掃描電鏡sem和課程

掃描電鏡sem和課程第1頁/共75頁人眼的分辯率人眼能分辯清楚的兩個(gè)細(xì)節(jié)間的最小距離：0.1~0.2mm第2頁/共75頁0.2μm光學(xué)顯微鏡的分辯率第3頁/共75頁微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理用載能粒子作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作用后便帶有樣品的結(jié)構(gòu)信息，分為吸收和發(fā)射光譜。所用波長應(yīng)該與要分析的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相應(yīng)，例如要想分析原子排列，必須用波長接近或小于原子間距的入射束。電子、光子和中子是最常見的束源。入射束出射束物質(zhì)第4頁/共75頁光學(xué)與電子顯微鏡的區(qū)別顯微鏡分辨本領(lǐng)光源透鏡真空成像原理LMSEMTEM200nm100nm50nm

0.1nm可見光（400-700）紫外光（約200nm)電子束(3.7pm)電子束(3.7pm)玻璃透鏡玻璃透鏡電磁透鏡電磁透鏡不要求真空不要求真空要求真空要求真空1.33x10-5～1.33x10-3Pa利用樣品對(duì)光的吸收形成明暗反差和顏色變化利用樣品對(duì)電子的反射和激發(fā)形成明暗反差利用樣品對(duì)電子的散射和透射形成明暗反差電子顯微鏡的分辨能力以它所能分辨的相鄰兩點(diǎn)的最小間距來表示

第5頁/共75頁1932年德國發(fā)明了第一臺(tái)電子顯微鏡，并于1986年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)電子顯微鏡主要特征：以電子束代替光鏡中的光束作為入射光電子束的波長由加速電壓所決定例：V=100kV時(shí)，λ=0.0039nm，此時(shí)分辯率為0.002nm以電磁透鏡代替光鏡中的玻璃透鏡電磁透鏡的本質(zhì)是一個(gè)透過直流電的線圈所產(chǎn)生的磁場，電子束受到磁場力的作用而改變其運(yùn)動(dòng)方向和速度，如同光束通過玻璃透鏡，最終會(huì)聚焦。電子顯微鏡的基本原理第6頁/共75頁第一章微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理一、

微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理

用載能粒子作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作用后便帶有樣品的結(jié)構(gòu)信息，分為吸收和發(fā)射光譜。所用波長應(yīng)該與要分析的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相應(yīng)，例如要想分析原子排列，必須用波長接近或小于原子間距的入射束。電子、光子和中子是最常見的束源。掃描電鏡透射電鏡電子與物質(zhì)的相互作用第7頁/共75頁掃描電鏡第8頁/共75頁各種新型的電子顯微鏡是我們看到另一個(gè)美麗奇妙的世界的窗口同時(shí)獲得結(jié)構(gòu)（衍射）、形貌（成象）和成分（X光能譜和波譜、電子能量損失譜、俄歇電子譜等）信息；電子束的波長很小，可覆蓋從微觀到宏觀的所有結(jié)構(gòu)尺度；高分辨率。缺點(diǎn)主要是電子穿透能力弱（穿透能力為十分之一微米量級(jí)），帶來樣品制備和實(shí)驗(yàn)等方面的困難；電子與物質(zhì)的作用十分強(qiáng)烈，致使結(jié)果分析較復(fù)雜。透射電鏡掃描電鏡俄歇譜儀電子探針第9頁/共75頁掃描探針顯微鏡與納米科技人類僅僅用眼睛和雙手認(rèn)識(shí)和改造世界是有限的，例如：人眼能夠直接分辨的最小間隔大約為O.07mm；人的雙手雖然靈巧，但不能對(duì)微小物體進(jìn)行精確的控制和操縱。但是人類的思想及其創(chuàng)造性是無限的。當(dāng)歷史發(fā)展到二十世紀(jì)八十年代，一種以物理學(xué)為基礎(chǔ)、集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的新型表面分析儀器——掃描隧道顯微鏡（STM）誕生了。STM不僅具有很高的空間分辨率（橫向可達(dá)0.1nm，縱向優(yōu)于0.01nm），能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)；而且還能對(duì)原子和分子進(jìn)行操縱，從而將人類的主觀意愿施加于自然?？梢哉fSTM是人類眼睛和雙手的延伸，是人類智慧的結(jié)晶。第10頁/共75頁基于STM的基本原理，隨后又發(fā)展起來一系列掃描探針顯微鏡（SPM）。如：掃描力顯微鏡（SFM）、彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM）、掃描近場光學(xué)顯微境（SNOM）等。這些新型顯微技術(shù)都是利用探針與樣品的不同相互作用來探測表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。第11頁/共75頁掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscopy,SEM)第12頁/共75頁SEM是直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像的。掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn):①有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；②有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；③試樣制備簡目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它像透射電鏡一樣是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究儀器。第13頁/共75頁我校測試中心-----JEOL掃描電鏡纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-----Hitachi掃描電鏡第14頁/共75頁TEM透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡是以波長很短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領(lǐng)，高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。其主要特點(diǎn)是，測試的樣品要求厚度極?。◣资{米），以便使電子束透過樣品。第15頁/共75頁

透射電鏡的特點(diǎn)及原理

透射電子顯微鏡是以波長很短的電子束做照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種具有高分辨本領(lǐng)，高放大倍數(shù)的電子光學(xué)儀器。其主要特點(diǎn)是，測試的樣品要求厚度極?。◣资{米），以便使電子束透過樣品。以高能電子（50-200keV）穿透樣品，根據(jù)樣品不同位置的電子透過強(qiáng)度不同或電子透過晶體樣品的衍射方向不同，經(jīng)過后面的電磁透鏡的放大后，在熒光屏上顯示出圖象；透射電鏡在加速電壓Ep=100keV下，電子的波長為3.7pm。第16頁/共75頁第17頁/共75頁掃描電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造第18頁/共75頁SEM成象特征第19頁/共75頁構(gòu)造與主要性能掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、信號(hào)檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等部分組成

第20頁/共75頁1．電子光學(xué)系統(tǒng)：獲得掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)的激發(fā)源由電子搶、電磁聚光鏡、光欄、樣品室等部件組成。第21頁/共75頁電子光學(xué)系統(tǒng)示意圖

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幾種類型電子槍性能比較第23頁/共75頁2．偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用：使電子束產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)，包括用于形成光柵狀掃描的掃描系統(tǒng)，以及使樣品上的電子束間斷性消隱或截?cái)嗟钠D(zhuǎn)系統(tǒng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以采用橫向靜電場，也可采用橫向磁場。第24頁/共75頁3．信號(hào)檢測放大系統(tǒng)：收集(探測)樣品在入射電子束作用下產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，并進(jìn)行放大不同的物理信號(hào)，要用不同類型的收集系統(tǒng)。閃爍計(jì)數(shù)器是最常用的一種信號(hào)檢測器，它由閃爍體、光導(dǎo)管、光電倍增管組成。具有低噪聲、寬頻帶(10Hz~1mHz)、高增益(106)等特點(diǎn)，可用來檢測二次電子、背散射電子等信號(hào)。第25頁/共75頁4．圖像顯示和記錄系統(tǒng)作用：將信號(hào)檢測放大系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為能顯示在陰極射線管熒光屏上的圖像，供觀察或記錄。第26頁/共75頁5．電源系統(tǒng)作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路組成第27頁/共75頁6．真空系統(tǒng)

作用：確保電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作、防止樣品污染、保證燈絲的工作壽命等。第28頁/共75頁SEM的主要性能（1）放大倍數(shù)

可從20倍到20萬倍連續(xù)調(diào)節(jié)。（2）分辨率影響SEM圖像分辨率的主要因素有：①掃描電子束斑直徑；②入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)；③操作方式及其所用的調(diào)制信號(hào)；④信號(hào)噪音比；⑤雜散磁場；⑥機(jī)械振動(dòng)將引起束斑漂流等，使分辨率下降。（3）景深SEM（二次電子像）的景深比光學(xué)顯微鏡的大，成像富有立體感。第29頁/共75頁掃描電子顯微鏡景深SEM第30頁/共75頁像襯原理與應(yīng)用像襯原理

像的襯度就是像的各部分(即各像元)強(qiáng)度(光密度)相對(duì)于其平均強(qiáng)度(光密度)的變化，襯度由樣品各部分對(duì)電子的不同散射特性決定。SEM可以通過樣品上方的電子檢測器檢測到具有不同能量的信號(hào)電子有背散射電子、二次電子、吸收電子、俄歇電子等。第31頁/共75頁1．二次電子像襯度及特點(diǎn)二次電子信號(hào)主要來自樣品表層5~10nm深度范圍，能量<50eV二次電子成像的襯度主要是樣品表面形貌的反映第32頁/共75頁二次電子像的襯度可以分為以下幾類：(1)形貌襯度(2)成分襯度(3)電壓襯度(4)磁襯度(第一類)第33頁/共75頁二次電子像襯度的特點(diǎn)：（1）分辨率高（2）景深大，立體感強(qiáng)（3）主要反應(yīng)形貌襯度。

第34頁/共75頁ZnO第35頁/共75頁水泥漿體斷口第36頁/共75頁2．背散射電子像襯度及特點(diǎn)能量>50eV的電子稱為背散射電子影響背散射電子產(chǎn)額的因素有：(1)原子序數(shù)Z(2)入射電子能量E0

(3)樣品傾斜角

背散射系數(shù)與原子序數(shù)的關(guān)系第37頁/共75頁背散射電子襯度有以下幾類：(1)成分襯度(2)形貌襯度(3)磁襯度(第二類)第38頁/共75頁背散射電子像的襯度特點(diǎn)：（1）分辯率低（2）背散射電子檢測效率低，襯度?。?）主要反映原子序數(shù)襯度第39頁/共75頁二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡背散射電子運(yùn)動(dòng)軌跡二次電子和背散射電子的運(yùn)動(dòng)軌跡第40頁/共75頁SEM在高聚物學(xué)科中的主要應(yīng)用1．觀察高聚物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)2．觀察結(jié)晶高聚物晶態(tài)結(jié)構(gòu)3．研究高聚物共混相容性4.觀察高分子納米材料的結(jié)構(gòu)5.表征高聚物材料的降解性6.研究高聚物材料的生物相容性7.測量多孔膜的孔徑及其分布第41頁/共75頁1.觀察高聚物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

第42頁/共75頁觀察高聚物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)第43頁/共75頁2.觀察結(jié)晶高聚物晶態(tài)結(jié)構(gòu)第44頁/共75頁3.研究高聚物共混相容性SEMmicrographsofthefracturedsurfacesofthebinaryblends:(a)untreatedHDPE/Ny66blend;(b)IBHDPE(30minirradiation)Ny66(20/80wt%)第45頁/共75頁4.觀察高分子納米材料的結(jié)構(gòu)第46頁/共75頁5.表征高聚物材料的降解性第47頁/共75頁6.研究高聚物材料的生物相容性第48頁/共75頁7.測量多孔膜的孔徑及其分布第49頁/共75頁思考題掃描電子顯微鏡由哪幾個(gè)主要構(gòu)成部件組成？掃描電子顯微鏡在高分子學(xué)科中有哪幾方面的應(yīng)用？第50頁/共75頁電子探針X射線顯微分析（EPMA）

EPMA的構(gòu)造與SEM大體相似，只是增加了接收記錄X射線的譜儀。EPMA使用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。第51頁/共75頁電子探針結(jié)構(gòu)示意圖第52頁/共75頁一、能譜儀

能譜儀全稱為能量分散譜儀(EnergyDispersiveX-raySpectrometer，EDS,EDX)．

功能：化學(xué)元素定性、定量和分布影像分析掃描電鏡配備X射線能譜儀EDS后發(fā)展成分析掃描電鏡，不僅比X射線波譜儀WDS分析速度快、靈敏度高、也可進(jìn)行定性和無標(biāo)樣定量分析。EDS發(fā)展十分迅速，已成為儀器的一個(gè)重要組成部分，甚至與其融為一體。EDS也存在不足之處，如能量分辨率低，一般為129—155eV,以及Li(Si)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。X射線波譜儀分辨率則高得多，通常為5—10eV，且可在室溫下工作。最近發(fā)展起來的高純鍺Ge探測器，不僅提高了分辨率，而且擴(kuò)大了探測的能量范圍(從25keV擴(kuò)展到100keV)，特別適用于透射電鏡。

第53頁/共75頁能譜儀的主要組成部分

Li(Si)檢測器預(yù)放大器主放大器多道分析器數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)第54頁/共75頁以Si(Li)檢測器為探頭的能譜儀實(shí)際上是一整套復(fù)雜的電子學(xué)裝置。Si(Li)X射線能譜儀的構(gòu)造第55頁/共75頁Si(Li)檢測器Si(Li)檢測器探頭結(jié)構(gòu)示意圖目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是Si(Li)檢測器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測器，它實(shí)際上是一個(gè)以Li為施主雜質(zhì)的n-i-p型二極管。第56頁/共75頁Si(Li)能譜儀的優(yōu)點(diǎn)：(1)分析速度快能譜儀可以同時(shí)接受和檢測所有不同能量的X射線光子信號(hào)，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na~92U，20世紀(jì)80年代推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測元素的范圍為4Be~92U。(2)靈敏度高

X射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10㎝左右)，無需經(jīng)過晶體衍射，信號(hào)強(qiáng)度幾乎沒有損失，所以靈敏度高(可達(dá)104cps/nA，入射電子束單位強(qiáng)度所產(chǎn)生的X射線計(jì)數(shù)率)。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。(3)譜線重復(fù)性好由于能譜儀沒有運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復(fù)性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。第57頁/共75頁Si(Li)能譜儀的缺點(diǎn)：(1)能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探頭直接對(duì)著樣品，所以由背散射電子或X射線所激發(fā)產(chǎn)生的熒光X射線信號(hào)也被同時(shí)檢測到，從而使得Si(Li)檢測器檢測到的特征譜線在強(qiáng)度提高的同時(shí)，背底也相應(yīng)提高，譜線的重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。故儀器分辨不同能量特征X射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。峰背比的定義：多道脈沖高度分析器的中間道的計(jì)數(shù)減去背底的計(jì)數(shù)，然后再除以背底的計(jì)數(shù)。背底是由峰值兩側(cè)的計(jì)數(shù)來估計(jì)的。(2)工作條件要求嚴(yán)格。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)，即使是在不工作時(shí)也不能中斷，否則晶體內(nèi)Li的濃度分布狀態(tài)就會(huì)因擴(kuò)散而變化，導(dǎo)致探頭功能下降甚至完全被破壞。第58頁/共75頁二、波譜儀波譜儀全稱為波長分散譜儀(WDS)。在電子探針中，X射線是由樣品表面以下m數(shù)量級(jí)的作用體積中激發(fā)出來的，如果這個(gè)體積中的樣品是由多種元素組成，則可激發(fā)出各個(gè)相應(yīng)元素的特征X射線。被激發(fā)的特征X射線照射到連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的分光晶體上實(shí)現(xiàn)分光(色散)，即不同波長的X射線將在各自滿足布拉格方程的2方向上被(與分光晶體以2:1的角速度同步轉(zhuǎn)動(dòng)的)檢測器接收。第59頁/共75頁波譜儀的特點(diǎn)波譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是波長分辨率很高。如：它可將波長十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線清晰地分開。但由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半徑就要足夠大，這時(shí)彎晶離X射線光源的距離就會(huì)變大，它對(duì)X射線光源所張的立體角就會(huì)很小，因此對(duì)X射線光源發(fā)射的X射線光量子的收集率也就會(huì)很低，致使X射線信號(hào)的利用率極低。此外，由于經(jīng)過晶體衍射后，強(qiáng)度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用，這是波譜儀的兩個(gè)缺點(diǎn)。第60頁/共75頁(a)能譜曲線；(b)波譜曲線能譜議和波譜儀的譜線比較第61頁/共75頁在SEM中用能譜儀作元素分析的優(yōu)點(diǎn)第62頁/共75頁能譜分析的基本工作方式

一、定點(diǎn)分析，即對(duì)樣品表面選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn)行定性或半定量分析，并對(duì)其所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量分析；二、線掃描分析，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進(jìn)行所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性或半定量分析；三、面掃描分析，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元素的X射線的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制陰極射線管熒光屏的亮度，獲得該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的掃描圖像。第63頁/共75頁下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析