第六章 电子显微技术.ppt

第六章电子显微技术 透射电子显微镜 f f 2f 物体在2倍焦距之外 在另一侧成倒立 缩小的实像 2f 照相机 凸透镜成像原理 F F 2f 物体在焦点和二倍焦距之间时 在另一侧成倒立 放大的实像 投影机 2f F 物体在焦点以内 在透镜同侧成正立 放大的虚像 放大镜 F 透镜的放大倍数 物距 像距 焦距 放大倍数 可以表示为 相距一定时 放大倍率M随f增大而降低调节物距或者相距时 放大倍率M随之变化 由于光的衍射 使得由物平面内的点O1 O2在象平面形成一B1 B2圆斑 Airy斑 若O1 O2靠得太近 过分重叠 图象就模糊不清 O1 O2 d L B2 B1 Md 强度 D 图 a 点O1 O2形成两个Airy斑 图 b 是强度分布 a b 最小分辨率 图 c 两个Airy斑明显可分辨出 图 d 两个Airy斑刚好可分辨出 图 e 两个Airy斑分辨不出 I 0 81I 最小分辨距离计算公式 d指物镜能够分开两个点之间的最短距离 称为物镜的分辨本领或分辨能力 为入射光的波长 n为透镜周围介质的折射率 为物镜的半孔径角NA为数值孔径 对于可见光的波长在390 770nm之间 光学显微镜其最小的分辨能力为0 2 m 由于人眼的分辨率为0 2mm 光学显微镜的有效放大倍数为 光学镜头的放大倍数越大 其孔径角越大 P 象 P 透镜 物 P 光轴 球差 球差是由于透镜中心区域和边缘区域对光线会聚能力不同而造成的 通常远轴光线通过透镜时被折射得比近轴光线厉害得多 因而有同一物点发出的光经过透镜后不交在一点上 而是在透镜相平面上变成了一个漫射圆斑 畸变 畸变是由球差引起的 球差的存在使得透镜对边缘区域的聚焦能力比中心部分大 反映在像平面上的情况是 像的放大倍率将随离轴径向尺寸的不同 图像产生不同程度的位移 即图像发生了畸变 平面B PA 透镜平面 物 P 光轴 PB fA 平面A 像散 像散是由于透镜的本身光轴不对称所引起的一种像差 透镜对不同平面上光线的折射能力不一样 光线经透镜后形成界面为椭圆状的光束 是圆形物点的像变成了一个漫射圆斑 色差 色差是由于透镜对不同波长的光有不同折射率引起 能量为E的光波轨迹 象1 透镜 物 P 光轴 色差 能量为E 的光波轨迹 象2 色差是由于透镜对不同波长的光有不同折射率引起 E和E 哪个大 景深 透镜物平面允许的轴向偏差 不影响透镜成像分辨本领的前提下 物平面可沿透镜轴移动的距离 反映了试样在物平面上下沿轴运动的距离或试样超过物平面所允许的厚度 原理上讲 当透镜焦距 像距一定时 只有一层样品平面与透镜的理想物平面重合 能在透镜像平面获得该层平面的理想图像 偏离理想物平面的物点都存在一定程度的失焦 它们在透镜像平面上将产生一个具有一定尺寸的失焦圆斑 如果失焦圆斑的尺寸不超过由衍射效应和球差引起的散焦斑 那么 对于透镜像的分辨本领并不产生什么影响 2MX L2 L1 Qi 2X Q Df 透镜 象平面 可见 越大 景深越小 放大倍数越大 景深越小 当 达到最大时 放大倍数最大 X接近理论分辨率 焦深 透镜像平面允许的轴向偏差不影响透镜成像分辨本领的前提下 像平面可沿透镜轴移动的距离 反映了观察屏或照相底版可在像平面上下沿轴运动的距离 当透镜焦距 物距一定时 像平面在一定的轴向距离内移动时也会引起失焦 如果失焦斑的尺寸不超过由衍射效应和球差引起的散焦斑 对分辨本领无影响 屏 透镜 L1 L2 Di 2dM i NAM焦深景深NAM焦深景深 NA焦深景深0 10 1315 50 43 85 8 9580 00 19 光学显微镜垂直景深一般小于15 5mm 对于光学显微镜样品要求较严格薄片状透光样品或者抛光表面 虽然光学镜头可以通过组合设计对球差 像散能很好消除 但对于分辨率的提高和景深的增加却无能为力 对于光学显微镜 N A的值均小于1 油浸透镜也只有1 5 1 6 而可见光的波长有限 因此 光学显微镜的分辨本领不能再次提高 提高透镜的分辨本领 增大数值孔径是困难的和有限的 唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题 比可见光波长更短的有 1 紫外线 会被物体强烈的吸收 2 X射线 无法使其会聚 3 电子波 分辨率是显微镜最重要的指标 电子具有波粒二像性 其波长可由其动能算出 电子可以凭借轴对称的非均匀电场 磁场的力 使其会聚或发散 从而达到成象的目的 由静电场制成的透镜 静电透镜由磁场制成的透镜 磁透镜 电子透镜 磁透镜结构剖面图 透镜使电子会聚的原理 O O z 电子在磁透镜中的运动轨迹 A C 所有从O点出发的电子类似的轨迹运动 在v一定时 当轨迹与轴的角度很小时 电子会聚在O 点 O 的象 O 象 物 O b a 象 物 平行光轴电子束经透镜成象的情况 a b为磁场作用区域 我们有下面的结论 1 所有从同一点出发的不同方向的电子 经透镜作用后 交于象平面同一点 构成相应的象 2 从不同物点出发的同方向同相位的电子 经透镜作用后 会聚于焦平面上一点 构成与试样相对应的散射花样 O z O 有极靴的透镜极靴使得磁场被聚焦在极靴上下的间隔h内 h可以小到1mm左右 有极靴 B z 没有极靴 无铁壳 z 对于电磁透镜而言 n 1 0 1rad 由于球差难以消除 由球差带来的发散光斑直径 要提高分辨率 必须增加孔径角 但增加孔径角会同时造成球差发散使得分辨率下降 电磁透镜中 球差对分辨本领的影响最为重要 因为没有一种简便的方法使其矫正 当时 可以得到最佳孔径角 考虑球差后 实际分辨率 将各类电镜缺陷的影响减至最小 电子透镜的分辨本领比光学透镜提高了一千倍左右 将铂 铂 铱或铂 钯等金属或合金 用真空蒸发的方法可以得到粒度为0 5 1nm 间距为0 2 1nm的粒子 将其均匀地分布在火棉胶 或碳 支持膜上 在高放大倍数下拍摄这些粒子的像 为了保证测定的可靠性 至少在同样条件下拍摄两张底片 然后经光学放大5倍左右 从照片上找出粒子间最小间距 除以总放大倍数 即为相应电子显微镜的点分辨率 实际分辨率 点分辨率的测定 利用外延生长方法制得的定向单晶薄膜作为标样 拍摄其晶格像 根据仪器分辨率的高低 选择晶面间距不同的样品作标样 晶格分辨率的测定 点分辨本领可计算 晶格分辨本领的测定 磁透镜的放大倍数 电磁透镜的焦距 式中 k 常数V 加速电压 IN 安匝数I 通过线圈导线的电流 N 线圈每厘米长度上的圈数由此可知I增加 则f降低 在像距一定的情况下 放大倍数增加 物距 像距 焦距 放大倍数 可以表示为 与光学显微镜不同 磁透镜的焦距可以通过改变线圈的电流来改变 景深 通常物镜的景深为1微米 远远大于被测样品的厚度 焦深 终像的焦长很长 一般超过10 20cm 甚至更长 放大倍数越大 焦深越大 这一特点给图像拍照记录带来极大方便 只要在荧光屏上图像聚焦清晰 在其上下一定距离 焦深允许范围内 放置底片 拍摄出的图像也是清晰的 透射电镜和光学显微镜的光路比较 光源 中间象 物镜 试样 聚光镜 目镜 毛玻璃 电子枪 聚光镜 试样 物镜 中间象 投影镜 观察屏 照相底板 照相底板 一台透射电子显微镜就其总体可以分为三个部分 电子光学部分 照明系统 成像系统 观察和记录系统 核心部分 真空部分 各种真空泵 显示仪表 电子学部分 各种电源 安全系统 控制系统 透射电子显微镜的基本结构 1 阴极 又称灯丝 一般是由0 03 0 1毫米的钨丝作成V或Y形状 2 阳极 加速从阴极发射出的电子 为了安全 一般都是阳极接地 阴极带有负高压 3 控制极 会聚电子束 控制电子束电流大小 调节象的亮度 阴极 阳极和控制极决定着电子发射的数目及其动能 因此人们习惯上把它们通称为 电子枪 4 聚光镜 由于电子之间的斥力和阳极小孔的发散作用 电子束穿过阳极小孔后 又逐渐变粗 射到试样上仍然过大 聚光镜就是为克服这种缺陷加入的 它有增强电子束密度和再一次将发散的电子会聚起来的作用 电子光学系统 照明部分 ElectronBeamSource 场发射电子枪 W丝的尖端非常尖锐 半径107V cm 电子被高电场从W丝尖端激发超高真空 低于10 6Pa 以保证激发的电子不同空气分子发生碰撞电子束直径可 1nm低温电子枪 成像系统 由物镜 中间镜和投影镜与样品室构成 1 物镜成一次像 决定透射电镜的分辨本领 要求它有尽可能高的分辨本领 足够高的放大倍数和尽可能小的像差 通常采用强励磁 短焦距的物镜 放大倍数较高 一般为100 300倍 目前高质量物镜分辨率可达0 1nm左右 2 中间镜成二次像 弱激磁的长焦距变倍透镜 0 20倍可调 3 投影镜短焦距强磁透镜 最后一级放大像 最终显示到荧光屏上 称为三级放大成像 具有很大的景深和焦深 样品在物镜的物平面上 物镜的像平面是中间镜的物平面 中间镜的像平面是投影镜的物平面 荧光屏在投影镜的像平面上 物镜和投影镜的放大倍数固定 通过改变中间镜的电流来调节电镜总M M越大 成像亮度越低 成像亮度与M2成反比 高性能TEM大都采用5级透镜放大 中间镜和投影镜有两级 放大成像操作 中间镜的物平面和物镜的像平面重合 荧光屏上得到放大像 电子衍射操作 中间镜的物平面和物镜的后焦面重合 得到电子衍射花样 阿贝认为在相干平行光照射下 显微镜的成像可分为两个步骤 第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图 第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像 这就是通常所说的阿贝成像原理 阿贝成像原理 a 高放大率 b 衍射 c 低放大率 物 物镜 衍射谱 一次象 中间镜 二次象 投影镜 三次象 荧光屏 选区光阑 物镜光阑 真空系统 为了避免电子束被空气散射 样品附近的真空度必须达到10 7Torr 电子枪的真空度 对普通LaB6和钨丝枪 真空度为10 7Torr 场发射电子枪真空度为10 9Torr 投影腔中的真空度通常只有10 5Torr甚至更差 透射电镜需要两部分电源 一是供给电子枪的高压部分 二是供给电磁透镜的低压稳流部分 电源的稳定性是电镜性能好坏的一个极为重要的标志 所以 对供电系统的主要要求是产生高稳定的加速电压和各透镜的激磁电流 供电系统 BasicfeaturesofAModernTEM TEM可以做什么 电子像及衍射花样成像 质厚 衍射及相位衬度衍射 选区电子衍射 SAED 研究晶体结构化学分析X射线能谱 EDS WDS 电子与样品相互作用 X射线能谱 EDS 扫描电镜 扫描电镜 SEM 俄歇电子能谱 AES 常见于半导体 阴极荧光谱 CL 用于扫描电镜 电子衍射 电子能量损失谱 EELS 样品制备 对于TEM常用的50 200kV电子束 样品厚度控制在100 200nm 样品经铜网承载 装入样品台 放入样品室进行观察 TEM样品制备方法有很多 常用支持膜法 晶体薄膜法 超薄切片法和复型法4种 粉末试样多采用此方法 将试样载在支持膜上 再用铜网承载 支持膜的作用是支撑粉末试样 铜网的作用是加强支持膜 支持膜法 3mm 支持膜材料必须具备的条件 无结构 对电子束的吸收不大 颗粒度小 以提高样品分辨率 有一定的力学强度和刚度 能承受电子束的照射而不变形 破裂 常用的支持膜材料 火棉胶 碳 氧化铝 聚乙酸甲基乙烯酯等 在火棉胶等塑料支持膜上镀一层碳 提高强度和耐热性 称为加强膜 支持膜上的粉末试样要求高度分散 可根据不同情况选用分散方法 悬浮法 超声波分散器将粉末在与其不发生作用的溶液中分散成悬浮液 滴在支持膜上 干后即可 散布法 直接撒在支持膜表面 叩击去掉多余 剩下的就分散在支持膜上 块状材料多采用此方法 通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品 薄膜样品制备方法要求 制备过程中不引起材料组织的变化 薄 避免薄膜内不同层次图像的重叠 干扰分析 具有一定的强度 晶体薄膜法 超薄切片法 有机高分子薄膜样品制备步骤 修剪样块 在液氮中冷冻或环氧树脂包覆 超薄切片机 用金刚石刀或玻璃刀进行超薄切片 薄膜样品一般控制在50nm左右 双喷式电解抛光减薄离子减薄 无机薄膜样品制备步骤 切取 切取薄块 厚度 0 5mm 预减薄 用机械研磨 化学抛光 电解抛光减薄成 薄片 0 1mm 终减薄 用电解抛光 离子轰击减薄成 薄膜 50nm 避免引起组织结构变化 不用或少用机械方法 终减薄时去除损伤层 复型法 在电镜中易起变化的样品和难以制成薄膜的试样采用此方法 表面显微组织浮雕的复型膜 只能进行形貌观察和研究 不能研究试样的成分分布和内部结构 复型的种类 按复型的制备方法 复型主要分为 一级复型二级复型萃取复型 半直接样品 一级复型 一级复型是指在试样表面的一次直接复型 一级复型复型主要分为塑料 火棉胶 一级复型和碳膜一级复型 其中 塑料一级复型 相对于试样表面来讲 是一种负复型 即复型与试样表面的浮雕相反 它是对样品表面形貌的简单的复制 其表面的形貌与样品的形貌刚好互补 所以称之为负复型 而碳膜一级复型是一种正复型 塑料一级复型 样品上滴浓度为1 的火棉胶醋酸戍酯溶液或醋酸纤维素丙酮溶液 溶液在样品表面展平 多余的用滤纸吸掉 溶剂蒸发后样品表面留下一层100nm左右的塑料薄膜 分辨率低 10 20nm 电子束照射下易分解和破裂 碳一级复型 样品放入真空镀膜装置中 在垂直方向上向样品表面蒸镀一层厚度为数十纳米的碳膜 把样品放入配好的分离液中进行电解或化学分离 分辨率高 2 5nm 电子束照射下不易分解和破裂 样品易遭到破坏 碳膜与塑料一级复型的区别 1 碳膜复型的厚度基本上相同 而塑料复型的厚度随试样位置而异 2 塑料复型不破坏样品 而碳膜复型破坏样品 分离膜与样品时要电解腐蚀样品 3 塑料复型因塑料分子较大 分辨率低 10 20nm 碳离子直径小 碳膜复型分辨率高 2nm 塑料 碳二级复型 先一次复型 然后进行二次碳复型 把一次复型溶去 得到第二次复型 为了增加衬度可在倾斜15 45 的方向上喷镀一层重金属 如Cr Au等 二级复型照片 低碳钢冷脆断口 萃取复型 用碳膜把经过深度侵蚀 溶去部分基体 试样表面的第二相粒子黏附下来 既复制表面形貌 又保持第二相分布状态 并可通过电子衍射确定物相 兼顾了复型膜和薄膜的优点 样品支架 asplitpolepieceobjectivelens holder beam Heatingandstraining Twinspecimenholder Doubletiltheating 旋转 倾斜 加热 冷却和拉伸 TEM的衬度形成方式 衬度 振幅衬度 位相衬度 质厚衬度 衍射衬度 明场相 暗场相 TEM显微像有两种 透射电子成像 散射电子成像 明场像 BF 透射电子成像 像清晰 暗场像 DF 散射电子成像 像有畸变 分辨率低 中心暗场像 CDF 入射电子束对试样倾斜照明 得到的暗场像 像不畸变 分辨率高 明场像和暗场像 成像电子的选择是通过在物镜的背焦面上插入物镜光阑来实现的 BF DFImaging DiffractionContrast Objectiveaperture C filmamorphous crystal D T BFimage C film crystal D T C film crystal DFimage Diffraction mass thicknessContrast Objectiveaperture DDFCDF Beamtilt T transmittedD diffracted HoleinOA OA OA 非晶体样品衬度的主要来源 样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的 来源于电子的非相干散射 Z越高 产生散射的比例越大 厚度d增加 将发生更多的散射 不同微区Z和d的差异 使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子的强度有差别 形成像的衬度 Z较高 样品较厚区域在屏上显示为较暗区域 图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化 质厚衬度 质厚衬度受物镜光阑孔径和加速V的影响 选择大孔径 较多散射电子参与成像 图像亮度增加 散射与非散射区域间的衬度降低 选择低电压 较多电子散射到光阑孔径外 衬度提高 亮度降低 PP PA690 10w w体系 RuO4染色 晶体样品衬度的主要来源 样品中各部分满足衍射条件的程度不同引起 衍射衬度成像就是利用电子衍射效应来产生晶体样品像衬度的方法 晶体样品的成像过程中 起决定作用的是晶体对电子的衍射 试样内各晶面取向不同 各处衍射束I差异形成衬度 假设样品由颗粒A B组成 强度I0入射电子照射样品 B的 hkl 面与入射束满足布拉格方程 产生衍射束I 忽略其它效应 吸收 其透射束为 晶粒A与入射束不满足布拉格方程 其衍射束I 0 透射束IA I0 衍射衬度 若成明场像 IBIA I 0 图像中B亮 A暗 晶体厚度均匀 无缺陷 hkl 满足布拉格条件 晶面组在各处满足条件的程度相同 无论明场像还是暗场像 均看不到衬度 存在缺陷 周围晶面发生畸变 这组晶面在样品的不同部位满足布拉格条件程度不同 会产生衬度 得到衍衬像 衍射和质厚衬度 Diskspecimen thickness thinner thicker 1 2 3 4 5 6 7 8 G B Highmass Lowmass T T S S S BrightDark Strongdiffraction Weakdiffraction 8grainsareindifferentorientationsordifferentdiffractionconditions thicknessfringes 明场像 相位衬度 是散射电子与入射电子在像平面上干涉得到的衬度 d L 样品 干涉条件 相位衬度 当样品极薄时 十几纳米 高分辨电子显微镜 HREM 采用大孔径物镜光阑 使得透射电子束和衍射电子束同时通过 像衬度由其间的干涉得出 恒定的电子束 与晶体材料作用 因相干散射而产生衍射现象 其原理与X射线衍射作用相同 获得的衍射图案相似 遵从衍射产生的必要条件和系统消光规律 入射电子束照射到试样晶面间距为d的晶面族 hkl 满足布拉格方程时 与入射束交角2 方向上得到该晶面族的衍射束 透射束和衍射束分别与距离晶体为L的照相底板相交 得到透射和衍射斑点 电子衍射 根据阿贝成像原理 入射电子束通过样品后 透射线束和衍射线束将会聚到物镜的后焦面上形成衍射花样 然后各斑点经干涉后重新在像平面上成像 如果将中间镜的物平面调节到物镜后焦面 而不是物镜的像平面 此时在物镜后焦面上形成的衍射谱 就会经中间镜 投影镜放大在荧光屏上得到最终电子衍射谱 阿贝认为在相干平行光照射下 显微镜的成像可分为两个步骤 第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图 第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像 这就是通常所说的阿贝成像原理 阿贝成像原理 选区电子衍射 如果在物镜的像平面处放置一个光阑 改变光阑的位置和大小就可以方便地让样品某一部分衍射的电子通过而得到该部分的电子衍射图 选区衍射操作步骤 为了尽可能减小选区误差 应遵循如下操作步骤 1 插入选区光栏 套住欲分析的物相 调整中间镜电流使选区光栏边缘清晰 此时选区光栏平面与中间镜物平面重合 2 调整物镜电流 使选区内物象清晰 此时样品的一次象正好落在选区光栏平面上 即物镜像平面 中间镜物平面 光栏面三面重合 3 抽出物镜光栏 减弱中间镜电流 使中间镜物平面移到物镜背焦面 荧光屏上可观察到放大的电子衍射花样4 用中间镜旋钮调节中间镜电流 使中心斑最小最园 其余斑点明锐 此时中间镜物面与物镜背焦面相重合 5 插入物镜光栏 减弱第二聚光镜电流 使投影到样品上的入射束散焦 近似平行束 摄照 30s左右 选区光栏的直径为20 300微米之间 若物镜的放大倍数为50倍 选择直径为50微米的选区光栏 可以套取样品上直径1微米的区域进行分析 从而有可能在多晶样品中选取单晶做衍射分析 2q 试样 厄瓦尔德球 倒易点阵 底板 电子衍射花样形成示意图 电子衍射花样中 Q是中心斑点 P是 hkl 晶面族的衍射斑点 二者距离为 电子 很短 电子衍射的2 很小 有 代入布拉格方程得 式中 L 衍射长度 相机长度 mm 一定加速电压下 值确定 则式中 K 仪器常数 相机常数 nm mm 电子衍射与X射线衍射的比较 X射线衍射反映的是样品中电子密度分布 而电子衍射反应的是样品中电场分布 X射线衍射的强度与原子序数的平方成正比 而电子衍射的强度与原子序数的4 3次方成正比 因此 重元素对轻元素衍射强度的影响较弱 物质对电子散射主要是核散射 因此散射强 约为X射线一万倍 曝光时间短 电子衍射能在同一试样上将形貌观察与结构分析结合起来 电子波长短 单晶的电子衍射花样婉如晶体的倒易点阵的一个二维截面在底片上放大投影 从底片上的电子衍射花样可以直观地辨认出一些晶体的结构和有关取向关系 使晶体结构的研究比X射线简单 电子衍射强度有时几乎与透射束相当 以致两者产生交互作用 另外 由于晶体样品很薄 造成倒易点阵点发生形变 使得本不能出现衍射的晶面也能产生衍射 使电子衍射花样 特别是强度分析变得复杂 不能象X射线那样从测量衍射强度来广泛的测定结构 此外 由于试样薄 使试样制备工作较X射线复杂 在精度方面也远比X射线低 电子衍射与X射线衍射的比较 SAEDPatternsofSingleCrystal PolycrystallineandAmorphousSamples a b c SinglecrystalFe BCC thinfilm 001 PolycrystallinethinfilmofPd2SiAmorphousthinfilmofPd2Si Thediffusehaloisindicativeofscatteringfromanamorphousmaterial r1 r2 200 020 110 扫描电镜 一个全新的成像模式 与光学显微镜和透射电镜的全景成像模式不同 扫描电镜实现的是点 点成像模式 它不是通过用高能电子束直接成像 而是通过照射样品 使得样品产生诸如二次电子等特征信号 通过搜集这些携带了样品形态 化学组成和结晶结构信息的信号 重建样品表面的图象 电子与样品相互作用 EDS EELS SAED CBEDdiffraction BFDFHREMImaging 背散射电子 背散射电子是指入射电子与样品相互作用 弹性和非弹性散射 之后 再次逸出样品表面的高能电子 其能量接近于入射电子能量 E0 其逃逸深度很大 背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加 所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关 即与组成样品的各元素平均原子序数有关 二次电子 在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子 用IS表示二次电子流 是从表面5 10nm层内发射出来的 能量0 50电子伏 二次电子对试样表面状态非常敏感 能非常有效地显示试样表面的微观形貌 二次电子的产额随原子序数的变化不如背散射电子那么明显 不能进行成分分析 吸收电子 入射电子中一部分与试样作用后能量损失殆尽 不能再逸出表面 这部分就是吸收电子 用IA表示 若样品足够厚 透射电子流IT 0 则有IA I0 Ib IS I0 入射电子流 吸收电子信号调制成图像的衬度恰好和背散射电子或二次电子信号调制的图像衬度相反 与背散射电子的衬度互补 入射电子束射入一个多元素样品中时 因二次电子产额与原子序数无关 则背散射电子较多的部位 Z较大 其吸收电子的数量就减少 反之亦然 吸收电子能产生原子序数衬度 可以用来进行定性的微区成分分析 OM TEM和SEM的比较 电子枪的热阴极或场发射阴极发出的电子受阳极电压 1 50kV 加热并形成笔尖状电子束 经过二或三个 电 磁透镜的作用 在样品表面会聚成一个直径可小至10 100 的细束 携带束流量为10 10 10 12A 在末透镜上部的扫描线圈作用下 细电子束在样品表面作光栅状扫描 即从左上方向右上方扫 扫完一行再扫其下相邻的第二行 直到扫完一幅 或帧 如此反复运动 扫描线圈 两组线圈使得电子束沿样品表面做光栅扫描 X directionscanningcoil y directionscanningcoil specimen Objectivelens Holizontallinescan Blanking 电磁透镜 功能 聚焦电子束 束斑 使50um 数nm斑点 一般三级透镜来完成 前二者是强透镜 可把电子束光斑缩小 第三个是弱透镜 具有较长的焦距 习惯于叫物镜 其目的在于使样品和透镜之间留有一定空间以装入各种信号探测器 SEM中束斑越小 即成像系元越小 相应的分辨率就愈高 样品室 功能 放置样品 安装信号探测器 各种信号的收集和相应的探测器的位置有很大关系 样品台本身是复杂而精密的组件 能进行平移 倾斜和转动等运动 新式电镜的样品室是个微型试验室 带有各种附件 可使样品在样品台上加热 冷却和进行机械性能试验 拉伸 疲劳 真空系统 为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作 对镜筒内的真空度有一定的要求 一般为10 4 10 5mmHg 二次电子 背散射电子 探测器 二次电子运动轨迹背散射电子运动轨迹二次电子和背散射电子的运动轨迹 beam e 电子束扫描样品表面与阴极射线扫描CRT屏幕表面同步进行 CRT屏幕上A点的亮度与样品表面A点检测的信号强度成正比 A A Detector Amplifier 10cm 10cm SEM的成像过程 M c x c lengthofCRTscanx lengthofe beamscan SEM的主要性能指标 1 放大倍数可从20倍到20万倍连续调节 2 分辨率影响SEM图像分辨率的主要因素有 扫描电子束斑直径 入射电子束在样品中的扩展效应 操作方式及其所用的调制信号 信号噪音比 杂散磁场 机械振动将引起束斑漂流等 使分辨率下降 3 景深 实际上应该是焦深 SEM 二次电子像 的景深比光学显微镜的大 成像富有立体感 当入射电子束做光栅扫描时 若电子束在样品表面扫过Ls的长度 在荧光屏上阴极射线的同步扫描长度为Lc 则扫描电镜的放大倍数为 放大倍数 由于扫描电镜的荧光屏尺寸是固定的 固放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描面积来实现的 分辨率 分辨率的大小取决于入射电子束的直径 一般小于5nm 电子束直径越小 分辨率越高 但分辨率并不直接等于入射电子束的直径 因为 第一 入射电子束与试样相互作用会使入射电子束在试样内的有效激发范围大大超过入射电子束的有效直径 其次 虽然减小束流大小可以有效减小束斑直径 但信噪比也降低 二次电子的分辨率为5nm左右 若采用六硼化镧电子枪 分辨率可提高到3nm 场发射电子枪 由于场发射电子枪具有亮度高 能量分散少 阴极源尺寸小等优点 这种电镜的分辨率已达到1 3nm 场发射电子枪SEM的另一个优点是可以在低加速电压下进行高分辨率观察 因此可以直接观察绝缘体而不发生充 放电现象 但是 如果考虑到背散射电子成像的干扰 分辨率会下降 背散射电子的分辨率为50 200nm SEM的景深D可以用如下公式表示 式中W为工作距离 样品表面到物镜光栏之间的距离 a为物镜光阑孔径 M为放大倍率 d为电子束直径 可以看出 长工作距离 小物镜光阑 低放大倍率能得到大景深图像 放大倍数景深分辨率OM4x 1000 x15 5 m 0 19 m 0 2 mSEM10 x 200000 x4mm 0 4mm1 10nmSEM不仅有高的放大倍数 大的景深和高的分辨率 同时它可以得到材料的组成及晶体结构的很多信息 与光学显微镜比较SEM的优点 SEM的主要应用 表面物体的表面特性和织构形态分散相粒子的形态和大小组成样品中各种元素的含量晶体结构信息晶体的结构 生长方向 晶粒大小等等 扫描电镜图象及衬度 二次电子像背散射电子像 背散射电子与二次电子的信号强度与Z的关系 二次电子信号在原子序数Z 20后 其信号强度随Z变化很小 用背散射电子像可以观察未腐蚀样品的抛光面元素分布或相分布 并可确定元素定性 定量分析点 因为二次电子信号主要来处样品表层5 10nm的深度范围 它的强度与原子序数没有明确的关系 但对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感 所以二次电子像中的衬度主要是形貌衬度 二次电子像 凸凹不平的样品表面所产生的二次电子 用二次电子探测器很容易全部被收集 所以二次电子图像无阴影效应 二次电子像的亮度由二次电子的产额决定 二次电子的产额与入射电子束与样品表面的夹角有关 K为常数 为入射电子与样品表面法线之间的夹角 角越大 二次电子产额越高 形貌衬度 Bright Dark Growthstep BaTiO3 5 m SEimage 钛酸铋钠粉体的六面体形貌20000 背散射电子像 背散射电子像的形成 就是因为样品表面上平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号 从而形成较亮的区域 而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子 在荧光屏上或照片上就是较暗的区域 这样就形成原子序数衬度 BSEimagefromflatsurfaceofanAl Z 13 andCu Z 29 alloy 形貌衬度与成分衬度的分离 在二次电子像中有背散射电子的影响 在背散射电子像中有二次电子的影响 因此二次电子像的衬度 既与试样表面形貌有关又与试样成分有关 只有利用单纯的背反射电子 才能把两种衬度分开 最近出现一种新型的背散射电子检测器 它是由对称的装在样品上方的一对硅半导体组成 就原子序数角度而论 两个检测器收到的由样品同一点产生的背散射电子信号强度是一样的 而就形貌的角度而论 则是互补的 为消除形貌的影响 采用信号加法 为消除成分的影响 采用信号减法 适用a 试样表面光滑 成分不均匀b 试样表面不光滑 成分均匀c 试样表面不光滑 成分不均匀 对有些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 对于原子序数信息来说 进入左右两个检测器的信号 其大小和极性相同 而对于形貌信息 两个检测器得到的信号绝对值相同 其极性恰恰相反 将检测器得到的信号相加 能得到反映样品原子序数的信息 相减能得到形貌信息 SEM试样及测试条件 a 试样尺寸 最大试样尺寸为 32mm 25mm到102mm 20mm 均匀试样没有必要做得很大 在可能的条件下 试样应尽量小 特别对分析不导电试样时 小试样能改善导电性和导热性能 b 具有较好的电导和热导性能 金属材料一般都有较好的导电和导热性能 而硅酸盐材料和其它非金属材料一般电导和热导都较差 后者在入射电子的轰击下将产生电荷积累 造成电子束不稳定 图像模糊 并经常放电使分析和图像观察无法进行 因此 对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层20nm左右的碳膜 铝膜或金膜等来增加试样表面的导电和导热性能 一般形貌观察时 蒸镀小于10nm厚的金导电膜 成分定性 定量分析 必须蒸镀碳导电膜 c 低加速电压 在以样品形貌为观察对象时 为了提高二次电子与背散射电子或光电子产额的比值 提高信噪比 SEM的工作电压一般低于样品元素特征X射线的激发电压 另外 对于高分子材料 由于它通常是轻元素组成的低密度材料 高能电子对其穿透力远高于金属和陶瓷材料 因此 为了保证扫描电镜的分辨率 加速电压必须低 一般小于5kV X射线探测器的种类和原理X射线能量色散谱方法 EDS energydispersiveX rayspectroscopy X射线波长色散谱方法 WDS wavelengthdispersiveX rayspectroscopy 在分析电子显微镜中均采用探测率高的EDS 从试样产生的X射线通过测角台进入到探测器中 X射线显微分析 EDS工作原理 目前最常用的是Si Li X射线能谱仪 其关键部件是Si Li 检测器 即锂漂移硅固态检测器 它实际上是一个以Li为主杂质的n i p型二极管 锂漂移硅Si Li 探测器 探测器处于真空系统内 其前方有一个7 8微米的铍窗 由于Li原子在室温下很容易扩散 因此探头必须一直保持在液氮温度下 Be窗口可以阻挡背散射电子对探测器的损害 同时保证探测器处于低温真空状态 有利于提高信噪比 定义 是系统进行脉冲处理总共占用的时间 死时间一般用百分比表示 死时间 输入计数率 输出计数率 输入计数率 100 1 死时间 0 时 输入计数率 输出计数率输入输出的关系曲线在线性区 只有在低输入计数率时 一般小于2000cps 输入输出才相等 2 超过2000cps 输出增长速度小于输入增长速度 但还是上升的 一般商品化EDS当死时间达到30