扫描电镜和能谱仪课件

1、I、扫描电镜扫描电镜图片展示：一.基本概念介绍1.场发射（field emission）：是指强电场作用下电子从阴极表面释放出来的现象,是一种实现大功率高密度电子流的方法。1) 冷场发射式(cold field emission, FE)2) 热场发射式(thermal field emission, TF)3) 萧基发射式(Schottky emission, SE)三种电子枪的性能比较1.冷场发射式电子枪: 最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像解析度最优。能量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需

2、在10-10 torr（1 Pa7.5006103 Torr）的真空度下操作，还需定时短暂加热针尖至2500K(此过程叫做flashing)，以去除所吸附的气体原子。 2.热场发射式电子枪: 在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大35倍，影像解析度较差，通常较不常使用。3.萧基发射式电子枪：操作温度为1800K，它系在钨(100)单晶上镀ZrO2覆盖层，所需真空度约10-810-9 torr。其发射电流稳定

3、度佳，而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小，仅稍逊于冷场发射式电子枪。其电子源直径比冷式大，所以影像解析度也比冷场发射式稍差一点。灯丝寿命短（6000h）。冷场电镜和普通钨灯丝电镜电子枪比较钨灯丝FE Tip钨灯丝电镜和场发射的区别W灯丝FE Tip更有益于高分辩FE Tip冷场的日常保养Flashing的作用就是Reflash灯丝表面去除灯丝表面的吸附的气体分子Flashing发射束流時間Flashing之后稳定期间的Ie变化Ion冲击 冷场的稳定时期FE Tip 先端FE Tip 先端FE Tip 先端Flashing需要稳定时间约为48h 2. 分辨率电子显微镜分辨率是指SEM图像

4、可以确认的两个最近物点之间的距离試 料加速電圧倍 率分辨率: 喷金颗粒: 30kV: 800kX:0.4nmS-5500試 料加速電圧倍 率分辨率: 喷金颗粒: 15kV: 220kX:1.0nmS-4800100nm以45英寸为基准的倍率3. 放大倍数二、S-4800的基本原理和结构二次电子(Secondary Electron)样品(金属)真空背散射电子(Backscattered Electron)入射电子SE和BSE的激发原理SE和BSE的图像对比背散射电子图像二次电子图像电子枪样品仓样品交换仓液晶显示器轨迹球旋钮板离子泵冷阱日立S-4800冷场发射扫描电镜的外观轨迹球1、样品必须经干

5、燥处理，冷冻干燥、真空干燥或者在烘箱中60 oC加热两小时以上。潮湿样品和含有易挥发物质的样品绝对不能放入样品仓；2、粉末样品可直接粘到碳导电胶上，必须粘牢。样品颗粒较小，可用乙醇或水超声分散后滴到铝片或硅片上；3、样品不能有磁性；若有磁性必须提前告知！4、样品不能太大，长宽最好控制在5毫米以下，高度最高不能超过8毫米。边缘不能超过样品台；三、样品制备要求1) 取样：取大量样品离心（转速 3000r4000r），去除上清液，加入适当 PH（7.27.4）的0.1 M PBS清洗三遍；清洗时菌体温柔悬浮。2) 固定：2.5%戊二醛固定3h（此步时间非绝对，112h都可），用PBS清洗两遍，每遍1

6、0min。再用纯水清洗两遍。 3) 梯度脱水： 用乙醇的水溶液按 30%、50%、70%、80%、90%的浓度梯度对样品进行脱水，每步 15min，之后在100%乙醇的水溶液中脱水 15min2 次；再将样品置于乙醇和叔丁醇 1:1混合液中15min；最后置样品于叔丁醇中 15min2次。（此步也可以不做）4) 冷冻干燥：滴加处理好的样品于5*5 mm的盖玻片上，置-80度冰箱冷冻后放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥。 5) 电镜观察： 样品充分干燥后，进行扫描电镜观察。 5. 细菌样品制样方法聚焦（Focus）电子束校正（Axis Alignment）消相散（Stigmation）四、电镜基本操作

7、聚焦和消像散示意图After correctionBefore correctionUnder focusJust focusOver focusJust focusAstigmatism correction methodUnder focusJust focusOver focusJust focus聚焦和消像散过程对于S-4800我们经常改变的参数有：a. 加速电压；b. 工作距离；c. 上下探头的选择；d. 发射电流Ie 参数选择对图片的影响照射电子在样品内部的散乱30高、低加速电压图像对比加速电压：1KV加速电压：20KV样品： 16MDRAM CapacitorMix:上、下探头的

8、混合像Upper:上探头图像Lower:下探头图像上探头（Upper Detector）和下探头（Lower Detector）的信号选择上、下探头的图像对比下探头：立体感好上探头：表面形貌样品： 16MDRAM Capacitor荷电现象荷电效应：通常对不导电材料而言。这类样品如果未经导电处理，而且与地未行成通路，电子束在表面连续扫描时，由于电子束不断地注入，表面很快积累大量负电荷，当表面负电场足够强时，会排斥入射电子，并偏转二次电子，图像亮度不稳定，图像发生畸变或不规则移动。为什么会发生荷电现象？二次电子流背散射电子流吸收电流为什么会发生荷电现象？二次电子流背散射电子流吸收电流避免出现荷电

9、效应的方法离子溅射仪铂靶 样品溅射Au后的形貌图 样品溅射Pt后的形貌图 溅射Pt时间长短对形貌的影响120s30s请记住自己样品的Pt溅射时间，在下一次样品测试时提示我！II、能谱仪电子束与样品的交互作用X射线：因原子激发与跃迁而从样品的原子内部发射出来的具有一定能量的X射线，发射深度0.55m范围。每个元素都有特征X-射线,其能量值由电子跃迁决定从X-射线能谱峰位置确定元素,从峰面积确定元素成分.入射电子束样品背散射电子俄歇电子阴极荧光特征X射线样品电流热量透射电子弹性散射电子二次电子原理 一. 基本原理原理能谱仪分析流程1、X射线进入探测器晶体，产生电子-空穴对，电子-空穴对的数目与X射

10、线的能量成正比。附在晶体表面的电极收集电子空穴对，产生电荷脉冲。2、电荷脉冲进入前置放大器，转化成电压脉冲，再放大。3、再进入主放大器，将电压脉冲进一步放大至1-10V。输出的电压脉冲幅度值仍然与X射线能量成正比。4、再进入脉冲处理器，经噪音过滤、堆积排除和进一步放大并通过模数转换转换成脉冲计数，进行统计。原理能谱仪作用过程LN2 level Sensor液氮传感器 Dewar杜瓦瓶 Pre-amplifier 前置放大器Window窗体 Crystal / FET package晶体/场效应管 Electron trap and collimator 电子捕集阱和准直器Slide arran

11、gement滑动杆 Cold finger冷指 硬件 二. 能谱仪部件 晶体(Crystal) -检测器晶体材料- 锂漂移硅 Si(Li) -被冷却至-180oC，以降低热噪声 -晶体两侧施加偏压，一般为500-1000V -X射线进入晶体，使Si原子电离，产生空穴电子对，晶体两侧的高压使电子和空穴定向移动，最终将其能量转化为电荷脉冲。电荷脉冲大小正比于入射x射线能量硬件窗体-Windows用途：保持检测器内部的真空，可以承受一个大气压三、基本概念死时间 Dead Time 通常探测器接受大量的X射线光子，但系统处理器在某一时间区段内只能处理一个先期到达的计数脉冲，通道处于关闭状态，拒绝下一个

12、到达的计数脉冲进入，并将其排斥掉，这个占用时间称为死时间。即脉冲处理器无法处理X射线光子的时间总和，以百分比表示。死时间在70%以下时，可以进行分析。活时间 Live Time 用户设定的总的采集谱图时间，即系统等待接受和处理信号的时间区段。实际测试时间为活时间+死时间处理时间Process Time 系统的脉冲处理时间也称为时间常数，通常在1 us10 us之间。 短的处理时间，分辨率差、计数率高，死时间小。 长的处理时间，分辨率高、计数率低，死时间大。输入计数率Input Rate 每秒从检测器进入脉冲处理器的X射线光子数，用CPS表示。 采集计数率(也叫输出计数率 )Acquisitio

13、n Rate 每秒钟脉冲处理器处理的X射线光子的数量与束流，与样品类型和处理时间有关。选择采集条件的原则:1. 入射电子的能量必须大于被测元素线系的临界激发能;2. 试样中产生的特征X射线要有较高的强度，并有较高的信噪比;3. 能检测到低含量元素（接近检测极限）;4. 在不损伤试样的前提下，分析区域应尽量小。 各分析条件不是独立的，必须根据被分析试样情况综合考虑主要采集条件，主要影响因素有：1. 加速电压（电镜）2. 束流（电镜）3. 样品因素四、测试条件选择 低加速电压可以增加轻元素的X射线强度，提高空间分辨率，减少对试样的损伤; 对于金属元素及微量元素的分析，选用高加速电压。(1) 加速电

14、压X 射线穿透深度Si 加速电压5kV,0.5M; Si 加速电压10kV ,1 M; Si 加速电压20kV,3.5 M(2) 束流束流和X射线强度及检测极限的关系1、一般情况下，束流增大，相应的X射线强度提高;2、检测元素接近检测极限时，必须选用大的束流来增加计数强度。(3) 样品因素样品表面要光滑平整，因为X射线是以一定的角度从样品表面射出，如果样品表面凹凸不平，就可以使出射X射线受到不规则的吸收，降低X射线的测量强度。入射电子束附加吸收距离出射x射线台阶表面台阶引起的附加吸收能谱测试样品制备要求1、样品必须经干燥处理，冷冻干燥、真空干燥或者在烘箱中60 oC加热两小时以上。潮湿样品和含

15、有易挥发物质的样品绝对不能放入样品仓；2、粉末样品可直接粘到碳导电胶上，必须粘牢。样品颗粒大，可粘到导电胶上直接进行测试；样品颗粒较小，最好使用压片机压片后再测试；3、块状样品可直接测试，测试面尽量平整。样品不能太大，长宽最好控制在5毫米以下，高度最高不能超过8毫米。元素重量原子 百分比百分比C K 60.50 69.12 O K 32.11 27.54 Mg K 0.11 0.06 Al K 1.51 0.77 Si K 3.22 1.57 S K 1.09 0.47 Cl K 0.18 0.07 K K 0.66 0.23 Ca K 0.18 0.06 Fe K 0.44 0.11 总量100.00 普通能谱测试结果：样品成分分析Mapping：元素分布扫描电镜：详写：Hitachi S-4800 Field Emission Scanning Electron