材料化学11-2.pdf

1 无机材料常用测试技术无机材料常用测试技术 主要内容 扫描电镜 S E M 透射电镜 T E M 原子力显微镜 A F M X 射线衍射 X R D 元素分析 E A 显微分析技术显微分析技术 电子显微镜 一束电子射到试样上 电子与物质相互作用 当 电子的运动方向被改变 称为散射 散射 弹性散射 非弹性散射 电子显微镜 一束电子射到试样上 电子与物质相互作用 当 电子的运动方向被改变 称为散射 散射 弹性散射 非弹性散射 电子只改变运动方向而电子的 能量不发生变化 电子的运动方向和能量都发生变化 Technology for Microscopy Analysis Electron Microscope SEM 扫描电镜 EDS 能谱 AES 俄歇 电子能谱 TEM 透射电镜 入射电子与样品中原子的价电子发生非弹性散射作用而损 失的那部分能量 入射电子与样品中原子的价电子发生非弹性散射作用而损 失的那部分能量 30 50eV 激发核外电子脱离原子 能量 大于材料逸出功的价电子可从样品表面逸出 成为真空中的 自由电子 此即二次电子 在电场的作用下它可呈曲线运动 进入检测器 使表面凹凸的各个部分都能清晰成像 激发核外电子脱离原子 能量 大于材料逸出功的价电子可从样品表面逸出 成为真空中的 自由电子 此即二次电子 在电场的作用下它可呈曲线运动 进入检测器 使表面凹凸的各个部分都能清晰成像 二次电子试样表面状态非常敏感 能有效显示试样表面的 微观形貌 二次电子的分辨率可达 二次电子试样表面状态非常敏感 能有效显示试样表面的 微观形貌 二次电子的分辨率可达5 10nm 即为扫描电镜 的分辨率 即为扫描电镜 的分辨率 二次电子的强度主要与样品表面形貌相关 二次电子和背 景散射电子共同用于扫描电镜 二次电子的强度主要与样品表面形貌相关 二次电子和背 景散射电子共同用于扫描电镜 SEM 的成像 的成像 当探针很细 分辨高时 基本收集的是二次电子而背景电 子很少 称为二次电子成像 当探针很细 分辨高时 基本收集的是二次电子而背景电 子很少 称为二次电子成像 SEI 二次电子 直接透射电子 以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射 电镜 二次电子 直接透射电子 以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射 电镜 TEM 的成像和衍射的成像和衍射 透射电子透射电子 入射电子和原子中的内层电子发生非弹性散射作用而损失 一部分能量 几百个 入射电子和原子中的内层电子发生非弹性散射作用而损失 一部分能量 几百个eV 激发内层电子发生电离 形成 离子 该过程称为芯电子激发 除了二次电子外 失去内 层电子的原子处于不稳定的较高能量状态 将依一定的选 择定则向能量较低的量子态跃迁 跃迁过程中发射出反映 样品中元素组成信息的特征 激发内层电子发生电离 形成 离子 该过程称为芯电子激发 除了二次电子外 失去内 层电子的原子处于不稳定的较高能量状态 将依一定的选 择定则向能量较低的量子态跃迁 跃迁过程中发射出反映 样品中元素组成信息的特征X射线 可用于材料的成分分 析 射线 可用于材料的成分分 析 特征X 射线特征X 射线 入射电子穿达到离核很近的地方被反射 没有能量损失 既包括与原子核作用而形成的弹性背散射电子 又包括与样 品核外电子作用而形成的非弹性背散射电子 前者的份额远 大于后者 入射电子穿达到离核很近的地方被反射 没有能量损失 既包括与原子核作用而形成的弹性背散射电子 又包括与样 品核外电子作用而形成的非弹性背散射电子 前者的份额远 大于后者 背散射电子反映样品表面的不同取向 不同平均原子量的 区域差别 产额随原子序数的增加而增加 利用背散射电子 为成像信号 可分析形貌特征 也可显示原子序数衬度而进 行定性成分分析 背散射电子反映样品表面的不同取向 不同平均原子量的 区域差别 产额随原子序数的增加而增加 利用背散射电子 为成像信号 可分析形貌特征 也可显示原子序数衬度而进 行定性成分分析 背景散射电子背景散射电子 2 如果入射电子使试样的原于内电子发生电离 高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较 长 如果入射电子使试样的原于内电子发生电离 高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较 长 在可见光或紫外区在可见光或紫外区 称为阴极荧光 可用 作光谱分析 但它通常非常微弱 称为阴极荧光 可用 作光谱分析 但它通常非常微弱 阴极荧光阴极荧光 如果入射电子把外层电子打进内层 原 子被激发了 为释放能量而电离出次外层电 子 叫俄歇电子 主要用于轻元素和超轻元素 如果入射电子把外层电子打进内层 原 子被激发了 为释放能量而电离出次外层电 子 叫俄歇电子 主要用于轻元素和超轻元素 除除H和和He 的 分析 称为俄歇电子能谱仪 的 分析 称为俄歇电子能谱仪 俄歇 A u g e r 电 子 俄歇 A u g e r 电 子 各种信号的深度与区域大小 高能电子束受到物质原子的散射作 用偏离入射方向 向外发散 随着 深度的增加 分布范围增大 动能 不断降低 直至为0 形成一个作用 区 梨形作用体积 对轻元素样 品 入射电子经多次小角散射 在 未达到较大散射角之前已深入样品 内部 最后散射角增大 达到漫散 射的程度 半球形作用体积 对重元素样 品 入射电子在样品表面不很深的 位置就达到漫反射的程度 电子在样品内散射区域的形状主要取决于原子序数 改变电子 能量只引起作用体积大小的改变而不会显著改变形状 各种信号的深度与区域大小 高能电子束受到物质原子的散射作 用偏离入射方向 向外发散 随着 深度的增加 分布范围增大 动能 不断降低 直至为0 形成一个作用 区 梨形作用体积 对轻元素样 品 入射电子经多次小角散射 在 未达到较大散射角之前已深入样品 内部 最后散射角增大 达到漫散 射的程度 半球形作用体积 对重元素样 品 入射电子在样品表面不很深的 位置就达到漫反射的程度 电子在样品内散射区域的形状主要取决于原子序数 改变电子 能量只引起作用体积大小的改变而不会显著改变形状 能逸出材料表面的俄歇电子距表面的深度 能逸出材料表面的俄歇电子距表面的深度 0 4 2nm 为表 面信号 能逸出材料表面的二次电子距表面的深度 为表 面信号 能逸出材料表面的二次电子距表面的深度 5 10nm 能逸出材料表面的 能逸出材料表面的X射线距表面的深度 射线距表面的深度 500nm 5 m 深度 分辨率 俄歇电子与二次电子的空间分辨率最高 背散射电子的空间分辨率次之 X 射线信号的空间分辨率最低 二次电子像的分辨率主要取决于电子探针束斑尺寸和电子枪 的亮度 二次电子的最高分辨率可达0 2 5 n m 扫描电镜的 分辨率指的是二次电子的分辨率 深度 分辨率 俄歇电子与二次电子的空间分辨率最高 背散射电子的空间分辨率次之 X 射线信号的空间分辨率最低 二次电子像的分辨率主要取决于电子探针束斑尺寸和电子枪 的亮度 二次电子的最高分辨率可达0 2 5 n m 扫描电镜的 分辨率指的是二次电子的分辨率 电镜的发展历史 1932年鲁斯卡发明创制了第一台透射电子显微 镜实验装置 年鲁斯卡发明创制了第一台透射电子显微 镜实验装置 TEM 相继问世了扫描透射电子显微镜 相继问世了扫描透射电子显微镜 STEM 扫描 电子丛微镜 扫描 电子丛微镜 SEM 以及上述产品与以及上述产品与X射线分析系 统 射线分析系 统 EDS WDS 的结合 即各种不同类型分析 型电子显微镜 的结合 即各种不同类型分析 型电子显微镜 1986年 宾尼格和罗雷尔先后研制成功扫描隧 道电子显微镜 年 宾尼格和罗雷尔先后研制成功扫描隧 道电子显微镜 STM 和原子力电子显微镜和原子力电子显微镜 AFM 使人类的视野得到进一步的扩展 使人类的视野得到进一步的扩展 扫描电镜Scanning Electron Microanalyzer 扫描电镜 S E M S E M的基本原理 电子枪 阴极 阳极 和阴极构成 电场 给电子加速 电磁透镜 扫描线圈 使电子 束发生偏转 获得 合适的振幅 以改 变放大倍数 背散射电 子探测器 二次电子探测器 样品台 样品 3 扫描电镜的构造 电子光学系统 信号收集及显 示系统 真空系统和电源系统 电子枪 电磁透镜 扫描系统 样品室 信号收集系统 图象显示系统 扫描电镜 扫描电镜的构造 电子光学系统 信号收集及显 示系统 真空系统和电源系统 电子枪 电磁透镜 扫描系统 样品室 信号收集系统 图象显示系统 扫描电镜 电子光学系统 电子枪 电磁透镜 扫描系统 样品室 钨灯丝热阴极 电子枪 六硼化镧热阴 极电子枪 场发射电子枪 电子光学系统 电子枪 电磁透镜 扫描系统 样品室 钨灯丝热阴极 电子枪 六硼化镧热阴 极电子枪 场发射电子枪 热阴极电子枪热阴极电子枪 依靠电流加热灯丝 使灯丝发射热电子 经过阳极和灯丝之间 的强电场加速得到高能电子束 栅极的作用 利用负电场排斥 电子 使电子束得以汇聚 钨灯丝电子枪的扫描电子束最小直 径为 依靠电流加热灯丝 使灯丝发射热电子 经过阳极和灯丝之间 的强电场加速得到高能电子束 栅极的作用 利用负电场排斥 电子 使电子束得以汇聚 钨灯丝电子枪的扫描电子束最小直 径为60 70nm 六硼化镧灯丝的亮度与电子束的直径细度均优 于钨灯丝 六硼化镧灯丝的亮度与电子束的直径细度均优 于钨灯丝 场发射电子枪 利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场 使阴极尖端 发射电子 经聚光镜缩小聚焦 在样品表面可得到 场发射电子枪 利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场 使阴极尖端 发射电子 经聚光镜缩小聚焦 在样品表面可得到3 5nm的电 子束斑 的电 子束斑 电磁透镜 电子枪发射出来的电子束经三个电磁透镜聚焦后得 到的极细电子束斑作用于样品 样品扫描电子束的 直径为d p 电子源 电子枪第一交叉点 直径为dc 则电子光学系统必须提供的缩小倍数M为 电磁透镜 电子枪发射出来的电子束经三个电磁透镜聚焦后得 到的极细电子束斑作用于样品 样品扫描电子束的 直径为d p 电子源 电子枪第一交叉点 直径为dc 则电子光学系统必须提供的缩小倍数M为 c p d d M 扫描电子束的发散度主要取决于物镜光阑的半径与 其至样品表面的距离之比 扫描电子束的发散度主要取决于物镜光阑的半径与 其至样品表面的距离之比 4 扫描系统 提供入射电子束在样品表 面上以及阴极射线管电子 束在在荧光屏上的同步扫 描信号 改变入射电子束 在样品表面扫描振幅 以 获得所需放大倍数的扫描 像 扫描系统 提供入射电子束在样品表 面上以及阴极射线管电子 束在在荧光屏上的同步扫 描信号 改变入射电子束 在样品表面扫描振幅 以 获得所需放大倍数的扫描 像 信号收集系统信号收集系统 闪烁计数器由法拉第网杯 闪烁体 光导 管 光电倍增器组成 扫描电子显微镜中 最主要的信号监测器 闪烁计数器由法拉第网杯 闪烁体 光导 管 光电倍增器组成 扫描电子显微镜中 最主要的信号监测器 当检测二次电子时 法拉第网杯上加 2 0 0 5 0 0 V 正偏压 相对于试样 吸 引二次电子 增大检测有效立体角 当检测背散射电子 时 法拉第网杯上 加5 0 V 负偏压 相对 于试样 阻止二 次电子到达检测 器 并使进入检测 器的背散射电子聚 焦在闪烁体上 当检测二次电子时 法拉第网杯上加 2 0 0 5 0 0 V 正偏压 相对于试样 吸 引二次电子 增大检测有效立体角 当检测背散射电子 时 法拉第网杯上 加5 0 V 负偏压 相对 于试样 阻止二 次电子到达检测 器 并使进入检测 器的背散射电子聚 焦在闪烁体上 景深大 图像富有立体感 特别适合于表面形貌的 研究 景深大 图像富有立体感 特别适合于表面形貌的 研究 放大倍数范围广 从十几倍到 放大倍数范围广 从十几倍到2万倍 几乎覆盖了 光学显微镜和 万倍 几乎覆盖了 光学显微镜和TEM的范围的范围 制样简单 样品的电子损伤小 制样简单 样品的电子损伤小 这些方面优于这些方面优于TEM 所以 所以SEM成为材料常用的重要 剖析手段 成为材料常用的重要 剖析手段 扫描电镜的特点 影响扫描电镜的分辨本领的主要因素有 a 入射电子束束斑直径 为扫描电镜分辨本领的极 限 一般 热阴极电子枪的最小束斑直径可缩小到6 n m 场发 射电子枪可使束斑直径小于3 n m b 入射电子束在样品中的扩展效应 扩散程度取决于 入射束电子能量和样品原子序数的高低 入射束能量越高 样品原子序数越小 则电子束作用体积越大 产生信号的区 域随电子束的扩散而增大 从而降低了分辨率 1 分辨率 影响扫描电镜的分辨本领的主要因素有 a 入射电子束束斑直径 为扫描电镜分辨本领的极 限 一般 热阴极电子枪的最小束斑直径可缩小到6 n m 场发 射电子枪可使束斑直径小于3 n m b 入射电子束在样品中的扩展效应 扩散程度取决于 入射束电子能量和样品原子序数的高低 入射束能量越高 样品原子序数越小 则电子束作用体积越大 产生信号的区 域随电子束的扩散而增大 从而降低了分辨率 1 分辨率 扫描电镜 S E M 的几大要素 当以二次电子为调制信号时 由于其能量低当以二次电子为调制信号时 由于其能量低 小于小于50 eV 平均 自由程短 平均 自由程短 10 100 nm左右 只有在表层左右 只有在表层50 100 nm的深度 范围内的二次电子才能逸出样品表面 发生散射次数很有限 基本未向侧向扩展 因此 二次电子像分辨率约等于束斑直 径 的深度 范围内的二次电子才能逸出样品表面 发生散射次数很有限 基本未向侧向扩展 因此 二次电子像分辨率约等于束斑直 径 c 成像方式及所用的调制信号 当以背散射电子为调制信号时 由于背散射电子能量比较高 穿透能力强 可从样品中较深的区域逸出 成像方式及所用的调制信号 当以背散射电子为调制信号时 由于背散射电子能量比较高 穿透能力强 可从样品中较深的区域逸出 约为有效作用深度的约为有效作用深度的 30 左右 左右 在此深度范围 入射电子已有了相当宽的侧向扩 展 所以背散射电子像分辨率要比二次电子像低 一般在 在此深度范围 入射电子已有了相当宽的侧向扩 展 所以背散射电子像分辨率要比二次电子像低 一般在500 2 000nm左右 如果以吸收电子 左右 如果以吸收电子 X射线 阴极荧光 束感生电导或电位等作 为调制信号的其他操作方式 由于信号来自整个电子束散射区 域 所得扫描像的分辨率都比较低 一般在 射线 阴极荧光 束感生电导或电位等作 为调制信号的其他操作方式 由于信号来自整个电子束散射区 域 所得扫描像的分辨率都比较低 一般在l 000 nm或或l0000 nm以上不等 以上不等 扫描电镜的放大倍数可表示为 扫描电镜的放大倍数可表示为 2 放大倍数 式中 放大倍数 式中 Ac 荧光屏上图像的边长 荧光屏上图像的边长 As 电子束在样品上的扫描振幅 电子束在样品上的扫描振幅 s c A A M 一般地 一般地 Ac是固定的是固定的 通常为通常为100 mm 则可通过改变 则可通过改变As来 改变放大倍数 目前 大多数商品扫描电镜放大倍数为 来 改变放大倍数 目前 大多数商品扫描电镜放大倍数为20 20 000倍 介于光学显微镜和透射电镜之间 即扫描电镜弥 补了光学显微镜和透射电镜放大倍数的空挡 景深是指焦点前后的一个距离范围 该范围内所有物点所成 的图像符合分辨率要求 可以成清晰的图像 也即 景深是 可以被看清的距离范围 倍 介于光学显微镜和透射电镜之间 即扫描电镜弥 补了光学显微镜和透射电镜放大倍数的空挡 景深是指焦点前后的一个距离范围 该范围内所有物点所成 的图像符合分辨率要求 可以成清晰的图像 也即 景深是 可以被看清的距离范围 3 景深 扫描电子显微镜的景深比透射电子显微镜大 景深 扫描电子显微镜的景深比透射电子显微镜大10倍 比光学显微 镜大几百倍 由于图像景深大 所得扫描电子像富有立体感 倍 比光学显微 镜大几百倍 由于图像景深大 所得扫描电子像富有立体感 5 景 深 电子束的景深取决于临界分辨本领d 0和电子束入射半角 c 其中 临界分辨本领与放大倍数有关 因人眼的分辨本领约 为0 2 m m 放大后 要使人感觉物像清晰 必须使电子束的 分辨率高于临界分辨率d 0 电子束的景深取决于临界分辨本领d 0和电子束入射半角 c 其中 临界分辨本领与放大倍数有关 因人眼的分辨本领约 为0 2 m m 放大后 要使人感觉物像清晰 必须使电子束的 分辨率高于临界分辨率d 0 M d0 20 cc 0 tan 20 tan M d F 放大倍数 M 降低 入射 电子角 c 的减小 景 深 F 会增加 电子束的入射角可通过 改变光阑尺寸和工作距 离来调整 用小尺寸的 光阑和大的工作距离可 获得小的入射电子角 放大倍数 M 降低 入射 电子角 c 的减小 景 深 F 会增加 电子束的入射角可通过 改变光阑尺寸和工作距 离来调整 用小尺寸的 光阑和大的工作距离可 获得小的入射电子角 SEM image of volcanic ash 景深大 立体感强 景深大 立体感强 表面形貌衬度由试样表面的不平整性引起 二次电子来自试样表面层 表面形貌衬度由试样表面的不平整性引起 二次电子来自试样表面层 5 10nm的深度范围 表 面形貌特征对二次电子的 发射系数影响可由下式表 示 的深度范围 表 面形貌特征对二次电子的 发射系数影响可由下式表 示 cos 0 0 物质的二次电子发射 系数 与具体物质有关的 常数 可见 二次电子的发射系数 随 角的增大而增大 表面形貌衬度 物质的二次电子发射 系数 与具体物质有关的 常数 可见 二次电子的发射系数 随 角的增大而增大 表面形貌衬度 4 衬度 表面形貌衬度 原子序数衬度 衬度 表面形貌衬度 原子序数衬度 衬度衬度 其次 角大 入射电子 束的总轨迹增长 引起电 子电离的机会增多 事实上 角大 入射电子 束的作用体积较靠近试样表 面 由于二次电子主要来自 试样表层 其次 角大 入射电子 束的总轨迹增长 引起电 子电离的机会增多 事实上 角大 入射电子 束的作用体积较靠近试样表 面 由于二次电子主要来自 试样表层5 10nm深度 因 此 作用体积内产生的大量 二次电子离开表面的机会增 加 因此 在试样表面凸凹不平的部位 入射电子束作用产生的 二次电子信号的强度要比在试样表面平坦的部位产生的信号 强度大 从而形成表面形貌衬度 深度 因 此 作用体积内产生的大量 二次电子离开表面的机会增 加 因此 在试样表面凸凹不平的部位 入射电子束作用产生的 二次电子信号的强度要比在试样表面平坦的部位产生的信号 强度大 从而形成表面形貌衬度 原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背散射电子 吸收电子 X射线 对微区内原子序数的差异相当敏感 原子 序数越大 图像越亮 二次电子受原子序数的影响较小 高分子中各组分之间的平均原子序数差别不大 所以只有 些特殊的高分子多相体系才能利用这种衬度成像 原子序数衬度原子序数衬度 6 背散射电子像 背散射电子也称为反射电子或初级背散射电子 其能量在 背散射电子像 背散射电子也称为反射电子或初级背散射电子 其能量在50 eV 接近于入射电子能量 利用背散射电子的成像 称为背散射电子像 背散射电子像 既可以用来显示形貌衬度 也可以用来显示成分衬度 类似二次电子 样品表面的形貌也影响背散射电子的产率 在 角较大 接近于入射电子能量 利用背散射电子的成像 称为背散射电子像 背散射电子像 既可以用来显示形貌衬度 也可以用来显示成分衬度 类似二次电子 样品表面的形貌也影响背散射电子的产率 在 角较大 尖角尖角 处 背散射电子的产率高 在 角较小处 背散射电子的产率高 在 角较小 平面平面 处 背散射电子的产率低 由于背反射电子是来自一个较大的作用体积 用背反射信号 进行形貌分析时 其分辨率远比二次电子低 形貌衬度 处 背散射电子的产率低 由于背反射电子是来自一个较大的作用体积 用背反射信号 进行形貌分析时 其分辨率远比二次电子低 形貌衬度 由试样微区的原子序数或化学成 分的差异所形成的像 成分衬度 背散射电子是受原子反射回来的入 射电子 受核效应的影响比较大 由经验公式 对原子序数大于 由试样微区的原子序数或化学成 分的差异所形成的像 成分衬度 背散射电子是受原子反射回来的入 射电子 受核效应的影响比较大 由经验公式 对原子序数大于10 的元素 背散射电子发射系数可 表示为 背散射电子发射系数随原子序数 的元素 背散射电子发射系数可 表示为 背散射电子发射系数随原子序数Z 的增大而增加 的增大而增加 4 1 6 ln Z 但是 二次电子大部分是由价电子激发出来的 所以原子序数 的影响不大明显 当原子序数 但是 二次电子大部分是由价电子激发出来的 所以原子序数 的影响不大明显 当原子序数Z20时 与时 与Z几乎无关 几乎无关 如图如图3一一15所示所示 若试样表面存在不均匀的元素分布 平均原子序数较大的 区域产生较强的背散射电子信号 因而在背散射电子像上 显示出较亮的衬度 反之 平均原子序数较小的区域在背 散射电子图像上是暗区 因此 可根据背散射电子像的亮暗程度 判别出相应区域的原 子序数的相对大小 由此可对金属及其合金的显微组织进行成 分分析 如左图 在二次 电子图像中 只 有表面起伏的形 貌信息 而在背 散射电子图中 铅富集的区域亮 度高 而锡富集 的区域相对较 暗 若试样表面存在不均匀的元素分布 平均原子序数较大的 区域产生较强的背散射电子信号 因而在背散射电子像上 显示出较亮的衬度 反之 平均原子序数较小的区域在背 散射电子图像上是暗区 因此 可根据背散射电子像的亮暗程度 判别出相应区域的原 子序数的相对大小 由此可对金属及其合金的显微组织进行成 分分析 如左图 在二次 电子图像中 只 有表面起伏的形 貌信息 而在背 散射电子图中 铅富集的区域亮 度高 而锡富集 的区域相对较 暗 PbSn 背散射电子图像的获得 背散射电子信号接收器由两块独立的检测器组成 位于样品 的正上方 对既要进行形貌观察又要进行成分分析的样品 将左右两个检测器各自得到的电信号进行电路上的加减处 理 便能得到单一信息 如下图所示 背散射电子图像的获得 背散射电子信号接收器由两块独立的检测器组成 位于样品 的正上方 对既要进行形貌观察又要进行成分分析的样品 将左右两个检测器各自得到的电信号进行电路上的加减处 理 便能得到单一信息 如下图所示 1 导电性好 以防止表面积累电荷而影响成像 导电性好 以防止表面积累电荷而影响成像 2 具有抗辐射损伤的能力 在高能电子轰击下不分解 不变形 具有抗辐射损伤的能力 在高能电子轰击下不分解 不变形 3 具有高的二次电子和背散射电子系数 以保证图像良 好的信噪比 扫描电镜试样一般要求具有以下特点 对不满足以上要求的试样 陶瓷 玻璃 塑料等绝缘材料 导 电性差的半导体 热稳定性不好的有机材料 二次电子 背散 射电子系数较低的材料等 需要表面涂层处理 表面涂层处理的常用方法有真空蒸发和离子溅射镀膜法 具有高的二次电子和背散射电子系数 以保证图像良 好的信噪比 扫描电镜试样一般要求具有以下特点 对不满足以上要求的试样 陶瓷 玻璃 塑料等绝缘材料 导 电性差的半导体 热稳定性不好的有机材料 二次电子 背散 射电子系数较低的材料等 需要表面涂层处理 表面涂层处理的常用方法有真空蒸发和离子溅射镀膜法 扫描电子显微镜的样品制备 7 镀膜材料的选择 镀膜材料的选择 1 金 金 Au 熔点低 易蒸发 化学稳定性好 与加热器不反应 二次电子和背散射电子的发射率 高 因此 熔点低 易蒸发 化学稳定性好 与加热器不反应 二次电子和背散射电子的发射率 高 因此 Au镀膜最常用 镀膜最常用 2 C Al等原子序数较小的材料 适用于等原子序数较小的材料 适用于X射线显 微分析 阴极荧光研究 背散射电子像观察等 镀膜材料的厚度 膜厚度尽量薄一些 通常控制在 射线显 微分析 阴极荧光研究 背散射电子像观察等 镀膜材料的厚度 膜厚度尽量薄一些 通常控制在20 80nm 扫描电镜 扫描电镜 SEM 样品台 样品台 英国英国Emitech电镜制样设备 扫描电镜制样 透射电镜制样 规格 电镜制样设备 扫描电镜制样 透射电镜制样 规格 K系列系列 镀金 镀铂 镀碳 溅镀 蒸镀镀金 镀铂 镀碳 溅镀 蒸镀 常用性能稳定 导电性好 镀膜颗粒较细的金 铂 金常用性能稳定 导电性好 镀膜颗粒较细的金 铂 金 钯等 材料作为金属镀膜 将其放在上方的阴极上 样品放在下方的 阳极上 抽真空到 钯等 材料作为金属镀膜 将其放在上方的阴极上 样品放在下方的 阳极上 抽真空到10 1mmHg 左右时 在两电极间加直流电 压 电子从负偏压的靶中放射出来 在飞向阳极的途中与残余 气体分子相撞产生离子和额外电子 在距靶面一定距离处呈现 辉光放电现象 左右时 在两电极间加直流电 压 电子从负偏压的靶中放射出来 在飞向阳极的途中与残余 气体分子相撞产生离子和额外电子 在距靶面一定距离处呈现 辉光放电现象 如果样品不够干燥 辉光呈蓝色如果样品不够干燥 辉光呈蓝色 电离出的正 离子飞向阴极靶 靶中那些已获得足够能量的靶原子 断开与 周围原子的键合 从原靶面被溅射出来 飞向阳极 以松散的 方式覆盖在样品表面 用这种方法镀膜 膜层厚度易于控制 均匀性好 操作简单可 靠 已逐渐取代真空镀膜法 一般 样品表面较平整时 较薄 的镀层就形成连续膜 而且不致掩盖表面细节 如果表面不平 整 则需要较厚的镀层才能保证所有边缘 孔洞和凸肩处的满 膜连续 生物样品的制备视具体的样品而异 有的可直接镀膜 观察 有的需干燥 电离出的正 离子飞向阴极靶 靶中那些已获得足够能量的靶原子 断开与 周围原子的键合 从原靶面被溅射出来 飞向阳极 以松散的 方式覆盖在样品表面 用这种方法镀膜 膜层厚度易于控制 均匀性好 操作简单可 靠 已逐渐取代真空镀膜法 一般 样品表面较平整时 较薄 的镀层就形成连续膜 而且不致掩盖表面细节 如果表面不平 整 则需要较厚的镀层才能保证所有边缘 孔洞和凸肩处的满 膜连续 生物样品的制备视具体的样品而异 有的可直接镀膜 观察 有的需干燥 临界点干燥或冷干燥临界点干燥或冷干燥 后再镀膜 有的还需 先固定甚至双固定 镀膜原理与方法 后再镀膜 有的还需 先固定甚至双固定 镀膜原理与方法 二次电子像的样品制备方法 二次电子像的样品制备方法 1 导电样品 将允许尺寸的样品放入样品室观察前先 需用丙酮 酒精或甲苯这类溶剂清洗掉样品表面的油污 或在超声波清洁器中去除油污 也可用复型剥离及化学刻 蚀等方法去除在高放大倍数下易分解的碳氢化物等的玷 污 因为这些物质分解后会在样品表面沉积一层碳和其他 产物 当放大倍数缩小时 图像中原视域就成为暗色的方 块 导电样品 将允许尺寸的样品放入样品室观察前先 需用丙酮 酒精或甲苯这类溶剂清洗掉样品表面的油污 或在超声波清洁器中去除油污 也可用复型剥离及化学刻 蚀等方法去除在高放大倍数下易分解的碳氢化物等的玷 污 因为这些物质分解后会在样品表面沉积一层碳和其他 产物 当放大倍数缩小时 图像中原视域就成为暗色的方 块 2 绝缘体或导电性能较差的样品 如陶瓷 半导体 高分子 不需固定脱水处理的生物样品及一些无机材料 等 只需清洁样品之后 用离子喷镀仪在样品表面喷镀一 层金产生导电层就可观察了 绝缘体或导电性能较差的样品 如陶瓷 半导体 高分子 不需固定脱水处理的生物样品及一些无机材料 等 只需清洁样品之后 用离子喷镀仪在样品表面喷镀一 层金产生导电层就可观察了 3 不论样品导不导电 块状样品都得借助于双面胶带 将样品粘在铜或铝样品台上 并用银粉导电胶连通样品与 样品台 或直接用石墨导电双面胶带粘贴样品 使吸收电 子能流入接地的样品架 以尽量减少因表面充电效应或热 损伤引起的起泡 龟裂 像漂移 像散不稳定等现象 尤 其是生物样品 聚合物等 不论样品导不导电 块状样品都得借助于双面胶带 将样品粘在铜或铝样品台上 并用银粉导电胶连通样品与 样品台 或直接用石墨导电双面胶带粘贴样品 使吸收电 子能流入接地的样品架 以尽量减少因表面充电效应或热 损伤引起的起泡 龟裂 像漂移 像散不稳定等现象 尤 其是生物样品 聚合物等 4 颗粒样品 如果是干燥的粉末 可直接撒在粘有双面 胶带的样品台上 抖去或用洗耳球吹去松散的颗粒 并用导 电胶涂在胶带四周再喷金 颗粒样品 如果是干燥的粉末 可直接撒在粘有双面 胶带的样品台上 抖去或用洗耳球吹去松散的颗粒 并用导 电胶涂在胶带四周再喷金 5 如果是含水或含有挥发性物质的样品 必须先去除水分 或挥发性物质 再喷金观察 去除水分的方法有很多种 烘 箱干燥 湿度干燥 置换干燥 真空干燥 冷冻干燥 临界 点干燥等 根据样品的不同特点和要求选择不同的方法 温度干燥是将样品保持在一定的温度下干燥 真空干燥与冷冻干 燥都是用真空喷镀仪抽真空 使水分挥发 不同的是后者将样品 投入液氮或其他骤冷剂然后再抽真空 水分从固态直接升华 使 得通常的液相蒸发带来的表面张力减小 减少样品损伤 如果是含水或含有挥发性物质的样品 必须先去除水分 或挥发性物质 再喷金观察 去除水分的方法有很多种 烘 箱干燥 湿度干燥 置换干燥 真空干燥 冷冻干燥 临界 点干燥等 根据样品的不同特点和要求选择不同的方法 温度干燥是将样品保持在一定的温度下干燥 真空干燥与冷冻干 燥都是用真空喷镀仪抽真空 使水分挥发 不同的是后者将样品 投入液氮或其他骤冷剂然后再抽真空 水分从固态直接升华 使 得通常的液相蒸发带来的表面张力减小 减少样品损伤 8 扫描电子显微镜的工作内容扫描电子显微镜的工作内容 微区形貌观测 微区形貌观测 二次电子像 可得到物质表面形貌反差的信息 即微观形貌像 背反射电子像 可得到不同区域内平均原子序数差别的信息 即组成分布像 X射线元素分布像 可得到样品表面元素及其X射线强度变化的分布图像 微区定性和定量分析微区定性和定量分析 与常规的定性 定量分析方法不同的是 扫描电子显 微镜系统是在微观形貌观测的基础上 针对感兴趣区域进 行特定的定性或定量分析 扫描电镜在材料 生物等研究中应用实例 扫描电镜在材料 生物等研究中应用实例 1 大体积块体材料的断口或截面形貌分