第八章扫描电子显微镜与电子探针显微分析

第三章扫描电子显微镜与电子探针显微分析序——扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，简称SEM）是继透射电镜（TEM）之后发展起来的一种电子显微镜。扫描电子显微镜的成像原理与光学显微镜或透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。序——在最近20多年的时间内，扫描电子显微镜发展迅速，又综合了X射线分光谱仪、电子探针以及其它许多技术而发展成为分析型的扫描电子显微镜。仪器结构不断改进，分析精度不断提高，应用功能不断扩大，越来越成为众多研究领域不可缺少的工具，目前已广泛应用于冶金矿产、生物医学、材料科学、物理和化学等领域。JEM－2010FSEM图SEM结构方框图仪器型号:JEM－2010F仪器厂家:日本电子株式会社（JEOL）起用日期:2004年1月仪器简介：最大放大：150万倍(1,500,000×)点分辨率：0.19nm加速电压：80KV、100KV、120KV、200KV晶格分辨率：0.102nm最小束斑尺寸：0.5nm样品台：普通单、双倾台，铍单、双倾台最大倾转角：X＝±35°，Y＝±30°X射线能谱仪(EDS)元素分析范围：B5～U92X射线能谱仪能量分辨率:138eV能量过滤系统:(GIF)(美国Gatan公司)采集电子能量损失谱(EELS)和能量过滤的电子显微图象等。功能范围:JEM-2010F是涵盖能量过滤，场发射分析的TEM/STEM仪器，并带有HAADFSTEM，它利用微区电子衍射、会聚束电子衍射及元素分析可对小至0.5纳米的物质进行结构和成分分析，元素分析范围为硼(B5)～铀(U92)。特别适用于普通电镜难以分辨的微细析出相、界面、畴等极细小区内成份、结构及高分辨结构象研究；利用所配置的GIF系统可采集样品的电子能量损失谱，进行相应的分析；普通电镜的功能：晶体取向标定以及晶体结构、晶体缺陷、结构像的观察等。优势——1.仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)；2.仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调；3.图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；4.试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放到SEM中进行观察。一般来说，比透射电子显微镜（TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真实状态；5.可做综合分析。6.SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称波谱仪）或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称能谱仪）后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析。7.装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。8.装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程（动态观察）。第一节电子束与固体样品作用后产生的物理信号一、背散射电子（backscatteringelectron）1.背散射电子是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。2.其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。3.弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于90°的那些入射电子，其能量基本上没有变化。4.弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。5.非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。6.如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。7.非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。8.从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。9.背散射电子的产生范围在1000Å到1μm深。由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。二、二次电子（secondaryelectron）1.二次电子是指被入射电子轰击出来的样品的核外电子。2.由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离。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，可离开原子而变成自由电子。3.如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那些能量尚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。4.一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子，而在样品表面上方检测到的二次电子绝大部分来自价电子。5.二次电子来自表面50-500Å的区域，能量为0-50eV。6.它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。7.由于它发自试样表面层，入射电子还没有较多次散射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没多大区别。所以二次电子的分辨率较高，一般可达到50-100Å。8.扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。二次电于产额随原于序数的变化不明显，它主要决定于表面形貌。三、吸收电子（absorptionelectron）1.入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后被样品吸收。2.若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。3.入射电子束与样品发生作用，若逸出表面的背散射电子或二次电子数量任一项增加，将会引起吸收电子相应减少。若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子像的反差是互补的。4.入射电子束射入一含有多元素的样品时，由于二次电子产额不受原子序数影响，则产生背散射电子较多的部位其吸收电子的数量就较少。5.因此，吸收电流像可以反映原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。四、透射电子（transmissionelectron）1.如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。2.一般金属薄膜样品的厚度在2000-5000Å左右，在入射电子穿透样品的过程中将与原子核或核外电子发生有限次数的弹性或非弹性散射。3.因此，样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。4.其中有些待征能量损失ΔE的非弹性散射电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。五、特征X射线（characteristicX-ray）1.特征X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。原理：入射电子与核外电子作用，产生非弹性散射，外层电子脱离原子变成二次电子，使原于处于能量较高的激发状态，它是一种不稳定态。较外层的电子会迅速填补内层电子空位，使原子降低能量，趋于较稳定的状态。具体说来，如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原于就处于K激发态，具有能量EK。当一个L2层电子填补K层空位后，原于体系由K激发态变成L2激发态，能量从EK降为EL2，这时就有ΔE＝(EK-EL2)的能量释放出来。2.若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的Kα辐射，此时X射线的波长为：(3-1)式中，h为普朗克常数，c为光速。对于每一元素，EK、EL2都有确定的特征值，所以发射的X射线波长也有特征值，这种X射线称为特征X射线。3.X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：(3-2)式中，Z为原子序数，K、σ为常数。可以看出，原子序数和特征能量之间是有对应关系的，利用这一对应关系可以进行成分分析。如果用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。KKL2hcEEαλ=−()2KZλ=−σ六、俄歇电子（Augerelectron）1.如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量ΔE不以X射线的形式释放，而是把该能量传给核外稍微高能级的另一电子，并脱离原子成为俄歇电子。原理：因每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，一般在50-1500eV范围之内。俄歇电子是由试样表面有限的几个原于层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。其它物理信号除了上述六种信号外，固体样品中还会产生例如阴极荧光、电子束感生效应和电动势等信号。这些信号经过调制后也可以用于专门的分析。小结X射线与物质相互作用1.散射(相干,非相干)2.光电效应(俄歇,二次荧光,光电子)3.透射4.热电子束与物质相互作用1.背散射;2.二次电子3.透射电子;4.吸收电子5.俄歇;6.特征X射线7.阴极荧光……第二节扫描电子显微镜的结构和工作原理•扫描电子显微镜由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统及电源系统组成。其实物照片以及结构框图如图8-2所示。1．电子光学系统1.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。2.其作用是用来获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。3.为获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。(1)电子枪（electrongun）•其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。•扫描电子显微镜电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子显微镜的低。FEGFILAMENTLaB6filamentWfilament(2)电磁透镜（electromagneticlens）•其作用是把电子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来直径约50μm的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。•扫描电子显微镜一般由三个聚光镜，前两个聚光镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。•第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，该透镜下方放置祥品，为避免磁场对二次电子轨迹的干扰，该透镜采用上下极靴不同且孔径不对称的特殊结构，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，从而减小了试样表面的磁场强度。(2)电磁透镜(3)扫描线圈（scanningsectioncoil）•其作用是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。•扫描线圈是扫描电子显微镜的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内，使电子束进入末级透镜强磁场区前就发生偏转，为保证方向一致的电子束都能通过末级透镜的中心射到样品表面；扫描电子显微镜采用双偏转扫描线圈。•当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。在电子束偏转的同时还进行逐行扫描，电子束在上下偏转线圈的作用下，扫描出一个长方形，相应地在样品上画出一帧比例图像。•如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。(4)样品室（samplechamber）•扫描电子显微镜的样品室空间较大，一般可放置∅20×10mm的块状样品。•为适应断口实物等大零件的需要，近年来还开发了可放置尺寸在∅125mm以上的大样品台。观察时，样品台可根据需要沿X、Y及Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平轴倾斜。•样品室内除放置样品外，还安置备种信号检测器。•信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系，如果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从而影响分析精度，新型扫描电子显微镜的样品室内还配有多种附件，可使样品在样品台上能进行加热、冷却、拉伸等试验，以便研究材料的动态组织及性能。(4)样品室2．信号收集和显示系统•信号收集和显示系统包括各种信号检测器，前置放大器和显示装置，其作用是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，最后在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描图像。•检测二次电子、背散射电子和透射电子信号时可以用闪烁计数器来进行检测