第三章-扫描电子显微镜

第1篇组织形貌分析 第三章扫描电子显微镜 1 简称扫描电镜 它不用透镜放大成像 而是以类似电视的成像方式 用聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像 第三章扫描电子显微镜 SEM 2 3 第三章扫描电子显微镜 SEM 1 扫描电镜的优点2 电子束与固体样品作用时产生的信号 重点 3 扫描电镜的工作原理 重点 4 扫描电镜的构造5 扫描电镜衬度像 重点 8 应用举例6 扫描电镜的主要性能9 SEM重点内容回顾7 样品制备10 SEM演示录像 4 1 扫描电镜的优点 分辨率高 入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨率的极限 场发射电子枪的应用可得到精确聚焦的电子束 现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1nm左右 放大倍数高 20 20万倍之间连续可调 景深大 视野大 成像富有立体感 可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构 比光学显微镜大几百倍 试样制备简单 配有X射线能谱仪装置 这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析 5 光学显微镜VS扫描电镜 多孔硅的光学显微镜图像 多孔硅的扫描电镜图像 多孔硅 可见光发光材料 6 2 电子束与固体样品作用时产生的信号 重点 2 1弹性散射和非弹性散射 2 2电子显微镜常用的信号 2 3各种信号的深度和区域大小 7 2 1弹性散射和非弹性散射 一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时 由于晶格位场和原子库仑场的作用 其入射方向会发生改变的现象称为散射 弹性散射 散射过程中入射电子只改变方向 其总动能基本上无变化 弹性散射的电子符合布拉格定律 携带有晶体结构 对称性 取向和样品厚度等信息 在电子显微镜中用于分析材料的结构 非弹性散射 散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变 在非弹性散射情况下 入射电子会损失一部分能量 并伴有各种信息的产生 非弹性散射电子 损失了部分能量 方向也有微小变化 用于电子能量损失谱 提供成分和化学信息 8 2 2SEM中的三种主要信号 二次电子 被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子 内层电子或价电子 反映样品表面的形貌特征 分辨率高 背散射电子 被固体样品原子反射回来的一部分入射电子 包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子 形貌特征及定性成分分析 特征X射线 入射电子激发原子内层电子后 外层电子跃迁至内层时发出的光子 定量成分分析 9 三种主要信号的产生过程 10 其他信号 俄歇电子 入射电子在样品原子激发内层电子后 外层电子跃迁至内层时 多余能量转移给外层电子 使外层电子挣脱原子核的束缚 成为俄歇电子 详细的介绍见本书第三篇第十三章俄歇电子能谱部分 透射电子 电子穿透样品的部分 用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像 以揭示样品内部微观结构的形貌及物相特征 详细的介绍见本书第二篇第九章电子衍射和显微技术部分 11 2 3各种信号的深度和区域大小 入射电子束受到样品原子的散射作用 偏离原来方向 向外发散 随着电子束进入样品深度的不断增加 入射电子的分布范围不断增大 动能不断降低 直至动能降为零 最终形成一个规则的作用区域 对于轻元素样品 电子束散射区域的外形 梨形作用体积 重元素样品 半球形作用体积 梨形作用体积 12 2 3各种信号的深度和区域大小 改变电子能量只引起作用体积大小的变化 而不会显著的改变形状 电子束能量与作用体积的关系 13 有效作用区 可以产生信号的区域 电子有效作用深度 有效作用区的最深处 有效作用区内的信号并不一定都能逸出材料表面 成为有效的可供采集的信号 随着信号的有效作用深度增加 作用区范围增加 信号产生的空间范围也增加 信号的空间分辨率降低 2 3各种信号的深度和区域大小 5 10nm SEM的分辨率指的是二次电子的分辨率 14 3 1扫描电镜的工作原理 重点 光栅扫描 入射电子束在样品表面上作光栅式逐行扫描 同时 控制电子束的扫描线圈上的电流与荧光屏相应偏转线圈上的电流同步 每一个物点均对应一个像点 逐点成像 电子束所到之处 每个物点都会产生相应的信号 如二次电子等 信号被接收放大后用来调制像点的亮度 信号越强 像点越亮 这样 就在荧光屏上得到与样品上扫描区域相对应但经过高倍放大的图像 客观地反映样品上的形貌 或成分 信息 光栅扫描 逐点成像 15 3 2扫描电镜图像的放大倍数 扫描电镜图像的放大倍数定义为显像管中电子束在荧光屏上的扫描振幅和电子光学系统中电子束在样品上扫描振幅的比值 即 式中 M 放大倍数 L 显像管的荧光屏尺寸 l 电子束在试样上扫描距离 M L l 16 4 扫描电子显微镜的构造 电子光学系统信号收集及显示系统真空系统和电源系统 17 4 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 用来获得扫描电子束 作为信号的激发源 扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径 主要由电子枪决定 18 电子枪发展三个阶段 200 m 热阴极电子枪 场发射电子枪 钨灯丝 六硼化镧灯丝 3 5kV 几十 几百kV 电子束直径 10nm 电子束亮度较低 束斑尺寸较大 19 4 2信号收集及显示系统 检测样品在入射电子作用下产生的物理信号 经视频放大作为显像系统的调制信号 二次电子 背散射电子通常采用闪烁计数器 由法拉第网杯 闪烁体 光导管和光电倍增器组成 末级透镜 背散射电子探头 法拉第网杯 200 500V 闪烁体 光导管 光电倍增器 20 三种信号的探测器 21 4 3真空系统和电源系统 真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作 防止样品污染提供高的真空度 一般情况下要求保持10 4 10 5Torr 10 2 10 3Pa 的真空度 电源系统由稳压 稳流及相应的安全保护电路所组成 其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源 22 5 扫描电镜衬度像 重点 扫描电镜衬度的形成 主要是利用样品表面微区特征 如形貌 原子序数或化学成分 晶体结构或位向等 的差异 二次电子像 分辨率高 立体感强背散射电子像 粗略反映轻重不同元素的分布 23 提供表面形貌衬度 二次电子来自试样表面层 发射率受表面形貌影响大 二次电子产额 发射率 与入射电子束与试样表面法向夹角 有关 1 cos 因此 试样表面凹凸不平的部位产生的二次电子信号强度比在其他平坦部分产生的信号强度大 从而形成表面形貌衬度 5 1二次电子像 入射电子束 产率 24 陶瓷烧结体的表面图像 多孔硅的剖面图 5 1二次电子像 25 5 2背散射电子像 形貌衬度样品表面形貌影响背散射电子的产率 但其分辨率远比二次电子低 背反射电子时来自一个较大的作用体积 此外 背反射电子能量较高 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 而掩盖了许多有用的细节 成分衬度 反映样品微区的原子序数或化学成分的差异 背散射电子大部分是受原子核反射回来的入射电子 发射系数 随原子序数 Z 的增大而增加 样品中重元素区域在图像上较亮 而轻元素在图像上较暗 背散射电子既可以用来显示形貌衬度 也可以用来显示成分衬度 26 背散射电子像与二次电子像的比较 锡铅镀层的表面图像 a 二次电子图像 b 背散射电子图像 a b 27 信号接收器由两块独立的检测器组成 对于原子序数信息来说 进入左右两个检测器的电信号 其大小和极性相同 而对于形貌信息 两个检测器得到的电信号绝对值相同 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 5 3背散射电子像的获得 28 背散射电子探头采集的成分像 a 和形貌像 b a b 背散射电子像 29 6 扫描电子显微镜的主要性能 分辨率放大倍数景深 30 6 1分辨率 扫描电镜分辨率的极限 入射电子束束斑直径 入射电子束在样品中的扩展效应 提高电子束能量在一定条件下对提高分辨率不利 成像方式及所用的调制信号 二次电子像的分辨率约等于束斑直径 几个nm 背反射电子像的分辨率约为50 200nm X射线的深度和广度都远较背反射电子的发射范围大 所以X射线图像的分辨率远低于二次电子像和背反射电子像 对形貌观察而言 指能分辨两点之间的最小距离 对微区成分分析而言 它是指能分析的最小区域 31 6 2放大倍数 荧光屏上图像边长与电子束在样品上扫描振幅的比值 目前大多数商用扫描电镜放大倍数为20 20 000倍 32 6 3景深 景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围 扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100 500倍 比透射电镜的景深大10倍 d0 临界分辨本领 电子束的入射半角 电子束入射半角的影响 工作距离的影响 33 7 样品制备 样品制备方法简单 对于导电性好的金属和陶瓷等块状样品 只需将它们切割成大小合适的尺寸 用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察 对于非导电样品 在电子束作用下会产生电荷堆积 影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹 使图像质量下降 这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理 通常采用金 银或碳膜做导电层 膜厚在20nm左右 扫描电镜制样技术中通常采用离子溅射镀膜法和真空蒸发 34 离子溅射镀膜仪 100V 1000V SputteringMachine 35 8 扫描电镜应用实例 8 1断口形貌分析8 2纳米材料形貌分析 36 8 1断口形貌分析 塑性断裂 脆性断裂 塑性和脆性断裂同时存在 1018号钢在不同温度下的断口形貌 微空洞和夹杂物 解理面 37 8 1断口形貌分析 D Ferrer Balasetal Polymer43 3083 3091 2002 共聚聚丙烯 H0 乙烯 聚丙烯嵌段共聚物 C1 C3 薄膜在不同温度下的断口形貌 38 8 2纳米材料形貌分析 低倍像 高倍像 多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌 39 8 2纳米材料形貌分析 ZnO纳米线的二次电子图像 40 8 2纳米材料形貌分析 水中 甲苯中 J Cuietal J ColloidInterfaceSci 326 267 274 2008 有机低分子凝胶因子在不同溶剂中的自组装形貌 41 8 2纳米材料形貌分析 S Al Malaikaetal Polymer46 209 228 2005 PET EPR80 20w w PET EPR60 40w w 聚对苯二甲酸乙二酯 PE