鏡難以觀察組織的細節(jié)和特征。在進行材料、工藝試驗時，如果出現(xiàn)這類組織，可以將制備好的金相試樣深腐蝕后，在掃描電鏡中鑒別。下貝氏體與高碳馬氏體組織在光學顯微鏡下的形態(tài)均呈針狀，且前者的性能優(yōu)于后者。但由于光學顯微鏡的分辨率較低，無法顯示其組織細節(jié)，故不能區(qū)分。電子顯微鏡卻可以通過對針狀組織細節(jié)的觀察實現(xiàn)對這種相似組織的鑒別。在電子顯微鏡下，可清楚地觀察到針葉下貝氏體是有鐵素體和其內(nèi)呈方向分布的碳化物組成。 納米材料是納米科學技術最基本的組成部分。現(xiàn)在可以用物理、化學及生物學的方法制備出只有幾個納米的顆粒。由于納米材料表面上的原子只

19、受到來自內(nèi)部一側的原子的作用，十分活潑，所以使用納米金屬顆粒粉作催化劑，可加快化學反應過程。納米材料的應用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點，但又具有脆性和難以加工等缺點，納米陶瓷在一定的程度上可增加韌性，改善脆性。復合納米固體材料亦是一個重要的應用領域。例如含有20%超微鈷顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料；金屬鋁中摻進少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強度高、韌性好、耐熱性強的新型結構材料。納米材料的一切獨特性能主要源于它的超微尺寸，因此必須首先切確地知道其尺寸，否則對納米材料的研究及應用便失去了基礎。目前該領域的檢測手段和表征方法可以使用透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等技術，但高分辨率的掃描電鏡(SEM)在納米級別材料的形貌觀察和尺寸檢測方面因具有簡便、可操作性強的優(yōu)勢，也被大量采用。4. 結語掃描電子顯微鏡在材料的分析和研究方面應用十分廣泛，主要應用于材料斷口分析、微區(qū)成