第四章扫描电镜

1、第四章 扫描电子显微分析日立公司日立公司 S-2500 扫描电子显微镜扫描电子显微镜第四章 扫描电子显微分析FEI 公司公司 Quanta 250 FEG 热场发射扫描电子显微镜热场发射扫描电子显微镜4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜1 1扫描电子显微镜的工作原理及特点扫描电子显微镜的工作原理及特点 扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以描成像。试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。是二次电子、背散射电子或吸收电子。 其中二次电子是最主要

2、的成像信号。由电子其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为枪发射的能量为5 53535keVkeV的电子，以其交叉斑作的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。空间顺序作栅网式扫描。 聚焦电子束与试聚焦电子束与试样相互作用，产生二样相互作用，产生二次电子发射（以及其次电子发射（以及其它物理信号），二次它物理信号），二次电子发射量随

3、试样表电子发射量随试样表面形貌而变化。二次面形貌而变化。二次电子信号被探测器收电子信号被探测器收集转换成电讯号，经集转换成电讯号，经视频放大后输入到显视频放大后输入到显像管栅极，调制与入像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二映试样表面形貌的二次电子像。次电子像。 4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电镜具有以下的特点：扫描电镜具有以下的特点： （1 1）可以观察直径为）可以观察直径为0 03030mmmm的大块试样，制样的大块试样，制样方法简单。方法简单。 （2 2）场深大、

4、三百倍于光学显微镜，适用于粗）场深大、三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。感、易于识别和解释。 （3 3）放大倍数变化范围大，普通电镜为）放大倍数变化范围大，普通电镜为1515200200,000,000倍，最大可达倍，最大可达1 11000,0001000,000倍，对于多相、倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。观察分析。 （4 4）具有相当高的分辨率，一般为）具有相当高的分辨率，一般为3 36 6nmnm，最最高可达

5、高可达2 2nmnm。4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜 （5 5）可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的）可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量。如通过质量。如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图像选择像各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。同形式的图像。 （6 6）可进行多种功能的分析。与）可进行多种功能的分析。与X X射线谱仪配接，射线谱仪配接，可在观

6、察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。阴极荧光光谱分析等。 （7 7）可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试）可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜2 2、扫描电镜的主要、扫描电镜的主要结构结构电子光学系统电子光学系统电子枪电子枪聚光镜（聚光镜（第一、第一、 第二聚

7、光镜和物第二聚光镜和物 镜）镜） 物镜光阑物镜光阑4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描系统扫描系统扫描信号发生器扫描信号发生器扫描放大控制器扫描放大控制器扫描偏转线圈扫描偏转线圈4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜信号探测放大系统信号探测放大系统 用闪烁体计数系统探测二次电子、背散射电子等电用闪烁体计数系统探测二次电子、背散射电子等电子信号。闪烁体上加子信号。闪烁体上加1010kVkV高压高压探测二次电子探测二次电子，栅网加，栅网加+250+250V V探测背散射电子，栅网加探测背散射电子，栅网加-

8、50-50V V图象显示和记录系统：显象管、照相机等图象显示和记录系统：显象管、照相机等真空系统：真空度真空系统：真空度1010- -3 31010-8-8PaPa电源系统电源系统3 3、扫描电镜主要指标、扫描电镜主要指标放大倍数放大倍数: : M=L/lM=L/l分辨率：分辨率：3nm3nm，1nm1nm，0.6nm4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜4 4扫描电镜的场深扫描电镜的场深 扫描电镜的场深是指电子束在试样上扫描时，可扫描电镜的场深是指电子束在试样上扫描时，可获得清晰图像的深度范围。当一束微细的电子束照射获得清晰图像的深度范围。当一束微

9、细的电子束照射在表面粗糙的试样上时，由于电子束有一定发散度，在表面粗糙的试样上时，由于电子束有一定发散度，发散半角为发散半角为，除了焦平面处，电子束将展宽，设可除了焦平面处，电子束将展宽，设可获得清晰图像的束斑直径为获得清晰图像的束斑直径为d d，由图中几何关系可得：由图中几何关系可得：MDmmdMdtgdD2 . 0 2 . 0d 则，区分的最小距离时，即能的大小相当于荧光屏上若4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.

10、1扫描电子显微镜扫描电子显微镜1 1、扫描电镜像的衬度、扫描电镜像的衬度 扫描电镜图象的衬度是信号衬度，它可定义为：扫描电镜图象的衬度是信号衬度，它可定义为： 根据形成的依据，扫描电镜的衬度可分为形貌衬根据形成的依据，扫描电镜的衬度可分为形貌衬度、原子序数衬度和电压衬度。度、原子序数衬度和电压衬度。212iiiC4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.14.1扫描电子显微镜扫描电子显微镜形貌衬度形貌衬度 是由于试样表是由于试样表面形貌差异而形成面形貌差异而形成的衬度。利用对试的衬度。利用对试样表面形貌变化敏样表面形貌变化敏感的物理信号如二感的物理信号如二次电子、背散射电次电子、背散射电子

11、等作为显象管的子等作为显象管的调制信号，可以得调制信号，可以得到形貌衬度像。二到形貌衬度像。二次电子像的衬度是次电子像的衬度是最典型的形貌衬度。最典型的形貌衬度。原子序数衬度原子序数衬度 原子序数衬度是由原子序数衬度是由于试样表面物质原子序于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别数（或化学成分）差别而形成的衬度。利用对而形成的衬度。利用对试样表面原子序数（或试样表面原子序数（或化学成分）变化敏感的化学成分）变化敏感的物理信号作为显像管的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到原调制信号，可以得到原子序数衬度图像。背散子序数衬度图像。背散射电子像、吸收电子像射电子像、吸收电子像的衬度，都包含有原子

12、的衬度，都包含有原子序数衬度，而特征序数衬度，而特征X X射线射线像的衬度是原子序数衬像的衬度是原子序数衬度。度。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度电压衬度电压衬度 电压衬度是由于试样表面电位差别而形成的衬电压衬度是由于试样表面电位差别而形成的衬度。利用对试样表面电位状态敏感的信号，如二次度。利用对试样表面电位状态敏感的信号，如二次电子，作为显像管的调制信号，可得到电压衬度像。电子，作为显像管的调制信号，可得到电压衬度像。2 2、背散射电子像、背散射电子像 背散射电子背散射电子是由样品反射出来的初次电子，其是由样品反射出来的初次

13、电子，其主要特点是：主要特点是：能量很高，有相当部分接近入射电子能量能量很高，有相当部分接近入射电子能量E E0 0，在试在试样中产生的范围大，像的分辨率低。样中产生的范围大，像的分辨率低。背散射电子发射系数背散射电子发射系数=I=IB B/I/I0 0随原子序数增大而增随原子序数增大而增大（图大（图2-752-75）。）。作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大（图化不大（图2-752-75）。）。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分

14、析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度当试样表面倾角增大时，作用体积改当试样表面倾角增大时，作用体积改变，且显著增加发射系数。变，且显著增加发射系数。背散射电子在试样上方有一定的角分背散射电子在试样上方有一定的角分布。垂直入射时为余弦分布：布。垂直入射时为余弦分布： ()=()=0 0coscos 当试样表面倾角增大时，由于电子当试样表面倾角增大时，由于电子有向前散射的倾向，峰值前移。因有向前散射的倾向，峰值前移。因此电子探测器必须放在适当的位置此电子探测器必须放在适当的位置才能探测到较高强度的电子信号。才能探测到较高强度的电子信号。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微

15、分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度 从上述的背散射电子特点可知，背散射电子从上述的背散射电子特点可知，背散射电子发射系数和试样表面倾角以及试样的原子序数二发射系数和试样表面倾角以及试样的原子序数二者有关，背散射电子信号中包含了试样表面形貌者有关，背散射电子信号中包含了试样表面形貌和原子序数信息，像的衬度既有形貌衬度，也有和原子序数信息，像的衬度既有形貌衬度，也有原子序数衬度，因此，可利用背散射电子像来研原子序数衬度，因此，可利用背散射电子像来研究样品表面形貌和成分分布。究样品表面形貌和成分分布。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及

16、其衬度扫描电镜图象及其衬度 背散射电子能量大，运动方向基本上不受弱电场背散射电子能量大，运动方向基本上不受弱电场的影响，沿直线前进。在用单个电子探测器探测时，的影响，沿直线前进。在用单个电子探测器探测时，只能探测到面向探测器的表面发射的背散射电子，如只能探测到面向探测器的表面发射的背散射电子，如图图2 27878a a，所成的像具有较重的阴影效应，使表面形所成的像具有较重的阴影效应，使表面形貌不能得到充分显示（图貌不能得到充分显示（图2 27979）。）。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度 加之背散射电子加之背散射电子像分辨率低

17、，因此一像分辨率低，因此一般不用它来观察表面般不用它来观察表面形貌，而主要用来初形貌，而主要用来初步判断试样表面不同步判断试样表面不同原子序数成分的分布原子序数成分的分布状况。状况。 采用背散射电子采用背散射电子信号分离观察的方法，信号分离观察的方法，可分别得到只反映表可分别得到只反映表面形貌的形貌像和只面形貌的形貌像和只反映成分分布状况的反映成分分布状况的成分像。如图成分像。如图2-802-80所所示。示。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜

18、图象及其衬度3 3、二次电子二次电子像像 二次电子是被入射电子轰出的试样原子的核外电二次电子是被入射电子轰出的试样原子的核外电子，其主要特点是：子，其主要特点是： （l l）能量小于能量小于5050eVeV，主要反映试样表面主要反映试样表面1010nmnm层内层内的状态，成像分辨率高。的状态，成像分辨率高。 （2 2）二次电子发射系数与入射束的能量有关。随）二次电子发射系数与入射束的能量有关。随着入射束能量增加，二次电子发射系数减小，见表着入射束能量增加，二次电子发射系数减小，见表2 26 6。 （3 3） 二次电子发射系数和试样表面倾角有如下二次电子发射系数和试样表面倾角有如下关系：关系：

19、()=()=0 0/cos /cos （4 4）二次电子在试样上方的角分布也服从余弦分二次电子在试样上方的角分布也服从余弦分布，但与背散射电子不同的是二次电子在试样倾斜时布，但与背散射电子不同的是二次电子在试样倾斜时仍为余弦分布，见图仍为余弦分布，见图2-832-83。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度表表2-6 2-6 二次电子发射系数二次电子发射系数能量能量 元素元素1010keVkeV3030keVkeV5050keVkeV铝铝0.400.400.100.100.050.05金金0.700.700.200.200.100.

20、104. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度 根据二次电子的上述特点，二次电子像主要反根据二次电子的上述特点，二次电子像主要反映试样表面的形貌特征。像的衬度是形貌衬度，衬映试样表面的形貌特征。像的衬度是形貌衬度，衬度形成主要决定于试样表面相对于入射电子束的倾度形成主要决定于试样表面相对于入射电子束的倾角。试样表面光滑平整（无形貌特征），倾斜放置角。试样表面光滑平整（无形貌特征），倾斜放置时的二次电子发射电流比水平放置时大时的二次电子发射电流比水平放置时大，但仅增加但仅增加像的亮度而不形成衬度；像的亮度而不形成衬度； 而对于表面有一定形

21、貌的试样（图而对于表面有一定形貌的试样（图2 28484），其），其形貌可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台形貌可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数也不同，从而产生衬度。次电子数也不同，从而产生衬度。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度 由于二次电子能量小，用闪烁体探测器探测时，由于二次电子能量小，用闪烁体探测器探测时，只

22、要在收集极上加只要在收集极上加250250V V正电压，即可把二次电子吸引正电压，即可把二次电子吸引过来，见图过来，见图2 27878b b，所以二次电子像没有明显的阴影所以二次电子像没有明显的阴影效应。效应。 从图中可以看出，当探测器置于试样上方时，探从图中可以看出，当探测器置于试样上方时，探测器也能接收一部分背散射电子，在这种情况下，二测器也能接收一部分背散射电子，在这种情况下，二次电子像中也包含一部分背散射电子信息。次电子像中也包含一部分背散射电子信息。 图图2 28585为与图为与图2 27979同一区域的二次电子像。二同一区域的二次电子像。二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、

23、立体次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，是扫描电镜的主要成像方式，它特别适用于粗感强，是扫描电镜的主要成像方式，它特别适用于粗糙表面及断口的糙表面及断口的形貌观察形貌观察，在材料科学中得到广泛的，在材料科学中得到广泛的应用。应用。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度钻石水泥水化水泥水化过滤材料 4吸收电子像吸收电子像 当电子束照射在试样上时，如果不存在试样表当电子束照射在试样上时，如果不存在试样表面的电荷积累，则进入试样的电流应等于离开试样面的电荷积累，则进入试样的电流应等于离开试样的电流。进入试样的电流为入射电子

24、电流的电流。进入试样的电流为入射电子电流I I0 0，离开试离开试样的电流为背散射电子电流样的电流为背散射电子电流I IB B，二次电子电流二次电子电流I IS S，透透射电子电流射电子电流I IT T，和吸收电子电流（吸收电流或称试样和吸收电子电流（吸收电流或称试样电流）电流）I IA A（式式2 23535）。对于厚试样，）。对于厚试样，I IT T0 0，则有：则有： I I0 0= I= IB B + I+ IS S + I+ IA A 在相同条件下，背散射电子发射系数在相同条件下，背散射电子发射系数比二次比二次电子发射系数电子发射系数大得多，现假设二次电子电流大得多，现假设二次电子电

25、流I I0 0C C为一常数，则吸收电流与背散射电子电流存在互补为一常数，则吸收电流与背散射电子电流存在互补关系，即：关系，即： I IA A = = （I I0 0 ）I IB B。因此可以说吸因此可以说吸收电子和背散射电子反映试样相同的信息。收电子和背散射电子反映试样相同的信息。4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度4. 4. 扫描电子显微分析扫描电子显微分析4.2 4.2 扫描电镜图象及其衬度扫描电镜图象及其衬度4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.3 4.3 扫描电镜试样制备扫描电镜试样制备 1 1对试样的要求对试样

26、的要求 试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳定，含有水分的试样应先烘干除去水分。表面受稳定，含有水分的试样应先烘干除去水分。表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。进行适当清洗，然后烘干。 新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口或表面的结构状态。有些试样的表面、以免破坏断口或表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵蚀，才能暴露某些结构细节，断口需要进行适当的侵蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵蚀后应将表面或断

27、口清洗干净，然后烘干。则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘干。 对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。到磁场的影响。 2 2块状试样块状试样 扫描电镜的试样制备是比较简便的。对于块状导扫描电镜的试样制备是比较简便的。对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需要进行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座不需要进行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或上，即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性较差的材料，要先进行镀膜处理，在

28、材料表面导电性较差的材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜。以避免电荷积累，影响图象质量。形成一层导电膜。以避免电荷积累，影响图象质量。并可防止试样的热损伤。并可防止试样的热损伤。 试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，不能过试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，不能过大，样品座尺寸各仪器不均相同，一般小的样品座为大，样品座尺寸各仪器不均相同，一般小的样品座为335mm5mm，大的样品座为大的样品座为303050mm50mm，以分别用来放以分别用来放置不同大小的试样，样品的高度也有一定的限制，一置不同大小的试样，样品的高度也有一定的限制，一般在般在 5 51010mmmm左右。左右。4 4、扫描电子显微分析、扫描电子显微分析4.3 4