扫描电子显微镜

扫描电子显微镜(SEM)绪言扫描电子显微镜是自上世纪60年代作为商用电镜面世以来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器。由于它具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点，故被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜是对样品表面形态进行测试的一种大型仪器。当具有一定能量的入射电子束轰击样品表面时，电子与元素的原子核及外层电子发生单次或多次弹性与非弹性碰撞，一些电子被反射出样品表面，而其余的电子则渗入样品中，逐渐失去其动能，最后停止运动，并被样品吸收。在此过程中有99%以上的入射电子能量转变成样品热能，而其余约1%的入射电子能量从样品中激发出各种信号。如图1所示，这些信号主要包括二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、电子电动势、阴极发光、X射线等。扫描电镜设备就是通过这些信号得到讯息，从而对样品进行分析的。阴极荧光(CL)入射电子束吸收电子(AE)背散射电子(RE)电子阴极荧光(CL)入射电子束吸收电子(AE)背散射电子(RE)电子电子电动势X射线二次电子(SE)透射电子(TE)图1入射电子束轰击样品产生的信息示意图SEM的电子成像原理包括二次电子成像(SEI)、背散射电子成像(BEI)和吸收电子成像。二次电子成像(SEI)中入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子(价带或导带电子)电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，仅在样品表面5nm—10nm的深度内才能逸出表面。二次电子象是表面形貌衬度，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种象衬度。二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。二次电子的产生额与入射电子束能量及入射电子束角度有关。背散射电子成像(BEI)用背散射电子信号进行形貌分析，其分辨率远比二次

电子低，因为背散射电子是在一个较大的作用体积内被入射电子激发出来的，成像单元变大是分辨率降低的原因。背散射电子信号随原子序数Z的变化比二次电子的变化显著的多，因此图像应有较好的成分衬度。图2是含镍材料的SEI图像和BEI图像。、图图像、图图像吸收电子成像中吸收电子的产额与背散射电子相反，样品的原子序数越小，背散射电子越少．吸收电子越多，反之样品的原子序数越大，则背散射电子越多，吸收电子越少。因此，吸收电子像的衬度是与背散射电子和二次电子像的衬度互补的。背散射电子图像上的亮区在相应的吸收电子图像上必定是暗区。扫描电镜的仪器结构从结构上看，如图3所示，扫描电镜主要由七大系统组成，即电子光学系统、探测、信号处理、显示系统、图像记录系统、样品室、真空系统、冷却循环水系统、电源供给系统。囂室5素统图3囂室5素统图3扫描电子显微镜结构图2.1电子光学系统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。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。<1>电子枪：其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm,因此仪器分辨率受到限制。现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度。<2>电磁透镜：其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50mm的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。其工作原理与透射电镜中的电磁透镜相同。扫描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。<3>扫描线圈：其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。<4>样品室：主要部件是样品台。它能进行三维空间的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40毫米，倾斜范围至少在50°左右，转动360°。样品室中还要安置各种型号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。近年来，为适应断口实物等大零件的需要，还开发了可放置尺寸在①125mm以上的大样品台。信号收集及显示系统其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：电子检测器，应急荧光检测器和X射线检测器。在扫描电子显微镜中最普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成（见下图）。二逍电F人辭奥子網丄当信号电子进入闪烁体时将引起电离；当离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大并转变成电流信号输

出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。这种检测系统的特点是在很宽的信号范围内具有正比与原始信号的输出，具有很宽的频带（10Hz-lMHz）,而且噪音很小。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，而由检测器接收的信号强度随样品表面状况不同而变化，那么由信号监测系统输出的反营养品表面状态的调制信号在图像显示和记录系统中就转换成一幅与样品表面特征一致的放大的扫描像。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10-4-10-5mmHg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。3.1块状试样的制备图3-1上样与观察方向示意图扫描电子显微镜（SEM）3.1块状试样的制备图3-1上样与观察方向示意图（p25mm，最厚不超过20mm等），经过清洗，然后用双面胶带粘在载物盘，再用导电银浆连通试样与载物盘（以确保导电良好），等银浆干了之后就可放到扫描电镜中直接进行观察。非导电性的块状材料试样的制备基本可以像导电性块状材料试样的制备一样，只是在导电性材料制备基础上需在样品表面喷镀一层导电层即可。对非导电的试样，例如陶瓷、玻璃、有机物等，在电子束扫描下，表面会积累负电荷，使样品表面形成一个较强的负电位，产生充电现象。样品的负电位抵消掉入射电子部分能量，使二次电子发射和运动不稳定。在电子探针的图像观察、成分分析时，会产生电子束漂移、表面热损伤等现象，使分析点无法定位、图像无法法聚焦。3.2粉末试样的制备粉末样品制备，首先在载物盘上粘上双面胶带，然后取少量粉末试样放在胶带上的靠近载物盘圆心部位，接着用吹气橡胶球朝载物盘径向朝外方向轻吹，以使粉末可以均匀分布在胶带上，也可以把粘结不牢的粉末吹走。然后在胶带边缘涂上导电银浆以连接样品与载物盘，等银浆干了之后就可以进行最后的镀一层导电膜。对于小于5“m小颗粒，要得到较好的分析结果，最好将粉体用压片机压制成块状，此时标样也应用粉体压制。对细颗粒的粉体分析时，特别是对团聚体粉体形貌观察时，需将粉体用酒精或水在超声波机内分散，再用滴管把均匀混合的粉体滴在试样座上，待液体烘干或自然干燥后，粉体靠表面吸附力即可粘附在试样座上。3、溶液试样的制备对于溶液试样一般采用薄铜片作为载体。首先，在载物盘上粘上双面胶带，然后粘上干净的薄铜片，然后把溶液小心滴在铜片上，等干了之后观察析出来的样品量是否足够，如果不够再滴一次，等再次干了之后就可以涂导电银浆和镀膜了。4、生物试样的制备扫描电镜生物样品的制备，必须满足以下要求：①保持完好的组织和细胞形态；②充分暴露欲观察的部位；③良好的导电性和较高的二次电子产额；④保持充分干燥的状态。一般采用化学方法制备样品，其程序通常是:清洗一化学固定一干燥一镀膜。清洗某些生物材料表面常附血液、细胞碎片、消化道内的食物残渣、细菌、淋巴液及粘液等异物，掩盖着欲观察的部位，因而，需要在固定之前用生理盐水或等渗缓冲液等把附着物清洗干净。亦可用5%碳酸钠冲洗或酶消化法去除这些异物。固定通常采用醛类（主要是戊二醛和多聚甲醛）与四氧化锇双固定，也可用四氧化锇单固定。四氧化锇固定不仅可良好地保存组织细胞结构，而且能增加材料的导电性和二次电子产额，提高扫描电子显微图像的质量。这对高分辨扫描电子显微术是极端重要的。干燥固定后通常采用临界点干燥法。其原理是：适当选择温度和压力，使液体达到临界状态（液态和气相间界面消失），从而避免在干燥过程中由水的表面张力所造成的样品变形。对含水生物材料直接进行临界点干燥时，水的临界温度和压力不能过高（37.4°C,218帕）。镀膜将干燥的样品用导电性好的粘合剂或其他粘合剂粘在金属样品台上，然后放在真空蒸发器中喷镀一层50〜300埃厚的金属膜。4•显微镜的应用扫描电子显微镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器.它可以应用于很多领域中。4.1扫描电镜在材料研究中的应用扫描电镜材料的组织形貌观察、层表面形貌分析和深度检测、区化学成分分析和微组织及超微尺寸材料的研究。例如：扫描电子显微镜在新型陶瓷材料显微分析中的应用。在陶瓷的制备过程中，进行显微结构的分析,原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶界和团聚程度等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征,是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法,样品无需制备,只需直接放入样品室内即可放大观察；同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍到高倍的定位分析,在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动,还能够根据观察需要进行空间转动,以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。4.2扫描电镜在生物、医学领域应用在生物医学领域可以利用高性能的电子显微镜观察细胞中各种正常的和病理的超微结构,诸如内质网、线粒体、高尔基体、溶酶体、细胞骨架系统等,对探明病因和治疗疾病有很大帮助。可以研究细胞的通讯与运输、分裂与分化、增殖与调控等生命活动的规律,电子显微镜也可结合各种制样技术观察病毒、细菌、支原体、生物大分子等的超微结构,是现代生物医学研究不可替代的工具。例如：wilson病是一种先天的代谢性疾病,线粒体在早期的病理变化对病理诊断是非常有价值的。在软组织系统疾病诊断中,Kyriacou等认为电镜对3种主要类型肌病的诊断很有用：空泡性肌病；代谢性肌病；先天性肌病。这些疾病中大约15%〜20%的肌肉活检需要进一步应用电镜检查资料作为最终诊断的前提。扫描电镜与其他设备的组合以实现多种分析目前扫描电子显微镜的最主要组合分析功能有:1、 X射线显微分析系统：（即能谱仪,EDS）,主要用于元素的定性和定量分析，并可分析样品微区的化学成分等信息。2、 电子背散射系统（即结晶学分析系统）,主要用于晶体和矿物的研究。随着现代技术的发展,其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现,例如显微热台和冷台系统,主要用于观察和分析材料在加热和冷冻过程中微观结构