掃描電鏡的原理及其在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、.一、掃描電鏡的原理掃描電鏡（ Scanning Electron Microscope），簡寫為 SEM，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，濃縮了電子光學(xué)技術(shù)、真空技術(shù)、精細(xì)機械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計算機控制技術(shù)。掃描電鏡的基本工作過程如圖 1，用電子束在樣品表面掃描，同時，陰極射線管內(nèi)的電子束與樣品表面的電子束同步掃描， 將電子束在樣品上激發(fā)的各種信號用探測器接收， 并用它來調(diào)制顯像管中掃描電子束的強度， 在陰極射線管的屏幕上就得到了相應(yīng)襯度的掃描電子顯微像。 電子束在樣品表面掃描， 與樣品發(fā)生各種不同的相互作用， 產(chǎn)生不同信號， 獲得的相應(yīng)的顯微像的意義也不一樣。 入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生圖 2 所示的信息種

2、類 1-4 。這些信息的二維強度分布隨試樣表面的特征而變 （這些特征有表面形貌、 成分、晶體取向、電磁特性等） ，是將各種探測器收集到的信息按順序、成比率地轉(zhuǎn)換成視頻信號， 再傳送到同步掃描的顯像管并調(diào)制其亮度， 就可以得到一個反應(yīng)試樣表面狀況的掃描圖如果將探測器接收到的信號進(jìn)行數(shù)字化處理即轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，就可以由計算機做進(jìn)一步的處理和存儲掃描電鏡主要是針對具有高低差較大、粗糙不平的厚塊試樣進(jìn)行觀察， 因而在設(shè)計上突出了景深效果， 一般用來分析斷口以及未經(jīng)人工處理的自然表面。圖 1 掃描電子顯微鏡的工作原理圖 2 電子束探針照射試樣產(chǎn)生的各種信息掃描電子顯微鏡（ SEM）中的各種信號及其功能如

3、表1 所示表 1 掃描電鏡中主要信號及其功能二、掃描電鏡的構(gòu)成.圖 3 給出了電鏡的電子光學(xué)部分的剖面圖。主要包括以下幾個部分：1. 電子槍產(chǎn)生和加速電子。由燈絲系統(tǒng)和加速管兩部分組成2. 照明系統(tǒng)聚集電子使之成為有一定強度的電子束。由兩級聚光鏡組合而成。3. 樣品室樣品臺，交換，傾斜和移動樣品的裝置。4. 成像系統(tǒng)像的形成和放大。由物鏡、中間鏡和投影鏡組成的三級放大系統(tǒng)。調(diào)節(jié)物鏡電流可改變樣品成像的離焦量。調(diào)節(jié)中間鏡電流可以改變整個系統(tǒng)的放大倍數(shù)。5. 觀察室觀察像的空間，由熒光屏組成。6. 照相室記錄像的地方。7. 除了上述的電子光學(xué)部分外，還有電氣系統(tǒng)和真空系統(tǒng)。提供電鏡的各種電壓、電流

4、及完成控制功能 3 。圖 3 電鏡的電子光學(xué)部分剖面圖.三、樣品的制備試樣制備技術(shù)在電子顯微術(shù)中占有重要的地位， 它直接關(guān)系到電子顯微圖像的觀察效果和對圖像的正確解釋。如果制備不出適合電鏡特定觀察條件的試樣，即使儀器性能再好也不會得到好的觀察效果。 掃描電鏡的有關(guān)制樣技術(shù)是以透射電鏡、光學(xué)顯微鏡及電子探針 X 射線顯微分析制樣技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的， 有些方面還兼具透射電鏡制樣技術(shù)， 所用設(shè)備也基本相同。 但因掃描電鏡有其本身的特點和觀察條件，只簡單地引用已有的制樣方法是不夠的。掃描電鏡的特點是：1. 觀察試樣為不同大小的固體（塊狀、薄膜、顆粒） ，并可在真空中直接進(jìn)行觀察。2. 試樣應(yīng)具有良好

5、的導(dǎo)電性能， 不導(dǎo)電的試樣， 其表面一般需要蒸涂一層金屬導(dǎo)電膜。3. 試樣表面一般起伏（凹凸）較大。4. 觀察方式不同，制樣方法有明顯區(qū)別。5. 試樣制備與加速電壓、電子束流、掃描速度（方式）等觀察條件的選擇有密切關(guān)系。上述項目中對試樣導(dǎo)電性要求是最重要的條件。 在進(jìn)行掃描電鏡觀察時， 如試樣表面不導(dǎo)電或?qū)щ娦圆缓茫?將產(chǎn)生電荷積累和放電， 使得入射電子束偏離正常路徑，最終造成圖像不清晰乃至無法觀察和照相。以導(dǎo)電性塊狀材料為例 （導(dǎo)電性材料主要是指金屬， 一些礦物和半導(dǎo)體材料也具有一定的導(dǎo)電性），介紹制備的具體過程。這類材料的試樣制備最為簡單。只要使試樣大小不得超過儀器規(guī)定 （如試樣直徑最大為

6、 25mm，最厚不超過 20mm等），然后用雙面膠帶粘在載物盤，再用導(dǎo)電銀漿連通試樣與載物盤（以確保導(dǎo)電良好），等銀漿干了（一般用臺燈近距離照射 10 分鐘，如果銀漿沒干透的話，在蒸金抽真空時將會不斷揮發(fā)出氣體， 使得抽真空過程變慢） 之后就可放到掃描電鏡中直接進(jìn)行觀察。但在制備試樣過程中，還應(yīng)注意：1. 為減輕儀器污染和保持良好的真空，試樣尺寸要盡可能小些。2. 切取試樣時，要避免因受熱引起試樣的塑性變形， 或在觀察面生成氧化層。要防止機械損傷或引進(jìn)水、油污及塵埃等污染物。3. 觀察表面，特別是各種斷口間隙處存在污染物時，要用無水乙醇、丙酮或超聲波清洗法清理干凈。 這些污染物都是掩蓋圖像細(xì)節(jié)

7、， 引起試樣荷電及圖像質(zhì)量變壞的原因。4. 故障構(gòu)件斷口或電器觸點處存在的油污、氧化層及腐蝕產(chǎn)物，不要輕易清除。觀察這些物質(zhì)， 往往對分析故障產(chǎn)生的原因是有益的。 如確信這些異物是故障后才引入的， 一般可用塑料膠帶或醋酸纖維素薄膜粘貼幾次， 再用有機溶劑沖洗即可除去。.5. 試樣表面的氧化層一般難以去除，必要時可通過化學(xué)方法或陰極電解方法使試樣表面基本恢復(fù)原始狀態(tài)。四、樣品的測試與分析測試與分析是掃描電鏡技術(shù)中最重要環(huán)節(jié)之一， 測試出我們想要的圖像并做出分析總結(jié)是掃描電鏡工作的目的。掃描電鏡的測試步驟主要分為：1.電子束合軸：調(diào)整電子束對中（合軸）的方法有機械式和電磁式。機械式是調(diào)整合軸螺釘電

8、磁式則是調(diào)整電磁對中線圈的電流， 以此移動電子束相對光路中心位置達(dá)到合軸目的2.放入試樣：將試樣固定在試樣盤上，并進(jìn)行導(dǎo)電處理，使試樣處于導(dǎo)電狀態(tài)。將試樣盤裝入樣品更換室，預(yù)抽三分鐘，然后將樣品更換室閥門打開，將試樣盤放在樣品臺上，在抽出試樣盤的拉桿后關(guān)閉隔離閥。3.高壓選擇：掃描電鏡的分辨率隨加速電壓增大而提高，但其襯度隨電壓增大反而降低，并且加速電壓過高污染嚴(yán)重， 所以一般在 20kV 下進(jìn)行初步觀察，而后根據(jù)不同的目的選擇不同的電壓值。4.聚光鏡電流的選擇：聚光鏡電流與像質(zhì)量有很大關(guān)系，聚光鏡電流越大，放大倍數(shù)越高。 同時，聚光鏡電流越大， 電子束斑越小， 相應(yīng)的分辨率也會越高。5.光闌

9、選擇：光闌孔一般是400、 300、200、 100四檔，光闌孔徑越小，景深越大，分辨率也越高，但電子束流會減小。一般在二次電子像觀察中選用 300或 200的光闌。6.聚焦與像散校正： 聚焦分粗調(diào)、 細(xì)調(diào)兩步。由于掃描電鏡景深大、 焦距長，所以一般采用高于觀察倍數(shù)二、三檔進(jìn)行聚焦，然后再回過來進(jìn)行觀察和照像。即所謂 “高倍聚焦，低倍觀察 ”。像散校正主要是調(diào)整消像散器，使其電子束軸對稱直至圖像不飄移為止。7.亮度與對比度的選擇：二次電子像的對比度受試樣表面形貌凸凹不平而引起二次電子發(fā)射數(shù)量不同的影響。反差與亮度的選擇則是當(dāng)試樣凸凹嚴(yán)重時，襯度可選擇小一些， 以達(dá)明亮對比清楚， 使暗區(qū)的細(xì)節(jié)也

10、能觀察清楚。 也可以選擇適當(dāng)?shù)膬A斜角，以達(dá)最佳的反差。當(dāng)所以參數(shù)都調(diào)節(jié)到合適樣品觀察的位置時即可觀測，并拍照儲存用于日后的分析工作。五、掃描電鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用掃描電鏡結(jié)合上述各種附件,其應(yīng)用范圍很廣 ,包括斷裂失效分析、產(chǎn)品缺陷.1-2 。.原因分析、鍍層結(jié)構(gòu)和厚度分析、 涂料層次與厚度分析、 材料表面磨損和腐蝕分析、耐火材料的結(jié)構(gòu)與蝕損分析等1. 材料的組織形貌觀察材料剖面的特征、 零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)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(xué)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，

11、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(jìn)行空間轉(zhuǎn)動， 以利于使用者對感興趣的部位進(jìn)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，在金屬斷口（圖 4）和顯微組織三維形態(tài)（圖 5）的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。圖 4 SEM 觀察環(huán)氧樹脂斷口圖圖 5SEM 觀察集成電路芯片結(jié)構(gòu)圖2. 鍍層表面形貌分析和深度檢測有時為利于機械加工， 在工序之間也進(jìn)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(shù)指標(biāo)鍍膜的深度很薄，由于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的局限性， 使用金相方法檢測鍍膜的深度和鍍層與母材的結(jié)合情況比較困難， 而掃描電鏡

12、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. 微區(qū)化學(xué)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(jié)構(gòu)或位向在內(nèi)的豐富資料， 以便能夠更全面、 客觀地進(jìn)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(xué)成分等信息材料。內(nèi)部的夾雜物等，由于它們的體積細(xì)小，因此，無法采用常規(guī)的化學(xué)方法進(jìn)行定位鑒定掃描電鏡可以提供重要的線索和數(shù)據(jù)工程材料失效分析常用的電子探針的

13、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， 以特定元素的射線訊號調(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?jǐn)?shù)）可以應(yīng)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(jié)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。4. 顯微組織及超微尺寸材料的研究鋼鐵材料中諸如回火托氏體、 下貝氏體等顯微組織非

14、常細(xì)密， 用光學(xué)顯微鏡難以觀察組織的細(xì)節(jié)和特征在進(jìn)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(xué)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(xué)顯微鏡的分辨率較低，無法顯示其組織細(xì)節(jié)， 故不能區(qū)分電子顯微鏡卻可以通過對針狀組織細(xì)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（ SEM），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。六、現(xiàn)代掃描電鏡的發(fā)展近代掃描電鏡的發(fā)展主要是在二次電子像分辨率上取得了較大的進(jìn)展。 但對不導(dǎo)電或?qū)щ娦阅懿惶玫臉悠愤€需噴金后才能達(dá)到理想的圖像分辨率。

15、隨著材料科學(xué)的發(fā)展特別是半導(dǎo)體工業(yè)的需求 ,要盡量保持試樣的原始表面 ,在不做任何處理的條件下進(jìn)行分析。早在 20 世紀(jì) 80 年代中期 ,便有廠家根據(jù)新材料 (主要是半導(dǎo)體材料 )發(fā)展的需要 ,提出了導(dǎo)電性不好的材料不經(jīng)過任何處理也能夠進(jìn)行觀察分析的設(shè)想 ,到 90 年代初期 ,這一設(shè)想就已有了實驗雛形 ,90 年代末期 ,已變成比較成熟的技術(shù)。其工作方式便是現(xiàn)在已為大家所接受的低真空和低電壓 ,最近幾年又出現(xiàn)了模擬環(huán)境工作方式的掃描電鏡 ,這就是現(xiàn)代掃描電鏡領(lǐng)域出現(xiàn)的新名詞“環(huán)掃” ,即環(huán)境掃描電鏡 2,5 。1.低電壓掃描電鏡在掃描電鏡中 ,低電壓是指電子束流加速電壓在 1kV 左右。此

16、時 ,對未經(jīng)導(dǎo)電處理的非導(dǎo)體試樣其充電效應(yīng)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(yīng)更加顯著 ,能夠適應(yīng)半導(dǎo)體和非導(dǎo)體分析工作的需要。但隨著加速電壓的降低 ,物鏡的球像差效應(yīng)增加 ,使得圖像的分辨率不能達(dá)到很高 ,這就是低電壓工作模式的局限性。2.低真空掃描電鏡低真空為是為了解決不導(dǎo)電試樣分析的另一種工作模式。 其關(guān)鍵技術(shù)是采用了一級壓差光欄 ,實現(xiàn)了兩級真空。發(fā)射電子束的電子室和使電子束聚焦的鏡筒必須置于清潔的高真空狀態(tài) ,一般用 1 個機械泵和擴(kuò)散泵來滿足之。而樣品室不一定要太高的真空 ,可用另一個機械泵來實現(xiàn)樣品室的低真空狀態(tài)。

17、當(dāng)聚焦的電.子束進(jìn)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(dǎo)體表面的充電現(xiàn)象 ,從而實現(xiàn)了對非導(dǎo)體樣品自然狀態(tài)的直接觀察 ,在半導(dǎo)體、冶金、化工、礦產(chǎn)、陶瓷、生物等材料的分析工作方面有著比較突出的作用。3.環(huán)境掃描電鏡 (ESEM)上述低真空掃描電鏡樣品室最高低真空壓力為400Pa,現(xiàn)在有廠家使用專利技術(shù) ,可使樣品室的低真空壓力達(dá)到 2600Pa,也就是樣品室可容納分子更多 ,在這種狀態(tài)下 ,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

18、擬樣品的周圍環(huán)境 ,結(jié)合掃描電鏡觀察 ,可得到環(huán)境條件下試樣的變化情況。環(huán)掃實現(xiàn)較高的低真空 ,其核心技術(shù)就是采用兩級壓差光柵和氣體二次電子探測器 ,還有一些其它相關(guān)技術(shù)也相繼得到完善。它是使用1 個分子泵和 2 個機械泵 ,2 個壓差 (壓力限制 )光柵將主體分成3 個抽氣區(qū) ,鏡筒處于高真空 ,樣品周圍為環(huán)境狀態(tài) ,樣品室和鏡筒之間存在一個緩沖過渡狀態(tài)。使用時 ,高真空、低真空和環(huán)境 3 個模式可根據(jù)情況任意選擇 ,并且在 3 種情況下都配有二次電子探測器 ,都能達(dá)到 3. 5nm 的二次電子圖像分辨率。 ESEM 的特點是 :(1)非導(dǎo)電材料不需噴鍍導(dǎo)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(jìn)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)和凝結(jié)以及化學(xué)腐蝕行為;(3)可進(jìn)行樣品熱模擬及力學(xué)模擬的動態(tài)化實驗研究,也可以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(jìn)行觀察。環(huán)境掃描電鏡技術(shù)拓展了電子顯微學(xué)的研究領(lǐng)