扫描电子显微镜-SEM-1-材料研究方法与实验课件

1、SEM-神奇的微观世界2012.11.27让我们来看得更小1米=1000毫米=10001000微米=100010001000纳米人的肉眼0.10.2毫米放大镜10倍光学显微镜几十 一千倍光学显微镜1590年发明红血球细胞细菌1微米=0.001毫米用什么方法看到比1微米更小的物体？电子显微镜扫描电子显微镜透射电子显微镜放大倍数：几百 几百万倍1毫米1公里1,000,000显微镜下的奇妙世界一滴海水里有什么？硅藻螃蟹幼体海虫鱼卵蠕虫桡足动物蓝藻蚂蚁蜜蜂蜘蛛跳蚤跳蚤的弹跳力是身长的200倍！虱子苍蝇苍蝇的嘴巴蚊子的腿和眼睛老鼠的内耳昆虫细胞神经细胞单细胞生物红血球血凝块白血球大肠杆菌植物病毒动物病毒

2、煤灰油滴橡皮泥蛋壳雪花沙子显微结构显微结构：化学成分确定后，工艺条件决定其显 微结构特征，显微结构将决定材料的性能。显微结构研究的内容:包括相组成、相分布、晶粒 大小和形态、杂质及缺陷的特征与分布、晶界与 相界、断裂源及断裂方式等。显微结构研究目的：探究工艺材料显微结构 性能的关系.生物涂层材料加有涂层的髋球股骨柄临床上广泛使用加有HA和钛涂层的钛合金植入体。绝大部分使用等离子喷涂技术。通过微观结构的研究来评价不同工艺制备出的两种生物涂层材料的生物活性植入狗的肌肉、股骨以及骨髓部位，检测不同厂家（不同结晶度）生产的HA涂层的成骨性能和降解情况。HA涂层在植入骨髓后个月低结晶度涂层表面形成新骨较

3、多，生物活性较好高结晶度涂层表面形成新骨较少，生物活性较差低结晶度高结晶度HA涂层植入股骨后3个月低结晶度高结晶度低结晶度涂层表面明显可见涂层碎片，稳定性差高结晶度涂层基本保持完整，稳定性好通过微观结构研究发现：植入动物体内后，高结晶度涂层初期生物活性 差，但长期生物活性较好，且长期稳定性好；低结晶度涂层初期生物活 性好，但长期稳定性差。涂层与骨组织之间的结合强度随着植入时间的增 加，结合强度随着 增加高结晶度涂层与骨 组织有较高的结合 强度1 month2 months3 months01020304050Shear strength (MPa)As-sprayed HA coatingVa

4、por-flame treated HA coating涂层骨界面的断裂形貌照片高结晶涂层表面附着 一些骨组织。破坏发 生在骨组织内部。表 明涂层与骨的结合强 度大于骨组织本身的 强度。低结晶度涂层的破坏 都发生在涂层与骨组 织的界面低结晶度高结晶度通过微观结构研究对不同工艺得到的不同结晶度涂层 具有不同强度进行了较好解释。表面原子的观察 STM & AFM对单个原子的搬移米粒纳米尺度精度加工和制作微雕刻Scanning Electron Micrograph(SEM)SEM of radiolarian Trochodiscus longispinus电子束与固体样品作用时产生的信号各种信号

5、成像的分辨率（nm）图像分析时二次电子信号的分辨率最高。因此所谓扫描电镜的分辨率即二 次电子像的分辨率。信号二次电子背散射电子吸收电子特征X射线俄歇电子分辨率155020010010001001000510概况SEM是继透射电镜之后发展起来的一种电镜，与TEM的成像方式不同，成像不用电磁透镜放大成像，而是以类似电视摄像显像的方式，利用细聚焦电子 束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。新式扫描电子 显微镜的二次电子像的分辨率已达到15nm，放大倍数可从数倍原位放大到 80万倍左右。由于扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大，可以用它进行 显微断口分析。SEM装置图扫描电镜是由电子光

6、学系统、信号收集处理、图像显 示和记录系统、(3) 真空系统(4) 电源系统等几个 基本部 分组成。电子光学系统电子枪是提供扫描电镜照明的高能电子束，通过聚光镜 可调节电子束的电流，以控制图像的亮度、反差和束斑直 径等；电子束经物镜后，可使电子束的直径处于最佳状态 并使图像聚焦；物镜光阑的作用是减少物镜的球差，提高 分辨能力和改变景深。电磁透镜的加工精度、安装调整质量以及电子通路的 污染情况等，都会使电子光学系统的轴对称性受到损害产生像散，严重地影响着仪器的分辨率。加入消像散器的目 的就是为了校正这一现象，使扫描电镜的分辨率得到提高试样室是安置试样的地方。通过一定机构，可使试样在电子束的垂直平

7、面内作纵横移动，便于选取适当的视场；还能使试样倾斜和旋转，便于选取适当的观察 方向。不同仪器的可变动范围有很大差别。还可在试 样室内装配加热装置、拉伸装置等其它附属机构，以 满足作不同特殊观察时的需要。试样室是在高度真空 的情况下进行工作的，因此还配备有抽真空的附加设 备。由于电子枪的效率不断提高，使扫描 电镜的样品室附近的空间增大，可以 装入更多的探测器。因此，目前的扫 描电镜不只是分析形貌像，它可以和 其它分析仪器相组合，使人们能在同 一台仪器上进行形貌、微区成分和晶 体结构等多种微观组织结构信息的同 步分析。扫描系统扫描系统是由扫描信号发生器、放大控制器和扫描线圈组成的。它们提供电子 束

8、在试样表面与显像管内的阴极射线同步描述信号，改变照明电子束的扫描振幅， 即可获得不同的放大倍数扫描像。扫描电镜中的扫描常采用双偏转系统。上、下两对偏转线圈均装在末级聚光镜 和物镜之间，其中上下各有一对线圈产生X方向扫描(称为行扫)，另外各有一对线圈 产生Y方向扫描(称为帧扫)，当上、下两对偏转线圈同时起作用时，电子束便在试样 表面作光栅扫描。由于要求电子束在试样上扫描与在显像管荧光屏上扫描是完全同步的，所以通常用一个扫描发生器来同时驱动对试样的扫描线圈及显像管的扫描偏转线圈。扫描电镜具有如下特点：制样简单；景深大，适用于粗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；放大倍

9、数变化范围大，可1580万倍；具有相当的分辨率，一般为 13nm；可进行多功能分析（如与X射线能谱仪配接，可 在观察形貌的同时进行微区成分分析）；可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察各种条件下的相变及形态等变化等；可通过电子学方法方便地控制和改善图像的质量。扫描电镜的主要性能指标有：放大倍数、分辨本领和景深等。1.放大倍教在扫描电镜中，入射电子束在样品上逐点扫描与显像管电子束在荧光屏上扫描保持 精确的同步，高分辨率显像管的最小光点尺寸为0.lmm，当显像管荧光屏尺寸为 100100mm时，一幅图像是由约1000条扫描线构成的。如果入射电子束在试样上扫 描幅度为l，显像管电子束在荧光

10、屏上扫描幅度为L，则扫描电镜放大倍数为：M=L/l由于显像管荧光屏尺寸是固定的，因此只要通过改变入射电子束在试样表面的扫描幅度，即可改变扫描电镜的放大倍数，目前高性能扫描电镜的放大倍数可以从15倍连续调节 到80万倍。2.分辨本领分辨本领是扫描电镜的主要性能指标之一，扫描电镜图像的分辨本领一种是测量试样图像的一亮区中心至相邻另一亮区中心的距离，亮点中心间距的最小值就是分辨本 领；另一种方法是测量暗区的宽度，宽度的最小值就是扫描电镜的分辨本领。扫描电镜图像的分辨本领决定于以下因素：入射电子束束斑的大小扫描电镜是通过电子束在试样上逐点扫描成像的，扫 描电镜的分辨本领示不可能小于电子束斑的直径。成像

11、信号:用不同信号成像时扫描电镜的分辨率亦是不同的。其中二次电子像的分 辨率最高，背散射电子像的分辨率较低。3.景深电子束在试样上扫描时，可获得清晰图像的深度范围，称为扫描电镜的景深。扫描电镜的景深与放大倍数及电子束发散角度 (即物镜光阑孔大小)有关，放大倍数和物镜光 阑孔径越小，扫描电镜的景深也就愈大。景深大，适用于粗糙表面和断口分析观察；图像富有立体和真实感。样品的制备扫描电镜研究的试样有导电体和非导体两类：导电性良好的试样，只需对试样进行清洗，即可在扫描电镜 下进行观察；若试样是一个非导体，如无机材料制品 及非金属矿物原料等，则需要在试样表面蒸镀上一层 10nm左右厚可导电的金属膜(Au，

12、Pt)，以保持图像有 较好质量。对于某些试样还要考虑在电镜试样室内的 真空条件下是否会产生脱水、变形等变化，以保证有 利于对观察到形貌的正确分析。镀金仪电子探针的试样：基本要求与扫描电镜相同，不同的地方是要求对试样表面进行抛光，以提高对化学组成的分析能力；另外，对非导体试样则需蒸镀 10nm厚导电的碳膜，这样导电膜就不致于对X射线 产生强烈吸收。喷碳仪需磨碳棒扫描电子显微镜的研究方法一、扫描电镜的图像分析电压衬度1扫描电子像的衬度形貌衬度原子序数衬度2.扫描电镜的图像二次电子像背散射电子像二、电子探针的物相分析X射线波谱仪 (WDS)X射线能谱仪 (EDS)衬度即对比度：C=(SmaxSmin

13、)/SmaxSmax、Smin分别表示在扫描过程中任意两点的检测信号强度(1)形貌衬度形貌衬度是由于试样表面形貌差别而形成的衬度。利用对试样表面形貌变化敏 感的物理信号作为显像管的调制信号，可以得到形貌衬度图像。形貌衬度的形成是 由于某些信号(如二次电子、背散射电子等)强度为样品表面倾角的函数，而样品表面 微区形貌差别实际上就是各微区表面相对于入射束的倾角不同。因此，电子束在试 样上扫描时任何两点的形貌差别，均会表现为信号强度的差别，从而在图像中形成 显示形貌的衬度。二次电子像的衬度是最典型的形貌衬度。形貌衬度的强度是试样表面倾角的函数电子束在试样上扫描时任何二点的形貌差别表现为信号强度的差别

14、，从而在图 像中形成显示形貌的衬度(2)原子序数衬度原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的衬度。利用试样 表面原子序数（或化学成分）变化敏感的物理 信号作为显像管的调制信号，可以得到原子序 数衬度图像。背散射电子像、吸收电子像的衬 度中都包含有原子序数衬度成分，而特征X射线 像和俄歇电子像的衬度也属原子序数衬度。在 原子序数衬度像中，原子序数(或平均原子序数)大的区域比原子序数小的区域更亮。背散射电子产额与原子序数Z的关系(3)电压衬度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（如二次电子），作为显像 管的调制信号，即可得到电压衬

15、度像。参数影响加速电压电子束减速工作距离光阑扫描模式探测器制样扫描电镜的技术发展迅猛，目前最新场发射扫描电镜的分辨率：答案：否定！日立公司2011年3月推出的超高分辨率场发射扫描电镜Su-9000 高加速电压 30KV ，分辨率0.4nmFEI公司的超高分辨率场发射扫描电镜Magellan低加速电压1KV，分辨率0.9nm最高放大倍率可以到100万倍以上。高分辨率、高放大倍率、拍摄时图像聚集清楚且无像散，就一定能获得满意的显微结构照片吗氧化钇纳米粉体氧化钇纳米粉体5kV加速电压，荷电严 重，表面细节不明显0.5kV(减速)低加速电压下， 无荷电，表面细节清晰相同区域介孔氧化硅球介孔氧化硅球低加

16、速电压下，有机 模板剂掩盖了氧化硅 球的介孔2KV(free-减速模式)10KV高加速电压，更深层 次信号信息，忽略球 体表面的有机物碳化硅喷雾造粒粉体碳化硅喷雾造粒粉体相同区域改用SE下探测器观察，荷电现象消失碳化硅导电性差，且颗 粒大，荷电现象严重CVD法制备的石墨烯CVD法制备的石墨烯SE信号只能看到基体铜的晶粒 生长台阶(但拉曼结果显示石 墨烯应为连续覆盖)增加背散射信号，可 观察到石墨烯多层厚 度的衬度信息相同区域（片状结构，一次颗粒2030nm，存在孔径为1020nm堆积孔）电压降低，表面信息，荷电加速电压对不导电氧化物粉体形貌影响纳米Y2O3粉体加速电压 5KV3KV2KV1KV

17、关键词：二次电子产额率(二次电子电流IS与入射电子束流Ip之比)入射电子束e-e-e-e-二次电子二次电子二次电子10nm 逸出深度低加速电压时 电子扩散范围高加速电压时 电子扩散范围低加速电压和高加速电压的入射电子扩展范围示意图二次电子产额率与加速电压关系12当加速电压在V 与V 之间时，发射二次电子数大于入射电子数，样品表面不会产生荷电。材料名称V2值(kV)感光树脂0.6非晶碳0.8聚四氟乙烯1.9石英3.0氧化铝3.0几种典型材料的V2值10KV低倍全貌1KV (减速模式) 低倍全貌加速电压对不导电氧化物粉形貌的影响纳米Y2O3粉体电压降低，荷电减少，表面信息增强(同一区域)加速电压对

18、无序介孔材料表征的影响TUD-1型介孔沸石介孔孔径（416nm）TUD-1型介孔沸石的介 孔为无序孔道，表面的介 孔孔道取向杂乱无章加速电压：10KV加速电压：1KV（减速模式）高加速电压时，入射电子能量高，作用深度大，不同深度的信号叠加，无法清晰地表征材料最表面细节低加速电压时，入射电子能量低，作用深度浅，提高了空间分辨率，有利于无序介孔的表征介孔SiO2（NaYF4内核）2KV 50万倍5KV 50万倍10KV 50万倍10KV 80万倍加速电压对含有机模板介孔材料的影响加速电压越高，有利于忽略介孔球表面的残余有机模板剂加速电压越高，分辨率越高，有利于50万倍以上倍率观察介孔孔径（3-5n

19、m）模板剂去除方法为洗涤，球表面以 及介孔孔道中大量有机模板剂残留加热到550，保温5h(减速模式)0.5KV40万倍热处理后低加速电压可以观察到 介孔，但热处理破坏球的结构加速电压对SBA-15形貌表征的影响SBA-15介孔材料加速电压：10KV加速电压：0.5KV（减速模式）高加速电压时，只能观察到六方的孔口低加速电压时，观察到六方的孔口以及线状的孔道介 孔 孔 径:8nm加速电压：1KV（减速模式）SBA-15SBA-15 介孔为二维六方孔向观 垂察 直面与 孔 道 方平观 行察面 与 孔 道 方 向SBA-15介孔分子筛形貌SBA-15介孔材料KIT-6介孔材料KIT-6 为三维立方孔

20、结构从1 1 0面方向观察从3 1 1 面方向观察介孔孔径（6nm）加速电压对介孔材料形貌表征小结高加速电压，有利于对有机模板剂去除不干净的样品进 行。同时电压升高，分辨率提高，有利于更高倍率（50 万倍以上）的观察。但电压升高空间分辨率的降低，不 利于无序介孔的观察。低加速电压，二次电子产额高，空间分辨 率高，有利于观察介孔材料的表面细节。加速电压：5KV加速电压：2KV加速电压对石墨烯表征的影响CVD方法合成的石墨烯由CVD方法 制备的石墨 烯，石墨烯 平铺在金属 载体上。石墨烯厚度较 小，电压降 低，电子束 的作用深度 降低，可以 获得更好的 表层背散射 形貌衬度。加速电压：0.5KV加

21、速电压：1KV探测器：上探测器 （BSE-L only mode） 束流：5 nA加速电压：1KV 石墨烯褶皱明显只能观察到暴露在外面的氧化铝颗粒加速电压：5KV石墨烯呈半透明状可以看到被石墨烯包裹住的氧化铝颗粒加速电压对石墨烯表征的影响石墨烯/氧化铝复合材料探测器：上探测器加速电压 5KV加速电压 2KV加速电压1KV(减速)观察晶面和晶棱纳米TiO2纳米晶大小：2030nm主要目的电压降低，电子束能量减低，减少纳米晶的 热损伤；电压降低，空间分辨率提高，纳米晶的晶面 和晶棱更加清晰。30纳米以下纳米晶晶面/晶棱的观察电子束轰击试样升温T(K)V0-加速电压(kV)i-末次束斑电流(A)A-

22、电子束作用面积(m2)k-材料热导率(Wcm-1k-1)超低加速电压（ULV）PLGA薄膜（软化温度：76）加速电压：0.1KV（减速模式）对软化温度低、热稳定 性差的一类高分子薄膜 样品应该使用超低加速 电压，以减少对样品的 损伤。损伤小加速电压：0.5KV（减速模式）损伤严重，图像失真加速电压5KV加速电压:2KV同质外延单晶薄膜厚度的测量加速电压1KV加速电压0.5KV基体SiC单晶（掺杂，N型半导体） 薄膜SiC单晶（本征半导体）SiC单晶(本征半导体)SiC单晶(N型半导体导体)二次电子产额率0.512加速电压（kV）薄膜层为SIC单晶(本征半导体)，电阻率:65cm，半绝缘体；基体

23、层为掺氮6H-SiC单晶(N型半导体)，电阻率：0.3cm，半导体。薄膜层电阻率大，电子束扫描时薄膜层荷电多，荷电电 子所带的负电荷有利于二次电子的溢出；二次电子产额率 在1kV加速电压下差额较大，形成了二次电子的衬度。扫描 电子束样 品 截 面e-e-e- e- e- e-（ 碳 N（碳本化型化征硅半硅半单导单导晶体晶体）荷 电同质外延单晶薄膜厚度的测量二次电子衬度像基体SiC单晶（掺杂，N型半导体） 薄膜SiC单晶（本征半导体）加速电压：1KV 二次电子信号加速电压：1KV 背散射信号薄膜层与基体层相比：成分、结构，晶体方向相同(基体中氮的掺杂量仅为1019/cm3)；薄膜层与基体层差异：

24、电阻率相差很大。同质外延(偏角生长)单晶薄膜厚度的测量基体SiC单晶/薄膜SiC单晶(基体与薄膜生长方向有8偏角)SIC单晶基体SIC单晶薄膜离子束截面抛光离子束刻蚀荷电造成二次电子衬度二次电子像氧化铝/碳化钛复合材料LA100,背散射像白色区域原子序数高TiC 黑色区域原子序数低Al2O3白色区域（绝缘体）Al2O3 黑色区域（导体）TiC加速电压对被污染样品形貌的影响氧化铁陶瓷薄膜加速电压：1KV加速电压：15KV增加加速电压有利于忽略样品表面的有机污染物PVA-Ag 复合纤维加速电压升高；背散射信号，深 度增加；对PVA有机高分子材料，15kV加速电压下，背散射信号深度来源可以到3004

25、00nm。加速电压对背散射信号的影响3kV7kV15kVPVA-Ag 复合纤维低加速电压背散射观察表层成分信息低加速电压背散射信号。观察纤维断口暴露在外的Ag的BSE衬度2kV高加速电压背散射观察深度成分信息介孔SiO2（NaYF4内核）内核NaYF4平均原子序数高，高加速 电压下，内核衬度明显20KV，二次电子信号20KV，背散射信号小加速电压对形貌的影响结加速电压（kV）1 2 351015202530分辨率低高空间分辨率高低放电轻微严重对样品的损伤减少增加二次电子信号增加减少表面信息增加减少背散射信号深度减少增加样品表面污染忽略观察不导电样品（不镀膜）容易电子束减速模式减速模式 提高低电压下的分辨率减速模式 减少荷电减速模式 减少对样品表面的损伤纳米Y2O3粉体加速电压：0.5KV着陆电压：0.5KV(减速模式)电子束减速模式减速模式的局限：减速模式只能在低加速电压下使用High mode 着陆电压必须小于等于1KVLow mode 着陆电压必须小于等于2KV减速模式对样品以及制样有较高要求对粉体，薄膜样品，样品放置在样品台中央，样品台边缘的电场畸 变较为严重对于厚的块体样品，样品表面要尽量平整，样品大小最好和样品大 小