納米材料測試分析技術(shù)-掃描電鏡課件

在光學(xué)顯微鏡的完善和發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)：不管如何完善光學(xué)顯微鏡的透鏡和結(jié)構(gòu)，其放大倍數(shù)和分辨率總是被限定在1000多倍和幾百納米的水平，不可能再有所新的突破。后來，人們終于發(fā)現(xiàn)：是顯微鏡所使用的光源限制了光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的進(jìn)一步發(fā)展。因為，可見光的波長在390納米到760納米之間，而顯微鏡的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波長的大小，所以光學(xué)顯微鏡的理論極限分辨本領(lǐng)也就在200納米左右。在光學(xué)顯微鏡的完善和發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)：不管如何完1§3.1掃描電子顯微鏡SEM：Scanningelectronmicroscope

1935年：德國的Knoll提出了掃描電鏡(SEM)的概念;1942：Zworykin.Hillier,制成了第一臺實驗室用的掃描電鏡。1965年第一臺商品掃描電鏡問世。§3.1掃描電子顯微鏡SEM：Scanningelect2電子與固體試樣的交互作用

一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X射線、俄歇過程和俄歇電子、吸收電子、透射電子等。電子與固體試樣的交互作用一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時3樣品入射電子

俄歇電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子X射線透射電子

樣品入射電子俄歇電子陰極發(fā)光背散射電子二次電子X4SecondaryElectrons(SE)IncidentElectronSecondaryElectron入射電子將樣品中的電子轟出樣品之外的那部分電子，能量小于50eVSecondaryElectrons(SE)Incide5BackscatteredElectrons(BE)IncidentElectronBackscatteredElectron入射電子經(jīng)過試樣表面散射后改變運(yùn)動方向后又從試樣表面反射回來的電子BackscatteredElectrons(BE)In6納米材料測試分析技術(shù)-掃描電鏡課件7一、掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號收集系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)）、成像放大系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)三大部分組成。比較一、掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系81．電子光學(xué)系統(tǒng)[1]電子槍----滿足亮度高、電子能量散布小種類：鎢燈絲、六硼化鑭燈絲、場發(fā)射

場發(fā)射電子槍在低電壓下仍有較高的分辨率，這點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)上十分有用，因工作電壓低使生物試樣避免了輻射損傷。較好真空環(huán)境，費(fèi)用高冷場和熱場1．電子光學(xué)系統(tǒng)較好真空環(huán)境，費(fèi)用高冷場和熱場9電子槍室電子槍室10電子槍電子槍11[2]聚焦透鏡不作成像透鏡用，將電子槍的束斑逐級聚焦縮小，從50微米縮小成幾個納米(越小分辨率越高)。一般6nm,場發(fā)射3nm。[3]樣品室：對真空要求較高2.掃描系統(tǒng)：掃描發(fā)生器和掃描線圈（1）使電子束偏轉(zhuǎn)在樣品表面有規(guī)則掃動（2）改變掃描像的放大倍數(shù)[2]聚焦透鏡2.掃描系統(tǒng)：掃描發(fā)生器和掃描線圈123.信號收集系統(tǒng)掃描電鏡的物理信號主要為（1）二次電子（2）背散射電子。[1]收集二次電子時，為提高有效立體角，常在收集器前柵網(wǎng)上加上+250V偏壓，使離開樣品的二次電子走彎曲軌道，到達(dá)收集器，提高收集效率，而且即使在十分粗糙的表面，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的圖像。[2]背散射電子能量較高，受偏壓影響較小，仍沿出射直線方向運(yùn)動，收集器只收集直接沿直線到達(dá)柵網(wǎng)上的電子。3.信號收集系統(tǒng)掃描電鏡的物理信號主要為（1）二次13二、工作原理由電子槍發(fā)出的電子束在加速電壓作用下，經(jīng)過三個磁透鏡聚焦成直徑為5nm或更細(xì)的電子束。在掃描線圈的控制下，使電子束在試樣表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。電子與試樣作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等各種信息，觀察試樣形貌時，檢測器主要是收集二次電子和部分背散射電子，信號隨著試樣形貌不同而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生信號襯度，經(jīng)放大器放大后調(diào)制顯像管的亮度。二、工作原理由電子槍發(fā)出的電子束在加速電壓作用下，經(jīng)過三個磁14樣品表面不同點(diǎn)，由于原子種類，表面高低，起伏，凸凹不一，導(dǎo)致樣品表面不同點(diǎn)在被轟擊時，發(fā)射二次電子的能力不同，數(shù)量不同，發(fā)射角度方向也不同，因此具有樣品表面的特征。

樣品表面不同點(diǎn)，由于原子種類，表面高低，起伏，凸凹不一，導(dǎo)致15三．掃描電鏡的主要性能放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)定義為顯示熒光屏邊長與入射電子束在樣品上掃描寬度之比。

掃描電鏡的放大倍數(shù)十幾倍到20萬倍，介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間2.分辨本領(lǐng)顯微鏡能夠清楚地分辨物體上最小細(xì)節(jié)的能力叫分辨本領(lǐng)三．掃描電鏡的主要性能放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)十幾16一般情況下，人眼的分辨本領(lǐng)為0.1—0.2mm，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)為0.2um，透射電鏡的分辨本領(lǐng)為0.3-0.4nm(最佳可近于0.2nm或更小)掃描電鏡分辨本領(lǐng)與下面幾個因素有關(guān)：（1）入射電子束束斑直徑：入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。如場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm，儀器最高分辨本領(lǐng)可達(dá)3nm.(2)入射束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)二次電子掃描像的分辨本領(lǐng)最高，約等于入射電子束直徑，一般為6-10nm，背散射電子為50-200nm，一般情況下，人眼的分辨本領(lǐng)為0.1—0.2m173.景深：指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前后可移動的距離。

掃描電鏡觀察樣品的景深最大，光學(xué)顯微鏡景深最小。透射電鏡也具有較大景深。掃描景深大，圖像富有立體感，可直接觀察試樣表面起伏較大的粗糙結(jié)構(gòu)形態(tài)。3.景深：指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前18ZnO微米晶體ZnO微米晶體19氫氧化鋅薄膜氫氧化鋅薄膜20蒼蠅的復(fù)眼蒼蠅的復(fù)眼21果蠅：不同倍率的掃描電鏡照片果蠅：22納米材料測試分析技術(shù)-掃描電鏡課件23高分子納米管高分子納米管24FE-SEMimageofrepresentativehelcialnanofibersafteragrowthperiodof2h.FE-SEMimageofrepresentative25Field-emissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM)imageofrepresentativehelcialnanofibersafteragrowthperiodof3min.Field-emissionscanningelectr26BACCuttingthenanofibersbyelectronbeam.CuttingthesupportedhelicalnanofiberswithelectronbeamofFE-SEM.(a)beforeheating,(B)afterheatingfor5min,(C)afterheatingfor1h.BACCuttingthenanofibersbye27123.1300?С，100nmto500nm.2.350?С，2–3um3.400?С，5-10um123.1300?С，100nmto500nm.28螺旋形碳納米管螺旋形碳納米管29陽極氧化鋁模板陽極氧化鋁模板30填充玻纖的高分子斷面填充玻纖的高分子斷面31注射針頭的掃描電鏡照片注射針頭的掃描電鏡照片32——能譜儀——能譜儀33——example——example34

試樣制備方法（a）粉體試樣粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒。當(dāng)顆粒比較大時，例如大于5μm，可以尋找表面盡量平的大顆粒分析。也可以將粗顆粒粉體用環(huán)氧樹脂等鑲嵌材料混合后，進(jìn)行粗磨、細(xì)磨及拋光方法制備。試樣制備方法（a）粉體試樣粉體可以直接撒在試樣座的雙35納米材料測試分析技術(shù)-掃描電鏡課件36(b)金屬等導(dǎo)電試樣可直接放入電鏡觀察，試樣厚度和大小只要合適于樣品室大小即可。(c)高分子材料大多不導(dǎo)電，鍍一層金膜再進(jìn)行觀察。(b)金屬等導(dǎo)電試樣可直接放入電鏡觀察，試樣厚度(c)高分子37掃描電鏡結(jié)果分析示例β—Al2O3試樣高體積密度與低體積密度的形貌像2200×拋光面掃描電鏡結(jié)果分析示例β—Al2O3試樣高體積密度與低體積密度38斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)生，有晶粒拔出現(xiàn)象，晶粒表面光滑，還可以看到明顯的晶界相。斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)39粉體形貌觀察α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)(b)(a)300×(b)6000×粉體形貌觀察α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒40鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×返回鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×返回41

在光學(xué)顯微鏡的完善和發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)：不管如何完善光學(xué)顯微鏡的透鏡和結(jié)構(gòu)，其放大倍數(shù)和分辨率總是被限定在1000多倍和幾百納米的水平，不可能再有所新的突破。后來，人們終于發(fā)現(xiàn)：是顯微鏡所使用的光源限制了光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的進(jìn)一步發(fā)展。因為，可見光的波長在390納米到760納米之間，而顯微鏡的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波長的大小，所以光學(xué)顯微鏡的理論極限分辨本領(lǐng)也就在200納米左右。在光學(xué)顯微鏡的完善和發(fā)展過程中，人們發(fā)現(xiàn)：不管如何完42§3.1掃描電子顯微鏡SEM：Scanningelectronmicroscope

1935年：德國的Knoll提出了掃描電鏡(SEM)的概念;1942：Zworykin.Hillier,制成了第一臺實驗室用的掃描電鏡。1965年第一臺商品掃描電鏡問世?！?.1掃描電子顯微鏡SEM：Scanningelect43電子與固體試樣的交互作用

一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X射線、俄歇過程和俄歇電子、吸收電子、透射電子等。電子與固體試樣的交互作用一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時44樣品入射電子

俄歇電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子X射線透射電子

樣品入射電子俄歇電子陰極發(fā)光背散射電子二次電子X45SecondaryElectrons(SE)IncidentElectronSecondaryElectron入射電子將樣品中的電子轟出樣品之外的那部分電子，能量小于50eVSecondaryElectrons(SE)Incide46BackscatteredElectrons(BE)IncidentElectronBackscatteredElectron入射電子經(jīng)過試樣表面散射后改變運(yùn)動方向后又從試樣表面反射回來的電子BackscatteredElectrons(BE)In47納米材料測試分析技術(shù)-掃描電鏡課件48一、掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號收集系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)）、成像放大系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)三大部分組成。比較一、掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系491．電子光學(xué)系統(tǒng)[1]電子槍----滿足亮度高、電子能量散布小種類：鎢燈絲、六硼化鑭燈絲、場發(fā)射

場發(fā)射電子槍在低電壓下仍有較高的分辨率，這點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)上十分有用，因工作電壓低使生物試樣避免了輻射損傷。較好真空環(huán)境，費(fèi)用高冷場和熱場1．電子光學(xué)系統(tǒng)較好真空環(huán)境，費(fèi)用高冷場和熱場50電子槍室電子槍室51電子槍電子槍52[2]聚焦透鏡不作成像透鏡用，將電子槍的束斑逐級聚焦縮小，從50微米縮小成幾個納米(越小分辨率越高)。一般6nm,場發(fā)射3nm。[3]樣品室：對真空要求較高2.掃描系統(tǒng)：掃描發(fā)生器和掃描線圈（1）使電子束偏轉(zhuǎn)在樣品表面有規(guī)則掃動（2）改變掃描像的放大倍數(shù)[2]聚焦透鏡2.掃描系統(tǒng)：掃描發(fā)生器和掃描線圈533.信號收集系統(tǒng)掃描電鏡的物理信號主要為（1）二次電子（2）背散射電子。[1]收集二次電子時，為提高有效立體角，常在收集器前柵網(wǎng)上加上+250V偏壓，使離開樣品的二次電子走彎曲軌道，到達(dá)收集器，提高收集效率，而且即使在十分粗糙的表面，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的圖像。[2]背散射電子能量較高，受偏壓影響較小，仍沿出射直線方向運(yùn)動，收集器只收集直接沿直線到達(dá)柵網(wǎng)上的電子。3.信號收集系統(tǒng)掃描電鏡的物理信號主要為（1）二次54二、工作原理由電子槍發(fā)出的電子束在加速電壓作用下，經(jīng)過三個磁透鏡聚焦成直徑為5nm或更細(xì)的電子束。在掃描線圈的控制下，使電子束在試樣表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。電子與試樣作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等各種信息，觀察試樣形貌時，檢測器主要是收集二次電子和部分背散射電子，信號隨著試樣形貌不同而發(fā)生變化，從而產(chǎn)生信號襯度，經(jīng)放大器放大后調(diào)制顯像管的亮度。二、工作原理由電子槍發(fā)出的電子束在加速電壓作用下，經(jīng)過三個磁55樣品表面不同點(diǎn)，由于原子種類，表面高低，起伏，凸凹不一，導(dǎo)致樣品表面不同點(diǎn)在被轟擊時，發(fā)射二次電子的能力不同，數(shù)量不同，發(fā)射角度方向也不同，因此具有樣品表面的特征。

樣品表面不同點(diǎn)，由于原子種類，表面高低，起伏，凸凹不一，導(dǎo)致56三．掃描電鏡的主要性能放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)定義為顯示熒光屏邊長與入射電子束在樣品上掃描寬度之比。

掃描電鏡的放大倍數(shù)十幾倍到20萬倍，介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間2.分辨本領(lǐng)顯微鏡能夠清楚地分辨物體上最小細(xì)節(jié)的能力叫分辨本領(lǐng)三．掃描電鏡的主要性能放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)十幾57一般情況下，人眼的分辨本領(lǐng)為0.1—0.2mm，光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)為0.2um，透射電鏡的分辨本領(lǐng)為0.3-0.4nm(最佳可近于0.2nm或更小)掃描電鏡分辨本領(lǐng)與下面幾個因素有關(guān)：（1）入射電子束束斑直徑：入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。如場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm，儀器最高分辨本領(lǐng)可達(dá)3nm.(2)入射束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)二次電子掃描像的分辨本領(lǐng)最高，約等于入射電子束直徑，一般為6-10nm，背散射電子為50-200nm，一般情況下，人眼的分辨本領(lǐng)為0.1—0.2m583.景深：指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前后可移動的距離。

掃描電鏡觀察樣品的景深最大，光學(xué)顯微鏡景深最小。透射電鏡也具有較大景深。掃描景深大，圖像富有立體感，可直接觀察試樣表面起伏較大的粗糙結(jié)構(gòu)形態(tài)。3.景深：指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前59ZnO微米晶體ZnO微米晶體60氫氧化鋅薄膜氫氧化鋅薄膜61蒼蠅的復(fù)眼蒼蠅的復(fù)眼62果蠅：不同倍率的掃描電鏡照片果蠅：63納米材料測試分析技術(shù)-掃描電鏡課件64高分子納米管高分子納米管65FE-SEMimageofrepresentativehelcialnanofibersafteragrowthperiodof2h.FE-SEMimageofrepresentative66Field-emissionscanningelectronmicroscopy(FE-SEM)imageofrepresentativehelcialnanofibersafteragrowthperiodof3min.Field-emissionscanningelectr67BACCuttingthenanofibersbyelectronbeam.CuttingthesupportedhelicalnanofiberswithelectronbeamofFE-SEM.(a)beforeheating,(B)afterheatingfor5min,(C)afterheatingfor1h.BACCuttingthenanofibersbye68123.1300?С，100nmto500nm.2.350?С，2–3um3.400