材料分析方法课件B

第十二章扫描电子显微镜 12 1电子束与固体样品作用时产生的信号 12 2扫描电子显微镜的构造和工作原理 12 3扫描电子显微镜的主要性能 12 4表面形貌衬度原理及其应用 12 5原子序数衬度原理及其应用 透射电镜的成像 电子束穿过样品后获得样品衬度的信号 电子束强度 利用电磁透镜 三级 放大成像 引言 扫描电镜成像原理 利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的 扫描电镜 SEM 的用途 断口形貌分析 金相表面形貌观察 成分分析 和电子探针结合 材料变形与断裂动态过程原位观察 分辨率 最高能达1nm 二次电子像 放大倍数 20 80万倍左右 12 1电子束与固体样品作用时产生的信号 高能电子束与样品作用产生各种信息 二次电子 背散射电子 吸收电子 特征X射线 俄歇电子 透射电子等 一 背散射电子 产生 背散射电子是被固体样品中原子反弹回来的一部分入射电子 包括 弹性背散射电子 被样品中原子核反弹回来的入射电子 能量基本没有损失 能量很高 非弹性背散射电子 被样品中核外电子撞击后产生非弹性散射的入射电子 方向和能量均发生改变 经多次散射后仍能反弹出样品表面的入射电子 特点 背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围 其产额能随样品原子序数的增大而增多 作用 不仅能做形貌分析 还可定性作成分分析 二 二次电子 产生 入射电子束轰击出来并离开样品表面的样品中的核外电子 2 特点 能量较低 50eV 一般在表层5 10nm深度范围内发射出来 对样品表面形貌非常敏感 3 作用 样品表面形貌分析 三 吸收电子 1 产生 入射电子多次非弹性散射后能量消失 最后被样品吸收 入射电子被样品吸收后也会产生电流强度 入射电子的电流强度 无透射电子时 逸出表面的背散射电子的电流强度 二次电子电流强度 吸收电子的电流强度 特点 样品中原子序数较大的元素产生的背散射电子的数目较多 相反 吸收电子的数量就较少 反之亦然 因此 吸收电子也可反映原子序数衬度 可进行定性微区成分分析 3 作用 定性微区成分分析 四 透射电子 产生 如果被分析的样品很薄 则有一部分入射电子穿过薄样品而成为透射电子 此时 入射电子强度 i 背散射电子i 二次电子强度i 吸收电子i 透射电子i 特点 只有样品的厚度小于入射电子的有效穿入深度时 才会产生 随样品厚度增加 质量厚度 t 透射电子数目减小 吸收电子数量增加 当样品厚度超过有效穿透深度后 无透射电子 3 作用 配合电子能量分析器来进行微区成分分析 五 特征X射线 产生 当入射电子的能量足够大 使样品原子的内层电子被激发或电离 此时外层电子向内层跃迁以填补内层电子的空位 从而辐射出具有原子序数特征的特征X射线 2 特点 反映了样品中原子序数特征 3 应用 微区成分分析 元素 六 俄歇电子 产生 入射电子激发样品的特征X射线过程中 外层电子向内层跃迁时辐射出来的能量不是以X射线的形式发射出去 而被外层的另一个电子吸收而摆脱原子核的束缚而逃离出来 这个被电离的电子称为俄歇电子 特征 俄歇电子能量很低 并且具有反映原子序数的特征能量 只有距离表面1nm左右范围内逸出的俄歇电子才具备特征能量 原因 3 作用 表面层成分分析 除此之外 在固体中电子能量损失的40 80 最终转化为热量 还有一些其他信号产生 扫描电镜 SEM 构成 电子光学系统信号收集处理 图像显示和记录系统真空系统 12 2扫描电子显微镜构造和工作原理 一 电子光学系统 镜筒 1 电子枪功能 发射电子并加速 加速电压低于TEM 2 电磁透镜功能 只作为聚光镜 而不能放大成像 将电子枪的束斑逐级聚焦缩小 使原来直径为50 m的束斑缩小成只有数个纳米的细小斑点 构成 由三级聚光镜构成 缩小电子束光斑 照射到样品上的电子束直径决定了其分辨率 3 扫描线圈 作用 使电子束偏转 并在样品表面作有规则的扫动 电子束在样品表面上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步 样品形貌像的形成 当电子束在样品表面扫描出方形区域 相应地在显像管荧光屏上画出一帧比例图像 样品上各点受电子束轰击时发出的信号可由信号探测器接受 并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来 扫描方式 光栅扫描方式 电子束进入上偏转线圈 方向发生转折 随后由下偏转线圈使电子束方向发生第二次转折 发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面 电子束发生偏转的过程中还带有逐步扫描动作 角光栅扫描 摇摆扫描 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 入射束被上偏转线圈转折的角度越大 则电子束在入射点上摆动的角度也越大 在进行电子通道花样分析时 将采用这种操作方式 4 样品室 作用 放置样品 安置信号探测器 特点 能容纳较大的试样 并在三维空间进行移动 倾斜和旋转 带有多种附件 可使样品在样品台上加热 冷却和进行机械性能试验 以便进行断裂过程中的动态原位观察 二 信号的收集和图像显示系统 信号电子 进入闪烁体后转变为可见光信号 被放大后转化为电流信号 经视频放大器放大后就成为调制信号 样品形貌像的形成 由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的 而荧光屏上的每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的 因此样品上各点的状态各不相同 所以接受的信号也不相同 故可在荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图像 三 真空系统 镜筒内要保持一定的真空度 目的是防止样品污染 极间放电等问题 12 3扫描电子显微镜的主要性能 分辨率电子束和固体物质作用时激发的信号有二次电子 背散射电子 吸收电子 特征X射线 俄歇电子 这些信号均可调制成形貌像 各种信号成像时分辨率各不相同 各种信号的成像分辨率 单位为nm 1为什么各种信号分辨率不同 对轻元素 因为各种信号成像的分辨率与入射电子束激发该信号时 在样品中的作用 活动 体积有关 作用体积大小相当于一个成像检测单元 即像点 电子束进入轻元素样品后会造成一个滴状作用体积 由于俄歇电子和二次电子是在样品浅表层内逸出 故作用体积小 分辨率高 背散射电子能量较高 可从较深的部位弹射出表面 故作用体积较大 分辨率降低 特征X射线是在更深的部位激发出来的 其作用体积更大 所以分辨率比背散射电子更低 对于重元素样品 电子束射入后 作用体积为半球状 电子束进入表面后立即横向扩展 因此 即使电子束的束斑很小 也不能达到很高的分辨率 且背散射和二次电子之间的分辨率的区别明显减小 2重元素样品分辨率特点 3影响分辨率的因素 电子束束斑大小 检测信号的类型 检测部位的原子序数 4SEM分辨率的测定 和TEM类似 将图像上恰好能分辨开的两物点距离除以放大倍数 例如用真空蒸镀金膜样品表面金颗粒的像间距除以放大倍数 即为此放大倍数下的分辨率 二 放大倍数 可达80万倍 1SEM的放大倍数为 显像管中电子束在荧光屏上最大扫描距离和在镜筒中电子束在试样上最大扫描距离的比值 l 荧光屏宽度L 电子束在样品扫过的长度2如何改变放大倍数 由于观察图像的荧光屏宽度是固定的 只要减小电子束在样品上扫描长度 扫描面积为矩形 即可得到高放大倍数 三 样品制备 1对导电材料 除了几何尺寸和重量外几乎没有任何要求 不同型号的扫描电镜对样品尺寸和重量有不同的要求 2导电性较差或绝缘的样品 必须通过喷镀金 银等重金属或碳真空蒸镀等手段进行导电性处理 3所有样品均需无油污 无腐蚀 以免对镜筒和探测器污染 12 4表面形貌衬度原理及其应用 如何获得扫描电镜的像衬度 主要利用样品表面微区特征 如形貌 原子序数或化学成分等 的差异 在电子束的作用下产生的物理信号强度不同 导致显像管荧光屏上不同区域的亮度差异 从而获得一定衬度的图像 一 二次电子成像原理 二次电子能量较低 只能从样品表面层5 10nm深度范围内激发出来 其数量和原子序数没有明显的关系 但对微区表面的形状十分敏感 样品上凸出的尖棱 小粒子以及比较陡的斜面处二次电子的产额较多 在荧光屏上亮度较大 平面上二次电子产额较小 亮度较低 在深的凹槽底部虽然也能产生较多的二次电子 但这些二次电子不易被检测器收集到 因此槽底较暗 二 二次电子形貌衬度的应用 可用于断口分析 金相分析及烧结样品的自然表面分析 断裂过程的动态原位分析 断口分析 由于SEM景深较大 特别适合粗糙样品表面观察分析通过断口分析可以揭示断裂机理 判断裂纹性质及原因 裂纹源及走向 从而对分析断裂原因具有决定性作用 金属材料的断口分类 按断裂性质分脆性断口 断前无明显塑变 沿晶断口 解理断口 冰糖状 韧性断口 断前有明显塑变 韧窝断口 疲劳断口 周期重复载荷引起 有疲劳条纹 环境因素断口 应力腐蚀 氢脆 液态金属脆化等 沿晶断口或穿晶断口 按断裂途径分 沿晶断口 穿晶断口 混合断口 沿晶断口 断口呈冰糖状 块状 断口上无塑性变形迹象 30CrMnSi钢沿晶断二次电子像 韧窝断口 断口为韧窝 有的韧窝中心有第二相颗粒 有明显塑变 不锈钢韧窝断口的二次电子像 解理断口 断口呈河流状 台阶状 典型脆性断裂 低碳钢冷脆解理断口的二次电子像 碳纤维增强陶瓷复合材料断口的二次电子像 纤维增强复合材料断口 断口上有许多纤维拔出 样品表面形貌观察 烧结体烧结自然表面观察晶粒细小的正方相 t ZrO2晶粒尺寸较大的单相立方相 c ZrO2双向混合组织 正方相晶粒细小 立方相晶粒大 Al2O3 15 ZrO2复合陶瓷烧结表面Al2O3晶粒 有棱角大晶粒 ZrO2颗粒 白色球状小颗粒 金相表面观察a 片状珠光体b 回火组织 碳化物 材料变形与断裂动态过程的原位观察 双相钢F M双相钢拉伸过程的动态原位观察 a 图 F首先产生裂纹 M强度高 裂纹扩展至M受阻 加大载荷 M前方F产生裂纹 b 图 载荷进一步加大 M才断裂 裂纹连接继续扩展 2 复合材料Al3Ti Al Ti 复合材料断裂过程原位观察 Al3Ti为增强相 裂纹受Al3Ti颗粒时受阻而转向 沿着颗粒与基体的界面扩展 有时颗粒也断裂 12 5原子序数衬度原理及其应用 背散射电子衬度原理及其应用 背散射电子形貌衬度特点 与二次电子形貌像的区别 分辨率远比二次电子低 背散射电子的能量较高 它们以直线轨迹逸出样品表面 对于背向检测器的样品表面 因检测器无法收集到背散射电子而变成了一片阴影 图像衬度太大会失去细节的层次 不利于分析 而二次电子能量低 可利用检测器收集栅上加一定正电压来吸引能量较低的二次电子 使它们以弧形路线进入闪烁体 使背向检测器的部位逸出的电子也能对成像有贡献 使图像层次增加 细节清楚 2 背散射电子原子序数衬度原理 原子序数衬度 是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的 表示微区化学成分差别的像衬度 对微区原子序数或化学成分的变化敏感信号 背散射电子 吸收电子 特征X射线 俄歇电子等 背散射电子原子序数衬度原理 Z 40时 背散射电子的产额随样品原子序数的增大而增加 因而 样品上原子序数较高的区域 产生较强的信号 荧光屏上图像较亮 这样可以根据背散射电子像亮暗衬度来判断相应区域原子序数的相对高低