扫描电镜

1、SEM简介2、SEM基本原理3、SEM配置4、样品制备扫描电子显微镜扫描电子显微镜简称扫描电镜(ScanningElectronMicroscope,SEM)，是能量为1-30kV间的电子束，以光栅状扫描方式照射到被分析样品的表面上，利用入射电子和样品表面物质相互作用所产生的二次电子和背散射电子成像，获得样品表面微观组织结构和形貌信息。大型：采用场发射电子枪或者LaB6电子枪，提高分辨率到25Å。与电子探针的功能相结合，加上波长色散谱仪和能量色散谱仪，进行元素分析，并加上电子通道花样(ECP)和选区电子通道花样(SECP)等技术，使其性能向综合的方向发展。超小型：由于扫描电镜制样简单，操作方便，图象更有立体感，层次细节更分明和丰富，清晰度高，各制造厂家纷纷制造各种桌上型的扫描电镜(也称简易型)。其特点是体积小，重量轻。一、扫描电子显微镜二、SEM基本原理电子枪发射的电子在电场作用下加速，经电磁透镜的聚焦作用，在样品表面聚焦成为极细的电子束，最小可达到1~10nm；电子束与样品间可以发生相互作用，激发样品产生出各种物理信号，如二次电子、背散射电子、俄歇电子、X射线等；这些特征信号，被按种类、成比例地转换为视频信号，经过视频放大和信号处理，从而在荧光屏上获得能反映样品表面特征的扫描图像。电子束与样品的相互作用：1)二次电子2)背散射电子3)特征X射线4)俄歇电子5)阴极荧光入射电子束背散射电子俄歇电子阴极荧光特征X射线样品电流热量透射电子弹性散射电子二次电子样品电子束：质量小，电量高；入射电子与样品原子的原子核和电子发生相互作用，并使样品产生各种电子信号；电子束和样品的相互作用二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。由于二次电子来自样品表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。二次电子：被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。ZSESEElectronbeamBSESEsample二次电子二次电子成像(Secondaryelectronimaging,SEI)二次电子主要体现形貌衬度，凸的区域比凹的区域要亮；二次电子接受栅网，位于样品侧上方。二次电子接受栅网背散射电子接受器二次电子常用装在样品室侧面的闪烁体—光电倍增管检测器检测。穿过收集栅网的二次电子被加速到闪烁体，具有加速电子的能量，足以使闪烁体发光，光强度与二次电子数量成正比。闪烁体发出的光量子通过光导管送到光电倍增管转换成电压信号。图象反差是由于不同物点之间二次电子产率及收集效率的差别造成的。荷电效应：对于不导电样品，电子束在表面连续扫描时，随着电子束不断的注入，表面很快积累大量负电荷，当表面负电场足够强时，会排斥入射电子，并偏转二次电子(主要作用)，图像发生畸变或不规则移动，这种现象称为荷电效应。减少荷电效应的方法：喷金、喷碳、低真空、冷场电镜、低加速电压等。损伤：1)真空损伤，生物样品从大气中放入真空中，产生真空损伤；2)电子束损伤，电子束的能量引起照射点的局部加热等，造成样品破裂或局部漂移。较少损伤常用方法：降低加速电压及较小的电子束流，加厚喷镀金属膜。影响图象反差的主要因素：二次电子的边缘效应：1)倾斜角大，入射电子作用距离长，产生二次电子多；2)作用区更靠近表面，二次电子更容易离开。δ：二次电子产率δ0：水平样品的二次电子产率θ：入射电子与法线的夹角δ=δ0/cosθ边缘效应：在凸起的边缘，由于扩大了电子作用区的裸露表面，而使二次电子产率有明显增大。在图像上这些区域特别亮，造成不自然的反差，可通过降低加速电压的方法来减轻边缘效应。45°倾斜下检测器检测相对能量较高的二次电子。SEI：SecondaryElectronImageLEI：LowerElectronImageSEI和LEI区别背散射电子：被固体样品原子反射回来的一部分入射电子。入射电子与样品原子碰撞而改变运动方向，经多次碰撞又由样品表面散射出来，其能量接近入射电子的能量。背散射电子的产生范围在100nm-1μm深度ZSESEElectronbeamBSESEsample背散射电子束成像分辨率一般为50-200nm。背散射电子背散射电子成像(Back-scatteredelectronsimaging,BSE)背散射电子产率二次电子产率电子产率随原子序数的变化曲线背散射电子信号对表面形貌的变化不那么敏感，分辨率不如二次电子像高，信号强度低。样品表面上平均原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背散射电子像上显示较亮的衬度。背散射电子产率随原子序数的增加而增加，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。BSENi/Al合金NiSEI俄歇电子：样品原子发射的X射线被另外一个电子吸收，并使它从原子中飞出而成为俄歇电子。发射深度是1nm。特征X射线：因入射电子与样品原子发生作用时，原子内层电子出现空位，因而原子处于不稳定状态，外层电子向内层跃迁的过程中释放的具有特征能量的X射线。发射深度0.5-5μm范围。特征X射线俄歇电子X射线X射线特征X射线和俄歇电子几个重要的概念工作距离(WorkingDistance)e-物镜样品工作距离景深(DepthofFocus)景深工作距离：从物镜到样品最高点的垂直距离。工作距离最小为3-5mm。在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，叫做景深。分辨率和放大倍数分辨率：能分辨出的两点间的最小距离；放大倍数就是显示的尺寸比实际的尺寸，即：M=Lob/Lreal工作距离、景深和分辨率的关系：在相同的加速电压下，工作距离越长，景深越大，分辨率越低；反之亦然。扫描电镜具有以下特点：景深长视野大：在相同放大倍数的情况下，扫描电镜的景深比光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍，所以扫描电镜图像有极强的立体感，可以观察样品的三维立体结构；样品制备简单：可以直接观察大块厚样品，不需切片等样品处理；分辨率高；样品信息丰富：不同检测器分别接受不同的信号，可以得到相应的图像，对样品的表面形貌、成分和结构进行观察和分析。三、扫描电镜配置电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。电子枪：利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。电磁透镜：把电子枪的束斑逐渐缩小成一个只有数纳米的细小束斑。扫描线圈：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。样品室：主要部件是样品台，能进行三维空间的移动，还能倾斜和转动。样品室中还要安置各种信号检测器。真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空泵用来在真空柱内产生真空。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。信号检测放大系统检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。在扫描电子显微镜中最普遍使用的是电子检测器，由闪烁体、光导管和光电倍增管组成；a)闪烁体：收集电子信号；b)光导管：成比例地转换成光信号；c)光电倍增管：经放大后再转换成电信号输出，作为扫描像的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：电子检测器，应急荧光检测器和X射线检测器。四、SEM样品要求:1.样品必须是无毒、无放射性的物质，以保证工作人员的人身安全。2.样品可以是块状、片状、纤维状；也可以是颗粒或粉末状，无论是什么样的样品都不能是有机挥发物和含有水分。其化学、物理性质要稳定，在高真空中的电子束照射下，都要能保持成分稳定和形态不变。3.对磁性样品要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。4.粉末样品要适量，不易过多；块状样品大小要适合仪器专用样品底座的尺寸，不能过大。样品的高度一般限制在5-10mm左右。如果将含有水分的样品放在镜筒内能产生三种严重不良后果：a)当真空达不到要求强行通高压时，其产生的水蒸汽遭遇高能电子流产生电离而放电引起束流大幅度波动，使所成的像模糊，或根本不能成像；b)污染镜筒；c)损坏灯丝，当高能电压通过灯丝时，温度高达2000℃，碰到水蒸汽而氧化变质或熔断，因此，应先烘干样品中的水分。对于绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约10-20nm的导电层。否则，在电子束照射到该样品上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入和样品内电子射出样品表面。导电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、碳和铝等真空蒸镀层。