掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)緒言掃描電子顯微鏡是自上世紀60年代作為商用電鏡面世以來迅速發(fā)展起來的一種新型的電子光學儀器。由于它具有制樣簡單、放大倍數(shù)可調范圍寬、圖像的分辨率高、景深大等特點，故被廣泛地應用于化學、生物、醫(yī)學、冶金、材料、半導體制造、微電路檢查等各個研究領域和工業(yè)部門。掃描電子顯微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%以上的入射電子能量轉變成樣品熱能，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。掃描電鏡設備就是通過這些信號得到訊息，從而對樣品進行分析的。陰極熒光(CL)入射電子束吸收電子(AE)背散射電子(RE)電子陰極熒光(CL)入射電子束吸收電子(AE)背散射電子(RE)電子電子電動勢X射線二次電子(SE)透射電子(TE)圖1入射電子束轟擊樣品產(chǎn)生的信息示意圖SEM的電子成像原理包括二次電子成像(SEI)、背散射電子成像(BEI)和吸收電子成像。二次電子成像(SEI)中入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子(價帶或導帶電子)電離產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，僅在樣品表面5nm—10nm的深度內才能逸出表面。二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對樣品表面形貌變化敏感的物理信號作為調節(jié)信號得到的一種象襯度。二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。二次電子的產(chǎn)生額與入射電子束能量及入射電子束角度有關。背散射電子成像(BEI)用背散射電子信號進行形貌分析，其分辨率遠比二次

電子低，因為背散射電子是在一個較大的作用體積內被入射電子激發(fā)出來的，成像單元變大是分辨率降低的原因。背散射電子信號隨原子序數(shù)Z的變化比二次電子的變化顯著的多，因此圖像應有較好的成分襯度。圖2是含鎳材料的SEI圖像和BEI圖像。、圖圖像、圖圖像吸收電子成像中吸收電子的產(chǎn)額與背散射電子相反，樣品的原子序數(shù)越小，背散射電子越少．吸收電子越多，反之樣品的原子序數(shù)越大，則背散射電子越多，吸收電子越少。因此，吸收電子像的襯度是與背散射電子和二次電子像的襯度互補的。背散射電子圖像上的亮區(qū)在相應的吸收電子圖像上必定是暗區(qū)。掃描電鏡的儀器結構從結構上看，如圖3所示，掃描電鏡主要由七大系統(tǒng)組成，即電子光學系統(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)。囂室5素統(tǒng)圖3囂室5素統(tǒng)圖3掃描電子顯微鏡結構圖2.1電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號的激發(fā)源。為了獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。<1>電子槍：其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點是燈絲價格較便宜，對真空度要求不高，缺點是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經(jīng)過二級或三級聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm,因此儀器分辨率受到限制。現(xiàn)在，高等級掃描電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。<2>電磁透鏡：其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50mm的束斑縮小成一個只有數(shù)nm的細小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。掃描電鏡一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的干擾。<3>掃描線圈：其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變入射電子束在樣品表面掃描振幅，以獲得所需放大倍率的掃描像。<4>樣品室：主要部件是樣品臺。它能進行三維空間的移動，還能傾斜和轉動，樣品臺移動范圍一般可達40毫米，傾斜范圍至少在50°左右，轉動360°。樣品室中還要安置各種型號檢測器。信號的收集效率和相應檢測器的安放位置有很大關系。近年來，為適應斷口實物等大零件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在①125mm以上的大樣品臺。信號收集及顯示系統(tǒng)其作用是檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，大致可分為三類：電子檢測器，應急熒光檢測器和X射線檢測器。在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成（見下圖）。二逍電F人辭奧子網(wǎng)丄當信號電子進入閃爍體時將引起電離；當離子與自由電子復合時產(chǎn)生可見光。光子沿著沒有吸收的光導管傳送到光電倍增器進行放大并轉變成電流信號輸

出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調制信號。這種檢測系統(tǒng)的特點是在很寬的信號范圍內具有正比與原始信號的輸出，具有很寬的頻帶（10Hz-lMHz）,而且噪音很小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調制的，而由檢測器接收的信號強度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監(jiān)測系統(tǒng)輸出的反營養(yǎng)品表面狀態(tài)的調制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。3.1塊狀試樣的制備圖3-1上樣與觀察方向示意圖掃描電子顯微鏡（SEM）3.1塊狀試樣的制備圖3-1上樣與觀察方向示意圖（p25mm，最厚不超過20mm等），經(jīng)過清洗，然后用雙面膠帶粘在載物盤，再用導電銀漿連通試樣與載物盤（以確保導電良好），等銀漿干了之后就可放到掃描電鏡中直接進行觀察。非導電性的塊狀材料試樣的制備基本可以像導電性塊狀材料試樣的制備一樣，只是在導電性材料制備基礎上需在樣品表面噴鍍一層導電層即可。對非導電的試樣，例如陶瓷、玻璃、有機物等，在電子束掃描下，表面會積累負電荷，使樣品表面形成一個較強的負電位，產(chǎn)生充電現(xiàn)象。樣品的負電位抵消掉入射電子部分能量，使二次電子發(fā)射和運動不穩(wěn)定。在電子探針的圖像觀察、成分分析時，會產(chǎn)生電子束漂移、表面熱損傷等現(xiàn)象，使分析點無法定位、圖像無法法聚焦。3.2粉末試樣的制備粉末樣品制備，首先在載物盤上粘上雙面膠帶，然后取少量粉末試樣放在膠帶上的靠近載物盤圓心部位，接著用吹氣橡膠球朝載物盤徑向朝外方向輕吹，以使粉末可以均勻分布在膠帶上，也可以把粘結不牢的粉末吹走。然后在膠帶邊緣涂上導電銀漿以連接樣品與載物盤，等銀漿干了之后就可以進行最后的鍍一層導電膜。對于小于5“m小顆粒，要得到較好的分析結果，最好將粉體用壓片機壓制成塊狀，此時標樣也應用粉體壓制。對細顆粒的粉體分析時，特別是對團聚體粉體形貌觀察時，需將粉體用酒精或水在超聲波機內分散，再用滴管把均勻混合的粉體滴在試樣座上，待液體烘干或自然干燥后，粉體靠表面吸附力即可粘附在試樣座上。3、溶液試樣的制備對于溶液試樣一般采用薄銅片作為載體。首先，在載物盤上粘上雙面膠帶，然后粘上干凈的薄銅片，然后把溶液小心滴在銅片上，等干了之后觀察析出來的樣品量是否足夠，如果不夠再滴一次，等再次干了之后就可以涂導電銀漿和鍍膜了。4、生物試樣的制備掃描電鏡生物樣品的制備，必須滿足以下要求：①保持完好的組織和細胞形態(tài)；②充分暴露欲觀察的部位；③良好的導電性和較高的二次電子產(chǎn)額；④保持充分干燥的狀態(tài)。一般采用化學方法制備樣品，其程序通常是:清洗一化學固定一干燥一鍍膜。清洗某些生物材料表面常附血液、細胞碎片、消化道內的食物殘渣、細菌、淋巴液及粘液等異物，掩蓋著欲觀察的部位，因而，需要在固定之前用生理鹽水或等滲緩沖液等把附著物清洗干凈。亦可用5%碳酸鈉沖洗或酶消化法去除這些異物。固定通常采用醛類（主要是戊二醛和多聚甲醛）與四氧化鋨雙固定，也可用四氧化鋨單固定。四氧化鋨固定不僅可良好地保存組織細胞結構，而且能增加材料的導電性和二次電子產(chǎn)額，提高掃描電子顯微圖像的質量。這對高分辨掃描電子顯微術是極端重要的。干燥固定后通常采用臨界點干燥法。其原理是：適當選擇溫度和壓力，使液體達到臨界狀態(tài)（液態(tài)和氣相間界面消失），從而避免在干燥過程中由水的表面張力所造成的樣品變形。對含水生物材料直接進行臨界點干燥時，水的臨界溫度和壓力不能過高（37.4°C,218帕）。鍍膜將干燥的樣品用導電性好的粘合劑或其他粘合劑粘在金屬樣品臺上，然后放在真空蒸發(fā)器中噴鍍一層50?300埃厚的金屬膜。4?顯微鏡的應用掃描電子顯微鏡是一種多功能的儀器、具有很多優(yōu)越的性能、是用途最為廣泛的一種儀器.它可以應用于很多領域中。4.1掃描電鏡在材料研究中的應用掃描電鏡材料的組織形貌觀察、層表面形貌分析和深度檢測、區(qū)化學成分分析和微組織及超微尺寸材料的研究。例如：掃描電子顯微鏡在新型陶瓷材料顯微分析中的應用。在陶瓷的制備過程中，進行顯微結構的分析,原始材料及其制品的顯微形貌、孔隙大小、晶界和團聚程度等將決定其最后的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映和記錄這些微觀特征,是觀察分析樣品微觀結構方便、易行的有效方法,樣品無需制備,只需直接放入樣品室內即可放大觀察；同時掃描電子顯微鏡可以實現(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。4.2掃描電鏡在生物、醫(yī)學領域應用在生物醫(yī)學領域可以利用高性能的電子顯微鏡觀察細胞中各種正常的和病理的超微結構,諸如內質網(wǎng)、線粒體、高爾基體、溶酶體、細胞骨架系統(tǒng)等,對探明病因和治療疾病有很大幫助?？梢匝芯考毎耐ㄓ嵟c運輸、分裂與分化、增殖與調控等生命活動的規(guī)律,電子顯微鏡也可結合各種制樣技術觀察病毒、細菌、支原體、生物大分子等的超微結構,是現(xiàn)代生物醫(yī)學研究不可替代的工具。例如：wilson病是一種先天的代謝性疾病,線粒體在早期的病理變化對病理診斷是非常有價值的。在軟組織系統(tǒng)疾病診斷中,Kyriacou等認為電鏡對3種主要類型肌病的診斷很有用：空泡性肌病；代謝性肌??；先天性肌病。這些疾病中大約15%?20%的肌肉活檢需要進一步應用電鏡檢查資料作為最終診斷的前提。掃描電鏡與其他設備的組合以實現(xiàn)多種分析目前掃描電子顯微鏡的最主要組合分析功能有:1、 X射線顯微分析系統(tǒng)：（即能譜儀,EDS）,主要用于元素的定性和定量分析，并可分析樣品微區(qū)的化學成分等信息。2、 電子背散射系統(tǒng)（即結晶學分析系統(tǒng)）,主要用于晶體和礦物的研究。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展,其他一些掃描電子顯微鏡組合分析功能也相繼出現(xiàn),例如顯微熱臺和冷臺系統(tǒng),主要用于觀察和分析材料在加熱和冷凍過程中微觀結構