掃描電鏡在材料表面形貌觀察及成分研究分析中的應(yīng)用

1、掃描電鏡在材料表面形貌觀察 及成分分析中的應(yīng)用作者:日期:掃描電鏡在材料表面形貌觀察及成分分析中的應(yīng)用一、實驗?zāi)康?) 了解掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握掃描電鏡的功能和用途；2) 了解能譜儀的基本結(jié)構(gòu)、原理和用途；3) 了解掃描電鏡對樣品的要求以及如何制備樣品。二、實驗原理(一)掃描電鏡的工作原理和結(jié)構(gòu)1.掃描電鏡的工作原理掃描電鏡是對樣品表面形態(tài)進行測試的一種大型儀器。當(dāng)具有一定能量的入 射電子束轟擊樣品表面時，電子與元素的原子核及外層電子發(fā)生單次或多次彈性 與非彈性碰撞，一些電子被反射出樣品表面，而其余的電子則滲入樣品中，逐漸 失去其動能，最后停止運動，并被樣品吸收。在此過程中有99

2、%以上的入射電子 能量轉(zhuǎn)變成樣品熱能，而其余約1%的入射電子能量從樣品中激發(fā)出各種信號。 如圖1所示，這些信號主要包括二次電子、背散射電子、吸收電子、透射電子、 俄歇電子、電子電動勢、陰極發(fā)光、X射線等。掃描電鏡設(shè)備就是通過這些信號 得到訊息，從而對樣品進行分析的。人射電子束電子電動勢透射電f (TE)圖1入射電子束轟擊樣品產(chǎn)生的信息示意圖從結(jié)構(gòu)上看，掃描電鏡主要由七大系統(tǒng)組成，即電子光學(xué)系統(tǒng)、探測、信號 處理、顯示系統(tǒng)、圖像記錄系統(tǒng)、樣品室、真空系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)、電源供 給系統(tǒng)。由圖2我們可以看出，從燈絲發(fā)射出來的熱電子，受 2-30KV電壓加速，經(jīng) 兩個聚光鏡和一個物鏡聚焦后，形成一個

3、具有一定能量，強度和斑點直徑的入射 電子束，在掃描線圈產(chǎn)生的磁場作用下， 入射電子束按一定時間、空間順序做光 柵式掃描。由于入射電子與樣品之間的相互作用， 從樣品中激發(fā)出的二次電子通 過收集極的收集，可將向各個方向發(fā)射的二次電子收集起來。這些二次電子經(jīng)加 速并射到閃爍體上，使二次電子信息轉(zhuǎn)變成光信號，經(jīng)過光導(dǎo)管進入光電倍增管， 使光信號再轉(zhuǎn)變成電信號。這個電信號又經(jīng)視頻放大器放大，并將其輸入到顯像 管的柵極中，調(diào)制熒光屏的亮度，在熒光屏上就會出現(xiàn)與試樣上一一對應(yīng)的相同 圖像。入射電子束在樣品表面上掃描時，因二次電子發(fā)射量隨樣品表面起伏程度 （形貌）變化而變化。故視頻放大器放大的二次電子信號是一

4、個交流信號，用這個交流信號調(diào)制顯 像管柵極電，其結(jié)果在顯像管熒光屏上呈現(xiàn)的是一幅亮暗程度不同的，并反映樣 品表面起伏程度（形貌）的二次電子像。應(yīng)該特別指出的是：入射電子束在樣品 表面上掃描和在熒光屏上的掃描必須是“同步”，即必須用同一個掃描發(fā)生器來 控制，這樣就能保證樣品上任一 “物點”樣品A點，在顯像管熒光屏上的電子束恰好在A '點即“物點” A與“像點” A'在時間上和空間上一一對應(yīng)。通常 稱“像點” A'為圖像單元。顯然，一幅圖像是由很多圖像單元構(gòu)成的。掃描電鏡除能檢測二次電子圖像以外，還能檢測背散射電子、透射電子、特 征x射線、陰極發(fā)光等信號圖像。其成像原理與二

5、次電子像相同。在進行掃描電鏡觀察前，要對樣品作相應(yīng)的處理。掃描電鏡樣品制備的主要 要求是：盡可能使樣品的表面結(jié)構(gòu)保存好， 沒有變形和污染，樣品干燥并且有良 好導(dǎo)電性能。r *三、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理特征X射線,X射線探測器X射線能量色散譜分析方法是電子顯微技術(shù)最基本和一直使用的、具有成 分分析功能的方法，通常稱為 X射線能譜分析法，簡稱EDS或EDX方法。它 是分析電子顯微方法中最基本、最可靠、最重要的分析方法，所以一直被廣泛使 用。1特征X射線的產(chǎn)生特征X射線的產(chǎn)生是入射電子使內(nèi)層電子激發(fā)而發(fā)生的現(xiàn)象。即內(nèi)殼層電子被轟擊后跳到比費米能高的能級上，電子軌道內(nèi)出現(xiàn)的空位被外殼層軌道的電子 填入時

6、，作為多余的能量放出的就是特征X射線。高能級的電子落入空位時，要遵從所謂的選擇規(guī)則(selection rule)，只允許滿足軌道量子數(shù)I的變化 I =± 1的特定躍遷。特征X射線具有元素固有的能量，所以，將它們展開成能譜后， 根據(jù)它的能量值就可以確定元素的種類，而且根據(jù)譜的強度分析就可以確定其含 量。另外，從空位在內(nèi)殼層形成的激發(fā)狀態(tài)變到基態(tài)的過程中，除產(chǎn)生X射線外，還放出俄歇電子。一般來說，隨著原子序數(shù)增加，X射線產(chǎn)生的幾率(熒光產(chǎn)額) 增大，但是，與它相伴的俄歇電子的產(chǎn)生幾率卻減小。因此，在分析試樣中的微 量雜質(zhì)元素時可以說，EDS對重元素的分析特別有效。2. X射線探測器的種

7、類和原理對于試樣產(chǎn)生的特征X射線，有兩種展成譜的方法：X射線能量色散譜方法(EDS:energy dispersive X-ray spectroscopy 和 X 射線波長色散譜方法(WDS : wavelength dispersive X-ray spectroscopy。在分析電子顯微鏡中均 采用探測率高的EDS。從試樣產(chǎn)生的X射線通過測角臺進入到探測器中。圖示 為EDS探測器系統(tǒng)的框圖。對于EDS中使用的X射線探測器，一般都是用高純單晶硅中摻雜有微量鋰 的半導(dǎo)體固體探測器(SSD:solid state detecto)SSD是一種固體電離室，當(dāng)X射 線入射時，室中就產(chǎn)生與這個 X射

8、線能量成比例的電荷。這個電荷在場效應(yīng)管(TEF:field effect transistor)中聚集，產(chǎn)生一個波峰值比例于電荷量的脈沖電壓。用多道脈沖高度分析器(multichannel pulse height analyze)來測量它的波峰值和脈 沖數(shù)。這樣，就可以得到橫軸為 X射線能量，縱軸為X射線光子數(shù)的譜圖。為了使硅中的鋰穩(wěn)定和降低 FET的熱噪聲，平時和測量時都必須用液氮冷卻 EDS探測器。保護探測器的探測窗口有兩類，其特性和使用方法各不相同。(1)鈹窗口型(beryllium window type )用厚度為810卩m的鈹薄膜制作窗口來保持探測器的真空，這種探測器使用起來比較

9、容易，但是，由于鈹薄膜對低能X射線的吸收，所以，不能分析比一Na (Z= 11)輕的元素。(2)超薄窗口型(UTWtype : ultra thin window type )保護膜是沉積了鋁，厚度0.30.5卩m的有機膜，它吸收X射線少，可以測 量C(Z = 6)以上的比較輕的元素。但是，采用這種窗口時，探測器的真空保持不 太好，所以，使用時要多加小心。最近，對輕元素探測靈敏度很高的這種類型的 探測器已被廣泛使用。此外，還有去掉探測器窗口的無窗口型(windowless type )探測器，它可 以探測B(Z= 5)以上的元素。但是，為了避免背散射電子對探測器的損傷，通常 將這種無窗口型的探

10、測器用于掃描電子顯微鏡等低速電壓的情況。四、電子顯微鏡的作用4.1 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，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，在金屬斷口和顯微組織三維形 1620的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。4.2 鍍層表面形貌分析和深度檢測金屬材料零件在使

11、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(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。4.3 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

12、更全面、客觀地進行判斷分析。為此，相繼出現(xiàn)了掃描 電子顯微鏡一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，由于它們的體積細小，因此，無法采用常規(guī)的化學(xué)方法進行定位鑒定。 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

13、像。一般而言，常用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。五、能譜儀的功能5.1 元素定性分析元素周期表中的任何一種元素都有各自的原子結(jié)構(gòu)，與其他元素不同，正是這種結(jié)構(gòu)的不同，使得每種元素有自己的特征能譜圖，所以測定一條或幾條電子 線在圖譜中的位置，很容易識別出樣品顯示的譜線屬于哪種元素。由于每種元素 都有自己的特定的電子線，即使是相鄰的元素也不可能出現(xiàn)誤判， 因此用這

14、種方 法進行定性分析是非常準(zhǔn)確的。通過對樣品進行全掃描，在一次測定中就可以檢 出全部或大部分元素5.2 元素定量分折X 射線光電子能譜定量分析的依據(jù)是光電子譜線的強度(光電子蜂的面積)反映了原于的含量或相對濃度。由于在進行元素電子掃描時所測得的信號的強度 是樣品物質(zhì)含量的函數(shù)，因此，根據(jù)所得電子線的強弱程度可以半定量或定量地 得出所測元素的含量。之所以有半定量的概念，是因為影響信號強弱的因素除了 樣品中元素的濃度外，還與電子的平均自由行程和樣品材料對激發(fā) X射線的吸收 系數(shù)有關(guān)。在實際分析中，采用與標(biāo)準(zhǔn)樣品相比較的方法來對元素進行定量分析， 其分析精度達1%2%。5.3 固體表面分析固體表面是

15、指最外層的110個原子層，其厚度大概是(0.11)nm。人們早 已認識到在固體表面存在有一個與團體內(nèi)部的組成和性質(zhì)不同的相。 表面研究包 括分析表面的元素組成和化學(xué)組成， 原子價態(tài)，表面能態(tài)分布。測定表面原子的 電子云分布和能級結(jié)構(gòu)等。5.4 化合物結(jié)構(gòu)鑒定X射線光電子能譜法對于內(nèi)殼層電子結(jié)合能化學(xué)位移的精確測量，能提供化學(xué)鍵和電荷分布方面的信息。化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化和化合物氧化狀態(tài)的變，可以引起電子線峰位的有規(guī)律的移動。據(jù)此，可以分析有機物、無機物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組 成。X射線能譜是最常用的分析工具。在表面吸附、催化、金屬的氧化和腐蝕、 半導(dǎo)體、電極鈍化、薄膜材料等方面都有應(yīng)用。六、對兩個樣品的掃描電鏡圖和能譜圖和測試結(jié)果進行分析1、能譜圖：/鋼中夾雜物的分析，將試樣表面拋光，用被散射電子像觀察，找到夾雜物，然后 用EDS的定點分析法檢測它的元素組分。下面