電子顯微作業(yè)

1、透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析摘要：透射電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,簡稱TEM),可以看到在光學(xué) HYPERLINK /view/2921.htm t _blank 顯微鏡下無法看清的小于0.2nm的細(xì)微結(jié)構(gòu)，要想看清這些結(jié)構(gòu)，就必須選擇 HYPERLINK /view/45341.htm t _blank 波長更短的光源，以提高顯微鏡的分辨率。1932年Ruska發(fā)明了以電子束為光源的透射電子顯微鏡，電子束的波長要比可見光和紫外光短得多，目前TEM的分辨力可達(dá)0.2nm。掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microsco

2、pe，簡稱SEM），是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。關(guān)鍵詞：透射電子顯微鏡；掃描電子顯微鏡；實(shí)例分析。第一章 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡是利用電子的波動性來觀察固體材料內(nèi)部的各種缺陷和直接觀察原子結(jié)構(gòu)的儀器，同時提供物理分析和化學(xué)分析所需要全部功能的儀器。特別是選區(qū)電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，使得微區(qū)形貌與微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，再配以能譜或波譜進(jìn)行微區(qū)成份分析，得到全面的信息。實(shí)驗(yàn)中所用到的是Tecnai G2 F30透射電子顯微鏡。它的主要性能指標(biāo)為：（1）主機(jī)：點(diǎn)分辨率

3、0.205nm，先分辨率0.102nm，信息分辨率0.14nm，加速電壓最高300KV最低小于等于50KV；（2）附件：CCD數(shù)字成像系統(tǒng)，像素2048x2048，高角環(huán)形暗場探測器，STEM模式分辨率0.17nm，X射線能譜儀能量分辨率136eV，分析元素范圍BU，電子能量損失譜儀能量分辨率0.7eV，分析元素范圍HU。1.1透射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和成像原理透射電子顯微鏡由 HYPERLINK /view/49358.htm t _blank 照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、 HYPERLINK /view/85005.htm t _blank 真空系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、 HYPERLINK /view/331

4、7818.htm t _blank 電源系統(tǒng)五部分構(gòu)成，如果細(xì)分的話，主體部分是 HYPERLINK /view/3842646.htm t _blank 電子透鏡和顯像記錄系統(tǒng)，由置于真空中的 HYPERLINK /view/54627.htm t _blank 電子槍、聚光鏡、物樣室、物鏡、衍射鏡、中間鏡、投影鏡、 HYPERLINK /view/867355.htm t _blank 熒光屏和照相機(jī)組成。透射電鏡的總體工作原理是：由電子槍發(fā)射出來的電子束，在真空通道中沿著鏡體光軸穿越聚光鏡，通過聚光鏡將之會聚成一束尖細(xì)、明亮而又均勻的光斑，照射在樣品室內(nèi)的樣品上；透過樣品后的電子束攜帶有

5、樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，樣品內(nèi)致密處透過的電子量少，稀疏處透過的電子量多；經(jīng)過物鏡的會聚調(diào)焦和初級放大后，電子束進(jìn)入下級的中間透鏡和第1、第2投影鏡進(jìn)行綜合放大成像，最終被放大了的電子影像投射在觀察室內(nèi)的熒光屏板上；熒光屏將電子影像轉(zhuǎn)化為可見光影像以供使用者觀察。本節(jié)將分別對各系統(tǒng)中的主要結(jié)構(gòu)和原理予以介紹。圖 SEQ 圖表 * ARABIC s 1 1-1透射電鏡結(jié)構(gòu)和成像原理示意圖電子 HYPERLINK /view/2921.htm t _blank 顯微鏡與光學(xué)顯微鏡的成像原理基本一樣，所不同的是前者用電子束作光源，用電磁場作透鏡。另外，由于電子束的穿透力很弱，因此用于電鏡的標(biāo)本須制成厚度

6、約50nm左右的 HYPERLINK /view/598001.htm t _blank 超薄切片。這種切片需要用超薄切片機(jī)制作。電子顯微鏡是使用電子來展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡。高速的電子的 HYPERLINK /view/45341.htm t _blank 波長比可見光的波長短（波粒二象性），而顯微鏡的分辨率受其使用的波長的限制，因此電子顯微鏡的理論分辨率（約0.1納米）遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的分辨率（約200納米）。如圖1.1為投射電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)和成像示意圖。1.2成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)是透射電鏡最重要的系統(tǒng)，它主要包括樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡三個部分。如圖1.2為基本的TEM光學(xué)元件分布

7、圖。圖1 SEQ 圖表 * ARABIC s 1 2基本TEM光學(xué)元件分布圖1.2.1樣品室樣品室處在聚光鏡之下，內(nèi)有載放樣品的樣品臺。樣品臺必須能做水平面上X、Y方向的移動，以選擇、移動觀察視野，相對應(yīng)地配備了2個操縱桿或者旋轉(zhuǎn)手輪，這是一個精密的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，每一個操縱桿旋轉(zhuǎn)10圈時，樣品臺才能沿著某個方向移動3mm左右。盛放樣品的銅網(wǎng)根據(jù)需要可以是多種多樣的，直徑一般均為3mm，通常銅網(wǎng)上有多少個柵格，我們就把它稱作多少目。透射電鏡常見的樣品臺有2種：頂入式樣品臺，要求樣品室空間大，一次可放入多個（常見為6個）樣品網(wǎng)，樣品網(wǎng) HYPERLINK /view/1555468.htm t _bl

8、ank 盛載杯呈環(huán)狀排列。側(cè)插式樣品臺，樣品臺制成桿狀，樣品網(wǎng)載放在前端，只能盛放12個銅網(wǎng)。樣品是先盛載在銅網(wǎng)上，然后固定在樣品臺上的，樣品臺與樣品握持桿合為一體，是一個非常精巧的部件。樣品桿的中部有一個“O”形橡膠密封圈，膠圈表面涂有真空脂，以隔離樣品室與鏡體外部的真空。樣品室的上下電子束通道各設(shè)了一個真空閥，用以在更換樣品時切斷電子束通道，只破壞樣品室內(nèi)的真空，而不影響整個鏡筒內(nèi)的真空，這樣在更換樣品后樣品室重又抽回真空時，可節(jié)省許多時間。當(dāng)樣品室的真空度與鏡筒內(nèi)達(dá)到平衡時，再重新開啟與鏡筒相通的真空閥。1.2.2物鏡處于樣品室下面，緊貼樣品臺，是電鏡中的第1個成像元件，在物鏡上產(chǎn)生哪怕

9、是極微小的誤差，都會經(jīng)過多級高倍率放大而明顯地暴露出來，所以這是電鏡的一個最重要部件，決定了一臺電鏡的分辨本領(lǐng)，可看作是電鏡的心臟。物鏡是一塊強(qiáng)磁透鏡，焦距很短，對材料的質(zhì)地純度、加工精度、使用中污染的狀況等工作條件都要求極高。物鏡用于進(jìn)行初步成像放大，改變物鏡的工作電流，可以起到調(diào)節(jié)焦距的作用。電鏡操作面板上粗、細(xì)調(diào)焦旋扭，即為改變物鏡工作電流之用。1.2.3中間鏡和投影鏡在物鏡下方，依次設(shè)有中間鏡和第1投影鏡、第2投影鏡，以共同完成對物鏡成像的進(jìn)一步放大任務(wù)。從結(jié)構(gòu)上看，它們都是相類似的電磁透鏡，但由于各自的位置和作用不盡相同，故其工作參數(shù)、勵磁電流和焦距的長短也不相同。當(dāng)電鏡放大率在使用

10、中需要變換時，就必須使它們的焦距長短相應(yīng)做出變化，通常是改變靠中間鏡和第1投影鏡線圈的勵磁工作電流來達(dá)到的。電鏡操縱面板上放大率變換鈕即為控制中間鏡和投影鏡的電流之用。對中間鏡和投影鏡這類放大成像透鏡的主要要求是：在盡可能縮短鏡筒高度的條件下，得到滿足高分辨率所需的最高放大率，以及為尋找合適視野所需的最低放大率；可以進(jìn)行 HYPERLINK /view/696611.htm t _blank 電子衍射像分析，做選區(qū)衍射和小角度衍射等特殊觀察；同樣也希望它們的像差、畸變和軸上像散都盡可能地小。1.3照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)包括電子槍和聚光鏡2個主要部件，它的功用主要在于向樣品及成像系統(tǒng)提供亮度足夠的光源

11、、電子束流，對它的要求是輸出的電子束波長單一穩(wěn)定，亮度均勻一致，調(diào)整方便，像散小。1.3.1電子槍由陰極、陽極和柵極組成，圖1-3為它的剖面結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物分解圖。圖1 SEQ 圖表 * ARABIC s 1 3電子槍的構(gòu)成（1）陰極是產(chǎn)生自由電子的源頭，材料多用金屬 HYPERLINK /view/1003437.htm t _blank 鎢絲制成。燈絲的直徑約為0.100.12mm，當(dāng)幾安培的加熱電流流過時，即可開始發(fā)射出自由電子，不過燈絲周圍必須保持高度真空，否則就象漏氣燈泡一樣，加熱的燈絲會在傾刻間被氧化燒毀。陰極燈絲被安裝在高絕緣的陶瓷燈座上，既能絕緣、耐受幾千度的高溫，還可以方便更

12、換。燈絲的加熱電流值是連續(xù)可調(diào)的。（2）陽極為一中心有孔的金屬圓筒，處在陰極下方，當(dāng)陽極上加有數(shù)十千伏或上百千伏的正高壓加速 HYPERLINK /view/10954.htm t _blank 電壓時，將對陰極受熱發(fā)射出來的自由電子產(chǎn)生強(qiáng)烈的引力作用，并使之從雜亂無章的狀態(tài)變?yōu)橛行虻亩ㄏ蜻\(yùn)動，同時把自由電子加速到一定的 HYPERLINK /view/201847.htm t _blank 運(yùn)動速度，形成一股束流射向陽極靶面。凡在軸心運(yùn)動的電子束流，將穿過陽極中心的圓孔射出電子槍外，成為照射樣品的光源。（3）柵極位于陰、陽極之間，靠近燈絲頂端，為形似帽狀的金屬物，中心亦有一小孔供電子束通過。

13、柵極上加有01000V的負(fù)電壓（對陰極而言），它的高低不同，可由使用者根據(jù)需要調(diào)整，柵極偏壓能使電子束產(chǎn)生向中心軸會聚的作用，同時對燈絲上自由電子的發(fā)射量也有一定的調(diào)控抑制作用。（4）工作原理。圖1-4表明，在燈絲電源VF作用下，電流IF流過燈絲陰極，使之發(fā)熱達(dá)2500以上時，便可產(chǎn)生自由電子并逸出燈絲表面。加速電壓VA使陽極表面聚集了密集的正電荷，形成了一個強(qiáng)大的正 HYPERLINK /view/63151.htm t _blank 電場，在這個正電場的作用下自由電子便飛出了電子槍外。調(diào)整VF可使燈絲工作在欠飽和點(diǎn)，電鏡使用過程中可根據(jù)對亮度的需要調(diào)節(jié)柵偏壓VG的大小來控制電子束流量的大小

14、。圖1 SEQ 圖表 * ARABIC s 1 4電子槍的工作原理1.3.2聚光鏡聚光鏡處在電子槍的下方，一般由23級組成，從上至下依次稱為第1、第2聚光鏡（以C1和C2表示）。電鏡中設(shè)置聚光鏡的用途是將電子槍發(fā)射出來的電子束流會聚成亮度均勻且照射范圍可調(diào)的光斑，投射在下面的樣品上。C1和C2的結(jié)構(gòu)相似，但極靴形狀和工作電流不同，所以形成的 HYPERLINK /view/351.htm t _blank 磁場強(qiáng)度和用也不相同。C1為強(qiáng)磁場透鏡，C2為弱磁場透鏡，各級聚光鏡組合在一起使用，可以調(diào)節(jié)照明束斑的直徑大小，從而改變了照明亮度的強(qiáng)弱，在電鏡操縱面板上一般都設(shè)有對應(yīng)的調(diào)節(jié)旋扭。C1、C2

15、的工作原理是通過改變聚光透鏡線圈中的電流，來達(dá)到改變透鏡所形成的磁場強(qiáng)度的變化，磁場強(qiáng)度的變化能使電子束的會聚點(diǎn)上下移動，在樣品表面上電子束斑會聚得越小，能量越集中，亮度也越大；反之束斑發(fā)散，照射區(qū)域變大則亮度就減小。通過調(diào)整聚光鏡電流來改變照明亮度的方法，實(shí)際上是一個間接的調(diào)整方法，亮度的最大值受到電子束流量的限制。1.4觀察記錄系統(tǒng)1.4.1觀察室透射電鏡的最終成像結(jié)果，顯現(xiàn)在觀察室內(nèi)的熒光屏上，觀察室處于投影鏡下，空間較大，開有13個鉛玻璃窗，可供操作者從外部觀察分析用。由于電子束的成像波長太短，不能被人的眼睛直接觀察，電鏡中采用了涂有熒光物質(zhì)的熒光屏板把接收到的電子影像轉(zhuǎn)換成可見光的影

16、像。觀察者需要在熒光屏上對電子顯微影像進(jìn)行選區(qū)和聚焦等調(diào)整與觀察分析。熒光屏的中心部分為一直徑約10cm的圓形活動熒光屏板，平放時與外周熒屏吻合，可以進(jìn)行大面積觀察。使用外部操縱手柄可將活動熒屏拉起，斜放在45角位置，此時可用電鏡置配的雙目 HYPERLINK /view/84605.htm t _blank 放大鏡，在觀察室外部通過玻璃窗來精確聚焦或細(xì)致分析影像結(jié)構(gòu)，而活動熒光屏完全直立豎起時能讓電子影像通過，照射在下面的感光膠片上進(jìn)行曝光。1.4.1照相室照相室處在鏡筒的最下部，內(nèi)有送片盒（用于儲存未曝光底片）和接收盒（用于收存已曝光底片）及一套膠片傳輸機(jī)構(gòu)。每張底片都由特制的一個不銹鋼底

17、片夾夾持，疊放在片盒內(nèi)。工作時由輸片機(jī)構(gòu)相繼有序地推放底片夾到熒光屏下方電子束成像的位置上。曝光控制有手控和自控兩種方法，快門啟動裝置通常并聯(lián)在活動熒光屏板的扳手柄上。電子束流的大小可由探測器檢測，給操作者以曝光指示；或者應(yīng)用全自動曝光模式由計算機(jī)控制，按程序選擇曝光亮度和最佳曝光時間完成影像的拍攝記錄。1.4.3陰極射線管顯示器電鏡的操作面板上的 HYPERLINK /view/16788.htm t _blank CRT顯示器主要用于電鏡總體工作狀態(tài)的顯示、操作鍵盤的輸入內(nèi)容顯示、計算機(jī)與操作者之間的人機(jī)對話交流提示以及電鏡維修調(diào)整過程中的程序提示、故障警示等。1.5透射電子顯微鏡實(shí)例分析

18、當(dāng)電鏡以成像方式操作時，中間鏡物平面與物鏡像平面重合。熒光屏上顯示樣品中某一微區(qū)的放大圖像。此時，如果在物鏡像平面內(nèi)插入一個孔徑可變的選區(qū)光闌，讓光闌孔只套住我們感興趣的那個微區(qū)，那么光闌孔以外的成像電子束被擋住，只有進(jìn)入光闌孔內(nèi)那個微區(qū)的像進(jìn)入中間鏡和投影鏡參與成像。然后，降低中間鏡的激磁電流變?yōu)檠苌洳僮?，這時只有我們感興趣的那個微物點(diǎn)散射的電子波可以通過選區(qū)光闌進(jìn)入下面的透鏡系統(tǒng)，熒光屏上所顯示的只限于選區(qū)范圍內(nèi)晶體所產(chǎn)生的衍射花樣，從而實(shí)現(xiàn)了選區(qū)形貌觀察與衍射的對應(yīng)。選區(qū)電子衍射的操作步驟為（1）按成像操作得到清晰的圖象。（2）加入選區(qū)光闌將感興趣的區(qū)域圍起來，調(diào)節(jié)中間鏡電流使光闌邊緣的

19、像在熒光屏上清晰，這就使中間鏡的物面與選區(qū)光闌的平面相重疊。（3）調(diào)整物鏡電流使選區(qū)光闌內(nèi)的像清晰，這就使物鏡的像面與選區(qū)光闌及中間鏡的物面相重，保證了選取區(qū)的準(zhǔn)確。（4）抽出物鏡光闌，減弱中間鏡電流，使中間鏡物平面上移到物鏡背焦面處，這時在熒光屏上就會看到衍射花樣的放大象。（5）減弱聚光鏡電流以減小入射電子束的孔徑角，得到更趨近平行的電子束，這樣可以進(jìn)一步減小焦斑尺寸。如圖1-5所示為電子衍射斑點(diǎn)和衍射圖譜。圖1 SEQ 圖表 * ARABIC s 1 5電子衍射斑點(diǎn)和衍射圖譜第二章 掃描電子顯微鏡掃描電子 HYPERLINK /view/2921.htm t _blank 顯微鏡的制造依據(jù)

20、是電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生 HYPERLINK /view/190490.htm t _blank 二次電子、 HYPERLINK /view/569386.htm t _blank 俄歇電子、特征 HYPERLINK /view/45735.htm t _blank X射線和連續(xù)譜 HYPERLINK /view/45735.htm t _blank X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的 HYPERLINK /view/25556.htm t _blank 電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、 HYPERLIN

21、K /view/2707782.htm t _blank 晶格振動（聲子)、 HYPERLINK /view/11769247.htm t _blank 電子振蕩（ HYPERLINK /view/1802.htm t _blank 等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中用到的設(shè)備是HELIOS NanoLab 600i-離子雙束顯微電鏡。主要性能指標(biāo)：二次電子像分辨率：0.9nm（kv），

22、104nm(kv)；放大倍數(shù)：40-600000，加速電壓：0.5kv-30kv；離子成像分辨率：4nm（30kv），加速電壓：0.5kv-30kv。主要配置及附件：ESD能譜儀、EBSD背散射電子衍射分析儀、微納結(jié)構(gòu)操作機(jī)械手、力學(xué)及電學(xué)性能測試附件。2.1掃描電鏡的構(gòu)造和工作原理掃描電鏡主要由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號接收顯示系統(tǒng)和真空系統(tǒng)三部分組成,此外還包括一些自動控制、自動補(bǔ)償、圖像處理等部件。其工作原理是:真空系統(tǒng)將鏡筒抽成高真空,在高真空中電子槍熱燈絲發(fā)射出電子,電子經(jīng)高壓加速后,通過磁透鏡聚焦成只有幾個埃到幾十個埃的細(xì)小電子束(電子探針),電子束由于偏轉(zhuǎn)線圈的作用,在樣品表面作有規(guī)則的

23、光柵掃描運(yùn)動,并與樣品物質(zhì)相互作用,結(jié)果在樣品上產(chǎn)生各種信號,如二次電子、背反射電子、俄歇電子、X射線、陰極發(fā)光、電動力、吸收電子和透射電子等，如圖2-1所示。掃描電鏡中成象的信號主要是二次電子,其次是背反射電子和吸收電子,因二次電子象的分辨率較高。樣品產(chǎn)生的二次電子,被樣品室中的檢測器吸收并經(jīng)放大系統(tǒng)放大,最后在熒光屏上顯示出來,由于顯象管中電子束和鏡筒中電子束是同步掃描的,其亮度由樣品激發(fā)的二次電子訊號強(qiáng)度調(diào)節(jié),因而可以得到反映樣品表面狀況的掃描電子象,如用記錄系統(tǒng)拍照,就可得到二次電子象的照片。如圖2-2所示為為掃描電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。圖2-1入射電子與試樣作用示意 圖2-2掃描

24、電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖2.2電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用于產(chǎn)生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成像。1.電子槍電子槍用于產(chǎn)生電子，主要有兩大類，共三種。一類是利用場致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱為場致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬美元以上，且需要小于10-10torr的極高真空，但它具有至少1000小時以上的壽命，且不需要電磁透鏡 HYPERLINK /view/25302.htm t _blank 系統(tǒng)。另一類則是利用熱發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30100小時之間，價格便宜，但成像不如其他兩種明亮，常作為廉價或標(biāo)準(zhǔn)

25、SEM配置。六硼化鑭槍壽命介于場致發(fā)射電子槍與鎢槍之間，為2001000小時，價格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮510倍，需要略高于鎢槍的真空，一般在10-7torr以上；但比鎢槍容易產(chǎn)生過度飽和和熱激發(fā)問題。2.電磁透鏡熱發(fā)射電子需要電磁透鏡來成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的SEM上，電磁透鏡必不可少。通常會裝配兩組：（1）匯聚透鏡：匯聚透鏡用匯聚電子束，裝配在真空柱中，位于電子槍之下。通常不止一個，并有一組匯聚 HYPERLINK /view/568.htm t _blank 光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束，與成像會焦無關(guān)。（2） HYPERLINK /view/475448.htm t _blank 物鏡：物鏡為真空柱中最下方的一個電磁透鏡，它負(fù)責(zé)將電子束的 HYPERLINK /view/213284.htm t _blank 焦點(diǎn)匯聚到樣品表面。2.3信號接收顯示系統(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(jìn)行檢測。信號電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見光?？梢姽庑盘柾ㄟ^光導(dǎo)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。如前所述