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扫描电镜及其附属部件相关知识 燕山大学 主要内容 扫描电镜相关知识能谱仪相关知识电子背散射衍射相关知识 扫描电子显微镜 scanningelectronmicroscope 简称扫描电镜 SEM 是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜 目前 扫描电镜已经在多个领域得到了应用 尤其在材料研究领域 扫描电镜已经成为了应用最为广泛的设备之一 这就要求我们对扫描电镜要进行细致深入的了解 1 扫描电镜相关知识 材料与电子的相互作用 TEM信号源 SEM信号源 EDS或WDS信号源 扫描电子显微镜的构造 现代扫描电镜结构示意图 Hitachi冷场发射扫描电镜 FEI热场发射扫描电镜 Hitachi钨灯丝扫描电镜 KYKY钨灯丝扫描电镜 扫描电子显微镜的特点 扫描电子显微镜具有如下特点 1 分辨率高高端的场发射扫描电镜分辨率目前已经可以达到或优于1nm 2 放大倍率范围宽放大倍率可从几倍到几十万倍 例如日立S4800冷场发射扫描电镜的放大倍率可从20 800 000倍 3 三维立体效果好 伪彩让微观世界色彩斑斓 4 样品制备相对简单 随着可变压力扫描电镜 VPSEM 和环境扫描电镜 ESEM 的发展 使一些常规的扫描电镜难以观察或难以获得较好图像的样品 如含水的动植物或绝缘体均可直接观察 大大拓宽了扫描电镜的应用范围 XL30环境扫描电镜 Samplemountingisnoproblem 5 可加装多种附件 综合分析能力强 SEM EDS EBSD 拉伸台 扫描电镜样品种类繁多 特性各异 为满足电镜的常规观察 样品应该具备以下条件 1 导电性好 样品在电子束反复扫描下表面电位不会升高 避免荷电效应 2 热稳定性好 不会在电子束照射下发生 热漂移 热损伤 热分解 现象 应该尽量减少或避免这些影响 3 二次电子和背散射电子产率高 这两类信号电子的产率对于获得高质量图像是必要的 不符合上述条件的样品经过适当处理和制备后 也可以满足观察和分析要求 扫描电镜样品的基本要求 一 取样 现在电镜对样品尺寸没有太多限制 仅受样品台容量和承重的约束 对于一般小样品台的样品安装 块状样品需要切割 为了获得某些特定尺寸或形状的样品可以使用切割机或慢速锯 其刀具为碳化硅或金刚石 只要是质地坚硬的材料均适用 样品切割机 扫描电镜样品的制备 样品取样处理方法 金属样品 手锯或线切割切割 陶瓷 半导体 矿物 水泥 砂轮切割机切割或敲碎 选平整的碎片观察 软材料 如橡胶 塑料 纤维 纸板 剪下或快刀切割 二 清洁 样品表面经常附有灰尘 硅酸盐或油污 尤其是线切割或敲碎的样品 粘有大量污染物和碎片 不宜直接观察 常用的清洁样品的方法如下 1 使用洗耳球或者气枪进行吹拂 2 超声清洗 将样品放入盛有适量的无水酒精和丙酮的容器 进行超声清洗 若超声过程中溶液仍混浊 更换溶液后继续清洗 直至样品洗净 洗耳球 气枪 超声波清洗器 3 去除污染物 金属的陈旧断口表面多有锈迹或污染物 可利用蘸有丙酮的AC纸 醋酸纤维素膜 紧压表面 干透后将AC纸剥下 污染物被剥离 有时需重复数次 然后将样品放入丙酮中超声清洗 溶掉表面的AC纸 露出断口 铁质样品清洁后若不能及时观察 可放入无水酒精中密封保存或者放入真空手套箱中保存 电火花切割断口试样时 可以使用保鲜膜将断口保护起来 避免断口粘上污染物 三 样品的安放 1 块状样品的安放 块状样品可分为导电和非导电样品两类 可根据化学成分判断导电性或使用万用电表的欧姆档检测是否导电 一些半导体样品可按照导电样品处理 两类样品安装方法略有不同 1 导电样品 使用双面导电胶 碳或铜 将样品直接粘在样品台上 粘贴时确保样品底面与胶面贴实 样品底面不平时 可提前用砂轮或砂纸将底面打平 一些特殊形状的样品 可使用专用样品台进行样品的夹持和固定 2 不导电样品 按上述方法用普通双面胶带粘牢 如样品较高 可在样品表面粘一条胶带与金属样品台连通 使镀膜后形成样品表面与样品台之间的导电通路 下表面不规则的样品安装要用导电胶液封接 如导电银胶 保持样品稳定和形成导电通道 导电银胶 万用电表 双面导电碳胶 专用样品台 2 粉末样品的制备 粉末或颗粒状样品 制备时应保证粉料与样品台粘牢 否则易污染电镜 制备过程中应该使样品尽量分散 常用的制备方法有两种 干法和湿法 1 干法 该方法适宜于安装微米尺寸的大颗粒 制备时可归纳为 撒 刮 吹 三项 可用牙签或小勺挑取少量的样品撒在双面胶带上 用手指轻弹样品台四周 使粉末向四周移动 铺平一层 侧置样品台 把多余的粉末抖掉 再用牙签轻刮颗粒面 并轻压使其与胶面贴实 第三步用洗耳球或气枪从不同方向吹拂 这样样品就能牢固均匀地粘在胶面上 2 湿法 湿法适用于亚微米或纳米粉料 此类粉料的分散常用超声分散法 把粉料放入酒精中超声分散 然后用吸管取出 滴在透射电镜用的铜网支持膜上 有的样品分散时不能使用酒精 可用蒸馏水加合适的分散剂进行分散 铜网支持膜 四 截面样品的制备 为研究样品的内部结构 测定镀层厚度 元素扩散 填料是否均匀等 这时候就需要观察样品的截面 将断口面朝上安装 在电镜中成像 截面制备方法分为两类 直接断口和抛光截面 1 直接断口 当样品为厚度不大的脆性薄片时 例如氧化铝 硅片 陶瓷等可以将其掰断或打断 注意保持原始断口面清洁 垂直安装在样品台上直接观察 对于高分子材料可以冲断或冷冻断裂获得断口 例如塑料和橡胶制品 将样品制成长30mm 宽10mm的样品条 厚度不超过4mm 在长边的中间部位对切两个小切口 放入液氮深冷约10min后用尖嘴钳夹住两端掰断 断裂时钳子和样品均要浸在液氮中进行 如用力均匀 样品条将沿缺口断开 然后将样品截断 安装在样品台上 对于一些形状特殊或比较小的样品可使用专用的截面样品台 2 抛光截面 一些样品需要观察金相组织 表面强化层结构 镀层质量与厚度测量 印制电路板的缺陷 粉料几何形状 成分检测等 必须把样品断口表面抛光 为此要把样品断口夹持后进行研磨抛光 样品的处理方法主要为以下两种 1 树脂镶嵌 可根据样品的特性及具体的情况 选择酚醛树脂热镶 或者是环氧树脂 亚克力树脂进行冷镶嵌 试样热镶嵌机 酚醛树脂热镶试样 亚克力树脂冷镶试样 2 金属夹板法 适用于形状规则的样品 如方形 长形或板材 利用两块金属夹板将样品夹持 用螺栓固定住 即可进行研磨抛光 此法的特点是样品边缘不会研磨出倒角 这对于评价镀层或强化层质量很重要 下图为金属夹板示意图 可用两块3mm厚的钢板 锯成40mm长 15mm宽 两端对称部位安装两个直径5mm螺栓 薄样品可以同时夹持几块 在样品之间用薄铜片隔开 对于塑料等软性材料不能使用此方法 金属夹板法 五 镀膜 非导电样品绝缘电阻大 在电子束扫描下 样品表面逐渐积累负电荷 排斥入射电子 二次电子发射不稳定 并随机偏转二次电子 造成图像晃动 亮度突变 出现无规则的明暗条纹 也就是所谓的 荷电效应 通常在样品表面镀一层导电膜可以提高样品的导电性 表面的负电荷通过导电膜释放入地 消除荷电 电荷释放的前提是膜层必须与金属样品台相连接 形成导电通道 此外连续的导电膜也可以提高样品的导热性 减小热损伤 目前常用的镀膜技术为真空蒸发和离子溅射 常用的镀膜材料有C Al Cr Au Pt Au Pd合金 金膜二次电子产率高 覆盖性好 镀膜容易 是最常用的材料 但颗粒较大 适用于中低范围的分辨率 两万倍以下的图像 Pt和Au Pd合金膜的颗粒要细得多 适用于高分辨率图像 使用场发射电镜对膜层要求更高 至少要在20万倍下膜层不能显现结构 高真空镀Cr可以满足要求 C膜均匀性好 导电导热效率高 又是最经济的材料 只是二次电子产率低 不适合高倍图像 扫描电子显微镜的应用 扫描电子显微镜的主要应用范围如下 1 金属 陶瓷 高分子 矿物 水泥 半导体 纸张 化工产品的显微形貌观察以及材料的晶体结构 相组织分析 2 各种材料微区化学成分的定性定量检测 3 粉末 微粒 纳米样品形态观察和粒度测定 4 机械零件与工业产品的失效分析 5 镀层厚度 成分与质量测定 6 刑侦案件物证分析与鉴定 7 生物 医学和农业等领域 宣纸的表面形貌 其它学科中扫描电镜的应用举例 草叶表面形貌 手机用陀螺仪形貌 微电路扫描电镜观察 雪花 冷台 昆虫 昆虫复眼 人头发表面形貌 人血细胞 白细胞 红细胞 血小板 高速钢中的碳化物组织 扫描电镜在材料科学中的应用 1 材料组织或表面形貌观察 氧化铝陶瓷表面形貌 高分子心血管支架 人造金刚石形貌 铝合金组织深腐蚀形貌 摩擦磨损形貌 2 材料断口分析及失效分析 钢铁沿晶断口 钢铁疲劳断口 解理断口 韧窝 汽车排气系统不锈钢管材的焊缝疲劳实验的断口照片 断裂在母材上 不在焊缝 分析 汽车尾气中含有有害元素 晶界偏聚低熔点元素 PbAsSnSb 弱化晶界 可能沿晶断裂 再有可能是晶间腐蚀和高温疲劳 铝合金车轮毂拉伸断口 断口缺陷处局部放大 3 纳米材料的表征 纳米氧化锌阵列 银纳米线 石墨烯的介孔结构 石墨烯层片状结构 4 晶粒大小及颗粒粒度等尺寸统计 钢铁马氏体组织 氧化铝颗粒 5 相鉴别 背散射电子产额 原子序数 样品倾角 利用背散射电子不仅可观察形貌像 还可定性分析成分组成及各组分的分布 结合EDS可对样品中复杂夹杂物的形状 组成 分布等进行精细研究 二次电子像及其对应的背反射电子像 SE BSE 背散射成分像对多组分相的区分 2 能谱仪相关知识 能谱仪 EDS EnergyDispersiveSpectrometer 是用来对材料微区成分进行分析 配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜以及扫描透射电子显微镜使用的一种仪器 能谱仪诞生于20世纪70年代初 由于其结构简单 使用方便 检测速度快 与电镜和其他附件配合可实现多种综合分析 因此得到了广泛应用 使用Si Li 探测器液氮制冷的能谱仪 使用硅漂移 SDD 探测器电制冷的能谱仪 能谱仪的主要类型 能谱仪的几种工作模式 1 点分析 电子束固定在试样感兴趣的点上 进行定性或定量分析 该方法准确度高 用于显微结构的成份分析 对低含量元素定量的试样 只能用点分析 2 线扫描 电子束沿一条分析线进行扫描时 能获得元素含量变化的线分布曲线 结果和试样形貌像对照分析能直观地获得元素在不同相或区域内的分布 3 元素面分布 elementalmapping 电子束在试样表面扫描时 元素在试样表面的分布能在屏幕上以亮度 或彩色 分布显示出来 亮度越亮说明元素含量越高 研究材料中杂质 相的分布和元素偏析常用此方法 Fe Si Al Mg O 陨石元素面分布 点 线 面分析方法用途不同 检测的灵敏度也不同 定点分析灵敏度最高 面扫描分析灵敏度最低 但观察元素分布最直观 线分析适合界面 镀层等样品的元素分析 实际操作中要根据试样特点及分析目的合理选择分析方法 EDS分析方法的特点 为了保证准确的定量结果 样品应满足如下条件 1 在真空和电子束轰击下稳定 样品组分不会蒸发或分解 2 分析面平坦 与电子束垂直 3 样品上被检区域尺寸应大于X射线扩散范围 减少基体的影响 4 有良好的导电和导热性能 没有荷电现象 分析部位稳定 5 样品为均质材料 无污染 EDS分析对样品的要求 EDS分析中不导电样品的问题 荷电对定量结果的影响 荷电使有效加速电压降低 使X射线过压比减小 影响了X射线的最佳发射条件 加速电压降低 X射线强度也降低 EDS标定的加速电压在定量分析校正时 用于计算X射线激发体积 基体校正等 加速电压不正确影响定量结果 荷电使入射到试样内的电子数减少 从而降低了特征X射线强度 不导电样品需蒸镀碳导电膜 碳为轻元素 对电子的阻止本领 背反射能力小 对所分析元素的X射线吸收小 镀层厚度应控制在20nm左右 能谱仪探测器的元素检测范围 超薄高分子窗口探测器的检测范围为5B 92U 能谱仪的最低检测限 CDL 对于低于Na以下的轻元素 定量 均不能准确检测 而对于中等原子序数的元素 在最佳工作条件下 CDL约为1000ppm 相当于最低检测浓度为0 1 一般来说检测限为0 1 0 5 能谱仪你应该知道的那些事 在分析过程中 要注意对易重叠峰的区分 以及对和峰的判别 要根据试样的实际情况加以综合分析判断 3 电子背散射衍射相关知识 20世纪90年代以来 装配在SEM上的电子背散射花样 晶体微区取向和晶体结构的分析技术取得了较大的发展 并已在材料微观组织结构及微织构表征中广泛应用 该技术称为电子背散射衍射 ElectronBackscatteredDiffraction 简称EBSD 等 EBSD的主要特点是在保留扫描电子显微镜的常规特点的同时进行空间分辨率亚微米级的衍射 EBSD改变了以往织构分析的方法 并形成了全新的科学领域 称为 显微织构 将显微组织和晶体学分析相结合 目前 EBSD技术已经能够实现全自动采集微区取向信息 样品制备相对简单 数据采集速度快 分辨率高 为快速定量统计研究材料的微观组织结构和织构奠定了基础 已成为材料研究中一种有效的分析手段 EBSD技术的应用领域集中于多种多晶体材料 金属和合金 陶瓷 半导体 超导体 矿石 以研究各种现象 如热机械处理过程 塑性变形过程 与取向关系有关的性能 成型性 磁性等 界面性能 腐蚀 裂纹 热裂等 相鉴定等 注 EBSD技术只能用来研究晶体材料 EBSD样品的基本要求 样品能产生计算机可以识别且能正确标定的菊池衍射花样 据此对样品的要求为 表面平整 无较大的应变 无氧化层 无污染层 样品的制备方法 金属样品 电解抛光 TEM薄膜陶瓷样品 机械抛光金属基复合材料 离子束刻蚀实验需要的样品信息 样品中各相的物相以及