現(xiàn)代材料檢測 章

現(xiàn)代材料檢測章第一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三HistoryofSEM1935：德國的Knoll卡諾爾提出掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想和工作原理。1942：劍橋大學(xué)的馬倫首次制成世界第一臺(tái)掃描電鏡。第二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三FeaturesofSEM廣泛的放大倍率第三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三1.掃描電子顯微鏡的構(gòu)造第四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2．掃描電子顯微鏡的工作原理第五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2．掃描電子顯微鏡的工作原理

掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像。試樣為塊狀或粉末顆粒由電子槍發(fā)射的能量為5～35keV的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級(jí)聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生隨試樣表面形貌而變化物理信號(hào)（二次電子、背散射電子或吸收電子等，二次電子是最主要的成像信號(hào)），這些電子信號(hào)被探測器收集轉(zhuǎn)換成電訊號(hào)，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的特征電子圖像。

第六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng)獲得掃描電子束，作為信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑電子槍1.熱發(fā)射電子槍：W絲陰極：20-50um；LaB6陰極：20um2.場發(fā)射電子槍：冷場致發(fā)射和熱場致發(fā)射：10-20nm聚光鏡（第一、第二聚光鏡和物鏡）物鏡光闌掃描系統(tǒng)掃描信號(hào)發(fā)生器掃描放大控制器掃描偏轉(zhuǎn)線圈第七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三信號(hào)探測放大系統(tǒng)檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等電子信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)，由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。圖象顯示和記錄系統(tǒng)：顯象管、照相機(jī)等真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般為0.01Pa－0.001Pa，通常用機(jī)械泵－油擴(kuò)散泵抽真空。電源系統(tǒng)第八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.掃描電鏡的工作內(nèi)容

二次電子像：微觀形貌像---得到物質(zhì)表面形貌反差的信息。背散射電子像：組成分布像----可得到不同區(qū)域內(nèi)平均原子序數(shù)差別的信息。微區(qū)形貌觀測第九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三二次電子產(chǎn)額δ與二次電子束與試樣表面法向夾角有關(guān)，δ∝1/cosθ。θ角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明二次電子對樣品表面狀態(tài)非常敏感因?yàn)殡S著θ角增大，入射電子束作用體積更靠近表面層，作用體積內(nèi)產(chǎn)生的大量自由電子離開表層的機(jī)會(huì)增多；其次隨θ角的增加，總軌跡增長，引起價(jià)電子電離的機(jī)會(huì)增多。3.1二次電子像第十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.1、二次電子像

二次電子是被入射電子轟出的試樣原子的核外電子，其主要特點(diǎn)是：

（l）能量小于50eV，主要反映試樣表面10nm層內(nèi)的狀態(tài)，成像分辨率高。

（2）二次電子發(fā)射系數(shù)與入射束的能量有關(guān)。隨著入射束能量增加，二次電子發(fā)射系數(shù)減小

二次電子發(fā)射系數(shù)能量元素10keV30keV50keV鋁0.400.100.05金0.700.200.10（3）二次電子發(fā)射系數(shù)和試樣表面傾角有如下關(guān)系：δ∝1/cosθ第十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三（a）陶瓷燒結(jié)體的表面圖像（b）多孔硅的剖面圖二次電子像第十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.2背散射電子像背散射電子既可以用來顯示形貌襯度，也可以用來顯示成分襯度。1.形貌襯度

用背反射信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率遠(yuǎn)比二次電子低。因?yàn)楸撤瓷潆娮訒r(shí)來自一個(gè)較大的作用體積。此外，背反射電子能量較高，它們以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背反射電子，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié)。2.成分襯度

背散射電子發(fā)射系數(shù)可表示為樣品中重元素區(qū)域在圖像上是亮區(qū)，而輕元素在圖像上是暗區(qū)。利用原子序數(shù)造成的襯度變化可以對各種合金進(jìn)行定性分析。背反射電子信號(hào)強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。第十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2、背散射電子像

背散射電子是由樣品反射出來的入射電子，其主要特點(diǎn)是：能量很高，有相當(dāng)部分接近入射電子能量E0，在試樣中產(chǎn)生的范圍大，像的分辨率低。背散射電子發(fā)射系數(shù)η隨原子序數(shù)增大而增大（圖2-75）。作用體積隨入射束能量增加而增大，但發(fā)射系數(shù)變化不大（圖2-75）。第十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三兩種圖像的對比錫鉛鍍層的表面圖像（a）二次電子圖像（b）背散射電子圖像第十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三掃描電鏡圖象及其襯度背散射電子像分辨率低，因此一般不用它來觀察表面形貌，而主要用來初步判斷試樣表面不同原子序數(shù)成分的分布狀況。對有些既要進(jìn)行形貌觀察又要進(jìn)行成分分析的樣品，將左右兩個(gè)檢測器各自得到的電信號(hào)進(jìn)行電路上的信號(hào)相加，便能得到反映樣品原子序數(shù)的信息；相減能得到形貌信息。第十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三掃描電鏡圖象及其襯度第十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。由于ZrO2相平均原子序數(shù)遠(yuǎn)高于Al2O3相和SiO2

相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來石混合區(qū)為莫來石－斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來石。第十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.掃描電鏡的主要特征(1)放大倍數(shù)

熒光屏上的掃描振幅

電子束在樣品上的掃描振幅

放大倍數(shù)與掃描面積的關(guān)系：(若熒光屏畫面面積為10×10cm2)放大倍數(shù)掃描面積10×(1cm)2100×(1mm)21,000×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)2第十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三(2)分辨率分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率d可以用貝克公式表示：d=0.61/nsin

。

影響分辨率的主要因素：△初級(jí)束斑：分辨率不可能小于初級(jí)束斑△入射電子在樣品中的散射效應(yīng)△對比度SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種DeBroglie波，具有波粒二相性，＝12.26/V0.5(伏)，如果V＝20kV時(shí)，則＝0.0085nm。目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm,場發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm。高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與電子束直徑近似相等。光學(xué)顯微鏡分辨率d0.5，可見光波長范圍為：＝400nm-700nm，所以d200nm第二十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三(3)景深大

景深是指一個(gè)透鏡對高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)能力范圍。景深大的圖像立體感強(qiáng)，對粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的景深Δf可以用如下公式表示：Δf=

式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為放大倍率，d為電子束直徑。可以看出，長工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像。一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡（OM）大100倍。第二十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三(4)保真度好

樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對斷口的失效分析特別重要。第二十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三(5)樣品制備簡單

樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對不導(dǎo)電的樣品如塑料、礦物只需蒸鍍一層20nm的導(dǎo)電膜。通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導(dǎo)電層.

另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。有的SEM加入附件后，能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過程的觀察。第二十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三1.鍍膜

鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，

另一種是離子濺射鍍膜。第二十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三離子濺射鍍膜的原理是：在低氣壓系統(tǒng)中，氣體分子在相隔一定距離的陽極和陰極之間的強(qiáng)電場作用下電離成正離子和電子，正離子飛向陰極，電子飛向陽極，二電極間形成輝光放電，在輝光放電過程中，具有一定動(dòng)量的正離子撞擊陰極，使陰極表面的原子被逐出，稱為濺射，如果陰極表面為用來鍍膜的材料（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽極的樣品臺(tái)上，則被正離子轟擊而濺射出來的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度的鍍膜層。第二十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三離子濺射鍍膜優(yōu)點(diǎn)是：（1）裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，濺射一次只需幾分鐘，而真空鍍膜則要半個(gè)小時(shí)以上。（2）消耗貴金屬少，每次僅約幾毫克。（3）對同一種鍍膜材料，離子濺射鍍膜質(zhì)量較好，能形成顆粒更細(xì)、更致密、更均勻、附著力更強(qiáng)的膜。第二十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.粉體樣品粉體可以直接撒在樣品座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用平的表面物體，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)磨及拋光方法制備第二十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三3.塊狀樣品對尺寸小的塊狀樣品可以用環(huán)氧樹脂等鑲嵌后，進(jìn)行研磨和拋光。較大的塊狀樣品也可以直接研磨和拋光，拋光以后必須把拋光粉等污染物用超聲波清洗機(jī)清洗干凈對不導(dǎo)電的樣品，最好在樣品加工完畢后，立即蒸鍍金或者碳等導(dǎo)電膜，鍍膜后應(yīng)馬上分析，避免表面污染和導(dǎo)電膜脫落。一般形貌觀察時(shí)，蒸鍍金導(dǎo)電膜，金導(dǎo)電膜導(dǎo)電性好，二次電子發(fā)射率高，可以拍攝出質(zhì)量好的圖象第二十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三4.掃描電鏡應(yīng)用實(shí)例斷口形貌分析納米材料形貌分析在微電子工業(yè)方面的應(yīng)用

第二十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

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。4.1斷口形貌分析第三十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三ZnO納米線的二次電子圖像多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌（a）低倍像（b）高倍像4.2納米材料形貌分析第三十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三粉體形貌觀察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×第三十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三（a）芯片導(dǎo)線的表面形貌圖，（b）CCD相機(jī)的光電二極管剖面圖。4.3在微電子工業(yè)方面的應(yīng)用第三十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三SEM與TEM的主要區(qū)別★在原理上

SEM不是用透射電子成像，而是用二次電子加背景散射電子成像。★在儀器構(gòu)造上光源、真空系統(tǒng)相似，檢測系統(tǒng)完全不同。第三十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第三十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三本節(jié)重點(diǎn)掃描電鏡的工作原理掃描電鏡襯度像（二次電子像、背散射電子像）第三十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三SEM+(WDS+EDS)第三十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三2.X射線譜儀

X射線譜儀的的作用是測量電子與試樣相互作用產(chǎn)生的X射線波長和強(qiáng)度。X射線譜儀分為二類:波長色散譜儀(WDS)能量色散譜儀(EDS)分析處理顯示并轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)X-射線探測器探測X射線信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)脈沖處理器測量電子信號(hào)并確定所接收到X射線的能量第三十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第三十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三眾所周知，X射線是一種電磁輻射，具有波粒二象性，因此可以用二種方式對它進(jìn)行描述。如果把它視為連續(xù)的電磁波，那么特征X射線就能看成具有固定波長的電磁波，不同元素就對應(yīng)不同的特征X射線波長。

從試樣激發(fā)的X射線,選用已知晶面間距d的合適晶體分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角2θ，就可以求出其波長λ，根據(jù)以上原理制成的譜儀稱為波長色散譜儀(WDS)。波長和原子序數(shù)之間的關(guān)系符合莫塞萊定律：（a）波長色散譜儀利用單晶對X射線的衍射來測量波長K和σ是常數(shù)第四十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三X射線分光原理以R為半徑的圓稱為羅蘭圓Rowlend圓，也稱聚焦圓(對X射線聚焦)。電子束入射到樣品S表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)樣品成分的特征X射線，特征X射線經(jīng)晶體分光聚焦后，被X射線計(jì)數(shù)管接收。用X射線波長色散譜儀(WDS)測量電子激發(fā)樣品所產(chǎn)生的特征X射線波長的種類，即可確定樣品中所存在元素的種類，這就是定性分析的基本原理不同X射線入射到晶體上，就會(huì)產(chǎn)生衍射根據(jù)Bragg公式：第四十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三聚焦圓的中心O固定，分光晶體和檢測器在圓周上以1：2的角速度運(yùn)動(dòng)來滿足布拉格衍射條件。這種譜儀結(jié)構(gòu)簡單，但由于分光晶體轉(zhuǎn)動(dòng)而使X射線出射方向變化很大，在樣品表面不平度較大的情況下，由于X射線在樣品內(nèi)行進(jìn)的路線不同，往往會(huì)造成分析上的誤差。波譜儀模式△回轉(zhuǎn)式模式

回轉(zhuǎn)式波譜儀第四十二頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三△直進(jìn)式模式波譜儀模式如果樣品照射點(diǎn)到晶體的距離為L，則L=2Rsinθ,再由Bragg公式2dsinθ=nλ則得d(分光晶體面間距)和R(羅蘭圓半徑)晶體沿L直線運(yùn)動(dòng)時(shí)(L改變)就可以測出不同元素所產(chǎn)生的特征X射線波長λ第四十三頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三不同波長的X射線要用不同晶面間距的晶體進(jìn)行分光，電子探針通常使用的四種晶體面間距及波長檢測范圍見表分光晶體及波長范圍

表中STE[Pb(C18H35O2)2]為硬脂酸鉛，TAP(C8H5O4TI)為鄰苯二甲酸氫鉈，PET(C5H12O4)為異戊四醇，LiF為氟化鋰晶體。第四十四頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第四十五頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三第四十六頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三（b）能量色散譜儀EDS-

Energy

DispersiveSpectrometry

如果把X射線看成由一些不連續(xù)的光子組成，光子的能量為E＝ｈν，ｈ為普朗克常數(shù)，ν為光子振動(dòng)頻率。不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，即具有不同能量，當(dāng)不同能量的X射線光子進(jìn)入鋰漂移硅[Si(Li)]探測器后，在Si(Li)晶體內(nèi)將產(chǎn)生電子－空穴對，在低溫（如液氮冷卻探測器）條件下，產(chǎn)生一個(gè)電子－空穴對平均消耗能量ε為3.8eV。能量為E的X射線光子進(jìn)入Si(Li)晶體激發(fā)的電子－空穴對N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激發(fā)出的電子－空穴對數(shù)目也不同，例如，MnKα能量為5.895keV,形成的電子－空穴對為1550個(gè)。能譜儀第四十七頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子－空穴對的數(shù)目N決定，由于電壓脈沖信號(hào)非常小，為了降低噪音，探測器用液氮冷卻，然后用前置放大器對信號(hào)放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入多道脈沖高度分析器，把不同能量的X射線光子分開來，并在輸出設(shè)備（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)—脈沖高度曲線，縱坐標(biāo)是脈沖數(shù)，即入射X射線光子數(shù)，與所分析元素含量有關(guān)，橫坐標(biāo)為脈沖高度，與元素種類有關(guān)，這樣就可以測出X射線光子的能量和強(qiáng)度，從而得出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散譜儀(EDS)，簡稱能譜儀。EDS-

Energy

DispersiveSpectrometry第四十八頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三△單通道分析器：電子束掃描，顯示某種成分象△多通道分析器：顯示微區(qū)X射線能譜某種元素面分布某微區(qū)元素分布第四十九頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三最終得到以能量為橫坐標(biāo)、強(qiáng)度為縱坐標(biāo)的X射線能量色散譜，并顯示于顯像管熒光屏上。圖為NaCl的掃描形貌像及其能量色散譜。第五十頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三能譜分析和波譜分析特點(diǎn)

能譜儀70年代問世以來，發(fā)展速度很快，現(xiàn)在分辨率已達(dá)到130eV左右，以前Be窗口能譜儀分析元素范圍從11Na－92U，現(xiàn)在用新型有機(jī)膜超薄窗口，分析元素可從4Be－92U。元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等原子序數(shù)的元素定量分析準(zhǔn)確度已接近波譜。能譜使用時(shí)加液氮，不使用時(shí)不加液氮。能譜儀不用晶體展譜氫和氦原子只有K層電子，不能產(chǎn)生特征X射線，所以無法進(jìn)行電子探針成分分析。鋰(Li)雖然能產(chǎn)生X射線，但產(chǎn)生的特征X射線波長太長，通常無法進(jìn)行檢測第五十一頁，共五十八頁，編輯于2023年，星期三

能譜有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，元素分析時(shí)能譜是同時(shí)測量所有元素，而波譜要一個(gè)一個(gè)元素測量，所以分析速度遠(yuǎn)比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使X射線收集效率提高，這有利于試樣表面光潔度不好及粉體