扫描电子显微分析SEM

第十章扫描电子显微分析（SEM）ScanningElectronMicroscope发展历史：

1935—德国Knoll提出了工作原理1938—实验研究1942—第一台实验室用的扫描电镜1965—开始用于商业70年代—分辨率大大的提高（0.5nm）当前第1页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微镜的成像原理和透射电子显微镜不同。它不用电磁透镜放大成像，而是以类似电视摄影显像的方式，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。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。用扫描电子显微镜观察断口时，样品不必复制，可直接进行观察，这给分析带来极大的方便。因此，目前显微断口的分析工作大都是用扫描电子显微镜来完成的。由于电子枪的效率不断提高，使扫描电子显微镜的样品室附近的空间增大，可以装入更多的探测器。因此,目前的扫描电子显微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位分析。当前第2页\共有90页\编于星期四\0点扫描电镜的优点：◎景深大（相对于金相）◎放大倍数大（从20倍~20万倍）◎样品制备简单当前第3页\共有90页\编于星期四\0点扫描电镜当前第4页\共有90页\编于星期四\0点从单一的形貌观察（二次电子像）发展到吸收图象、电子荧光图象、扫描透镜电子图象、电位对比图象、X射线图象、X射线显微分析装置、背散射电子衍射等。当前第5页\共有90页\编于星期四\0点应用领域：地学、材料学、生物学、医学、冶金、刑侦等各行各业。普通SEM——低真空SEM——环境SEM金属及一般分析表面腐蚀生物样扫描电子显微分析（SEM）当前第6页\共有90页\编于星期四\0点一、扫描电镜工作原理

图8-1扫描电镜原理示意图二、扫描电镜结构

1.电子光学系统2.偏转系统3.信号检测放大系统4.图像显示和记录系统5.电源系统6.真空系统

§10.1SEM工作原理、构造和性能当前第7页\共有90页\编于星期四\0点1.电子光学系统电子枪、电磁聚光镜、光栏、样品室为获得较高的信号强度和扫描像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径电子束斑的亮度和直径与电子枪的类型有关扫描电子显微镜所要求的电子束斑直径和亮度还要靠电磁透镜协助完成图8-2扫描电镜光学系统示意图当前第8页\共有90页\编于星期四\0点2.偏转系统：使电子束产生横向偏转3.信号检测放大系统：收集样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大图8-4二次电子和背反射电子收集器示意图4.图像显示和记录系统：将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线管显示屏上的图像，供观察和记录5.电源系统：为扫描电子显微镜各部分提供所需要的电源6.真空系统：确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作寿命等当前第9页\共有90页\编于星期四\0点SEM的主要性能（1）放大倍数：M＝Ac/As,Ac是阴极射线管电子束在荧光屏上的扫描振幅，一般为100mm，As是电子束在样品表面的扫描振幅。M＝20－20万倍当前第10页\共有90页\编于星期四\0点SEM的主要性能（2）分辨率：①扫描电子束直径；②入射电子束在样品中的扩展效应；当前第11页\共有90页\编于星期四\0点SEM的主要性能③操作方式及其所用的调制信号；④信号噪音比；⑤杂散磁场；⑥机械振动当前第12页\共有90页\编于星期四\0点（3）景深：透镜物平面允许的轴向偏差定义为透镜的景深，用ΔF(Ff)来表示.△F——焦深；d——扫描像分辨率；2a——物镜的孔径角当前第13页\共有90页\编于星期四\0点放大倍数分辨率视场景深光学显微镜扫描电镜100.02mm10mm10000.2μm0.1mm0.1mm0.1-1mm1000020nm10μm1μm扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大一至两个数量级，特别适用于粗糙表面的观察和分析当前第14页\共有90页\编于星期四\0点§10.2像衬原理与应用像的衬度就是像的各部分强度相对于其平均强度的变化1.二次电子像衬度在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的核外电子叫做二次电子。表层5－10μm，能量较低（小于50eV）若入射电子束强度为I0，二次电子信号强度为Is,则二次电子产额δ＝Is／I0当前第15页\共有90页\编于星期四\0点影响二次电子产额的主要因素：（1）二次电子能谱特性：几个eV量大（2）入射电子的能量：δ有极值（3）材料的原子序数：略增加（4）样品倾斜角θ：δ∝（secθ)n,n=1.3(轻元素），1（中等元素），0.8（重元素）当前第16页\共有90页\编于星期四\0点二次电子像衬度分类（1）形貌衬度：当入射电子方向一定时，样品表面的凸凹形貌就决定了电子束的不同倾斜角θ，也就决定了二次电子的产额。尖棱、小粒子、坑穴边缘显得异常亮（2）成分衬度：部分二次电子是由背散射电子激发的，而背散射电子与原子序数Z关系密切。当入射电子能量小于5keV时，二次电子能反映表面薄层的成分变化（3）电压衬度：局部电位将影响二次电子的轨迹和强度，造成正偏压的地方图像较暗，而负偏压的地方图像较亮（4）磁衬度（第一类）：样品表面处的外延磁场会造成二次电子的偏转而形成衬度当前第17页\共有90页\编于星期四\0点2.背散射电子像衬度若入射电子束强度为I0，背散射电子信号强度为IR,则二次电子产额δ＝IR／I0影响背散射电子产额的因素：（1）原子序数：δ增大（2）入射电子能量E0：10－100keV,δ与E0无关，<5eV，高Z与低Z元素间背散射电子产额的差别变小（3）样品倾斜角θ：〈50o时，δ与θ无关，50o－90o，δ增大当前第18页\共有90页\编于星期四\0点背散射电子衬度的种类：（1）成分衬度：原子序数高，信号强（2）形貌衬度：不如二次电子对形貌敏感（3）磁衬度（第二类）：外界磁场可能会影响两次碰撞之间的轨迹当前第19页\共有90页\编于星期四\0点

思考：

二次电子图象和背反射电子图象有何区别？哪一种分辨率高？

？答案？扫描电子显微分析（SEM）当前第20页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）当前第21页\共有90页\编于星期四\0点不同样品的处理

对绝缘不导电的样品必须经过表面喷金、银或碳等导电膜观察才清楚，否则电荷积累在表面上，图象很快就模糊了。对断口样品表面用丙酮或乙醇清洗干净。扫描电子显微分析（SEM）当前第22页\共有90页\编于星期四\0点10.3扫描电镜在材料研究中的应用扫描电镜的像衬度主要是利用样品表面微区特征的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，导致阴极射线管荧光屏上不同的区域不同的亮度差异，从而获得具有一定衬度的图像。微区特征：形貌、原子序数或化学成分、晶体结构或位向等。扫描电子显微分析（SEM）当前第23页\共有90页\编于星期四\0点1.断口分析宏观分析和微观分析扫描电镜肉眼及金相显微观察通过断口分析，寻找断裂原因，判断裂纹性质、裂纹源及夹杂物。表8－1显示了金属各种断口及其特征扫描电子显微分析（SEM）当前第24页\共有90页\编于星期四\0点1）韧窝断口：有大量塑性变形的断裂方式拉伸时，当时，产生塑性变形微观表现：夹杂物、析出相、晶界、亚晶界或其它塑性变形不连续的地方产生

位错塞积、应力集中。形成微孔微孔增大颈缩破断扫描电子显微分析（SEM）图8－5韧窝断口微观形貌当前第25页\共有90页\编于星期四\0点韧窝形状：等轴韧窝单轴拉伸变形抛物线性韧窝剪切或撕裂韧窝大小：微孔生核数量多韧窝小微孔生核数量少韧窝大韧窝深浅：塑性大韧窝尺寸深塑性小韧窝尺寸浅扫描电子显微分析（SEM）当前第26页\共有90页\编于星期四\0点2）解理断口及准解理断口原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂（沿着一定的严格的结晶学平面发生开裂）。例：体心立方{100}或{112}密排六方{001}扫描电子显微分析（SEM）当前第27页\共有90页\编于星期四\0点典型解理断口特点：▲河流状花样是一簇相互平行的（具有相同晶面指数）、位于不同高度的晶面。▲断裂源常在晶界处。解理台阶：不同高度解理面之间存在的台阶“河流”的流向就是裂纹扩展的方向。“舌状花样”、“羽毛状花样”、“二次裂纹”也是解理裂纹。扫描电子显微分析（SEM）当前第28页\共有90页\编于星期四\0点准解理裂纹特征：◆准解理裂纹是一种脆性的穿晶裂纹，断裂沿一定的结晶面扩展，也有河流花样，但河流一般是从小平面中心向四周发散的，形状短而弯曲，支流少。◆断裂源常起于晶粒内的碳化物或夹杂物。

图8－7准解理断口扫描电子显微分析（SEM）当前第29页\共有90页\编于星期四\0点3）沿晶断口——晶界断裂也是一种脆性断裂（图8－8），冰糖状是晶界中的析出相、夹杂物及元素偏析集中造成的。

延性沿晶断裂：石状断口，石状颗粒上有明显的塑性变形，呈韧窝特征，但韧窝中有夹杂物。扫描电子显微分析（SEM）当前第30页\共有90页\编于星期四\0点4）疲劳断口周期性交变应力引起的断裂——疲劳断裂。疲劳断口特征：（附图疲劳断口二次电子像）疲劳核心区——裂纹扩展区——瞬时断裂区扫描电子显微分析（SEM）当前第31页\共有90页\编于星期四\0点5）应力腐蚀开裂断口在一定的介质条件和拉应力共同作用下引起的一种破坏形式。产生过程：腐蚀斑点（裂纹源)斑点连接形成裂纹断裂断口形貌与疲劳断口相似。断口特征：腐蚀坑、腐蚀产物及泥状花样。扫描电子显微分析（SEM）应力作用下浸蚀扩展当前第32页\共有90页\编于星期四\0点低碳钢纳米化样品在4N载荷下的微观形貌沿滑动方向有梨沟及微观切削形成的沟槽，表面破坏主要是金刚石磨头及磨损过程中脱落的氧化物对样品表面造成的磨粒磨损造成的。A区是金刚石磨头未与样品完全接触而保留下来的原始表面当前第33页\共有90页\编于星期四\0点低碳钢纳米化样品在6N载荷下的微观形貌表面出现裂纹及剥落坑，这是因为材料表层在往复摩擦力作用下的反复变形增大，导致应变疲劳，裂纹萌生并扩展，最终剥落，磨损机制由开始的磨粒磨损转变为疲劳磨损当前第34页\共有90页\编于星期四\0点一种(上图)抗氧化能力较差(国内)；另一种(下图)抗氧化能力较强(国外)两者的微双形态呈明显的不同氯化亚铜微观形态的观测当前第35页\共有90页\编于星期四\0点一种PVC粉料的形貌观测ABS脆件断裂后微观形态的观测当前第36页\共有90页\编于星期四\0点Fig.2SEMmicrographsofMgNb2O6ceramicsdopedwithdifferentamountofCuBadditionsinteredat1050˚C:(a)1.0wt.%(b)2.0wt.%(c)4.0wt.%.当前第37页\共有90页\编于星期四\0点当前第38页\共有90页\编于星期四\0点2.高倍金相组织观察与分析扫描电子显微分析（SEM）与金相样相比，扫描电镜的优点：①放大倍数大，分辨率高②景深大③导电样品不用专门磨制样④金相样品（大小尺寸合适）均可用SEM观察3.断裂过程的动态研究拉伸、加热附件装置可以实现动态观察。当前第39页\共有90页\编于星期四\0点§10.3电子探针X射线显微分析方法

扫描电镜与X射线显微分析结合成EPMA（ElectronProbeX—RayMicroanalyzer)特点：（1）分析手段简化，分析时间短（2）样品量少（3）无损检测（4）释谱简单

图8－13扫描式电子探针示意图当前第40页\共有90页\编于星期四\0点关键部件是锂漂移硅Si(Li)探测器：X光照射半导体，产生的电子－空穴对数与光子能量成正比，就可将接收的X射线光子变成电脉冲信号。EnergyDispersiveSpectrum一能谱仪（EDS或EDX）（一）结构与原理当前第41页\共有90页\编于星期四\0点当前第42页\共有90页\编于星期四\0点允许使用微细的电子束，分析的空间分辨率高，灵敏度高分析速度快，几分钟内把全部能谱同时显示出来结构紧凑，无运动部件，稳定性好，因此谱线的重复性好（二）能谱分析的优点当前第43页\共有90页\编于星期四\0点Si(Li)探测器多数需要长期连续保持在液氮的低温下工作和运行采用铍窗隔离，对软X射线吸收严重，即对长波长的X射线吸收多，所以只能分析原子序数在11（Na）以上的元素能谱仪经常有谱线重叠现象，与波谱仪相比，分辨本领差一些定量分析不准确，只能定性和半定量分析扫描电子显微分析（SEM）四、能谱分析的缺点当前第44页\共有90页\编于星期四\0点二波谱仪当前第45页\共有90页\编于星期四\0点（一）

X射线检测器：闪烁体计数器X光→可见光→光电流输出光电流（脉冲信号大小）与X光子能量成正比当前第46页\共有90页\编于星期四\0点（二）分光晶体及弯晶的聚焦作用（了解)◆为使可分析的元素尽可能覆盖周期表中所有元素，需要配备面间距不同的数块分光晶体。◆为了提高测试效率，应聚焦，使X射线源，分光晶体及探测器三者处于同一圆周上，此圆称为罗兰圆或聚焦圆。扫描电子显微分析（SEM）当前第47页\共有90页\编于星期四\0点（三）波谱仪的优缺点

波谱仪的优点：波长分辨率高，可定量分析，能分析较轻的元素波谱仪的缺点：X射线利用率低，强度损失大，价格昂贵，测量速度慢，操作复杂当前第48页\共有90页\编于星期四\0点当前第49页\共有90页\编于星期四\0点对样品表面选定微区作定点的全谱扫描定性或半定量分析，以及对其中所含元素浓度的定量分析——点分析电子束沿样品表面选定的直线轨迹作所含元素浓度的线扫描分析——线分析电子束在样品表面作面扫描，以特定元素的X射线讯号调制阴极射线管荧光屏亮度，给出该元素浓度分布的扫描图像。扫描电子显微分析（SEM）三EPMA有三种几本工作方式当前第50页\共有90页\编于星期四\0点

测定样品上某个指定点（成分未知的第二项、夹杂物或基体）的化学成分。从谱线上只能观察到一定波长范围的元素。若超轻元素或重元素（Zr、Nb、Mo等），其特征X射线波长超出了LiF的检测范围，需用其它分光晶体进行检测。如果是定量分析则需要标准样品。

图8-14波谱仪定点分析结果（分光晶体：LiF）

扫描电子显微分析（SEM）1.定点分析当前第51页\共有90页\编于星期四\0点(1-x)Ba(Mg1/3Nb2/3)O3-xBaWO4（0≤x≤0.05）陶瓷在1500℃烧结4h的SEM照片:(a)x=0;(b)x=0.01;(c)x=0.03;(d)x=0.05

当前第52页\共有90页\编于星期四\0点0.98MgNb2O6-0.02CuO陶瓷在1050℃烧结4h的SEM照片Processingoption:Allelementsanalysed(Normalised)Spectrum Instats. O Mg Cu Nb Total

Spectrum1 Yes 42.17 6.85 50.98 100.00 Spectrum2 Yes 39.49 6.64 3.70 50.17 100.00 Spectrum3 Yes 42.11 9.15 0.55 48.18 100.00

当前第53页\共有90页\编于星期四\0点事实上，把强度比作为浓度值的近似只能是一种半定量的分析，真正要达到非常精确的成分分析的测定还是用化学分析方法。但是微区成分分析采用化学方法却无能为力。扫描电子显微分析（SEM）当前第54页\共有90页\编于星期四\0点2.线扫描线扫描可以获得有关元素分布不均匀性的资料。在垂直于扩展界面的方向上线扫描，可以很快显示浓度与扩散距离的关系曲线。若以微米级逐点分析，即可精确地测定扩散系数和激活能。扫描电子显微分析（SEM）图8－15线扫描当前第55页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）当前第56页\共有90页\编于星期四\0点3.面扫描让入射电子束在样品表面光栅扫描，谱仪固定接收其中某一元素的特征X射线讯号，并以此调制荧光屏亮度，即可得X射线扫描像。X射线扫描像可以提供元素浓度的面分布不均匀性的资料，并与材料的微观组织联系起来。扫描电子显微分析（SEM）图8－16面扫描附图M2工具钢中同一视域的X射线扫描像当前第57页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）当前第58页\共有90页\编于星期四\0点四、电子探针的应用1.冶金学测定合金中相成分、夹杂物、元素的偏析，研究元素扩散现象及测定渗层厚度2.地质和矿物学分析岩相及结构3.生物学生物样、植物的微观形貌观察研究4.刑侦指纹、血斑、脏物扫描电子显微分析（SEM）当前第59页\共有90页\编于星期四\0点

有一个电灯泡在使用过程中发生爆炸，用户眼睛被炸瞎，有线索表明，可能是某大公司的产品，但爆炸灯泡碎片没有保存，只剩下灯泡的金属尾部，金属尾部含有少量毫米尺寸的玻璃，用户及厂方律师共同把爆炸灯泡的金属尾部和该大公司的好灯泡送检，要求证明爆炸灯泡是否为该大公司的产品。为了证明爆炸灯泡与该厂灯泡的关系，用EPMA的能谱仪进行了定量分析，分别对爆炸灯泡和该厂好灯泡的玻璃、尾部焊锡材料进行了定量分析，结果证明为该厂的产品。扫描电子显微分析（SEM）国家计量认证及产品剖析等，常常需要微区、非破坏性的定性和定量分析结果，分析结果涉及成果鉴定、产品质量及进出口货物索赔等当前第60页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）扩散和离子交换研究国际矿物学会也曾经规定，新矿物的确定一定要用电子探针确认当前第61页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）考古：西安兵马俑展览馆的国宝铜车的成分是采用电子探针的定量分析数据，分析时可以在不引起注意的铜车底部刮下少许粉末，粉末尺寸只要几十微米即可，这种方法不但不损坏国宝的形象，分析结果也比较准确。当前第62页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）考古：以往古陶瓷研究者，多采用传统的化学分析方法测定不同层的化学组成，一般是要将分析的胎、釉、化妆土层和色料分离，然后用化学分析方法测定其化学成分。该方法不但分析速度慢，而且所测定的结果是不同相的平均结果，无法确定相的组成。采用EPMA研究取得了较好的结果当前第63页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）考古：Peterson等用电子探针测定油画颜料来鉴别其真伪，他们只用一根细的空心针插入油画内，然后取出针并切下颜料部分进行电子探针分析，发现上部白色层含钛，说明有钛白粉颜料，因此断定油画不可能是在钛白粉颜料发现前画成的当前第64页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）失效分析：某星弹用元器件在装机前进行的地面振动实验中发现有的器件脚会发生断裂，有的器件在装机弯脚的过程中也会发生断裂。对各种器件断口的形貌观察及不同区域的成分分析发现多种器件断口内有明显的富Cl和富S的黑色区，黑色区有明显的腐蚀特征，器件镀金的脚常常有金剥落痕迹。对金剥落处进行成分分析时，同样发现明显富Cl和富S，说明S、Cl元素是由于器件镀金前酸洗过程中，残留的酸没有清洗干净，残留的酸会对器件脚继续产生腐蚀作用，造成脚的腐蚀断裂。当前第65页\共有90页\编于星期四\0点

扫描电镜的附件EBSD（ElectronbackscatteredDiffraction)可以进行晶体取面分析、结构分析扫描电子显微分析（SEM）End当前第66页\共有90页\编于星期四\0点当前第67页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）样品室与样品台大小对分析的影响：样品室大，初抽真空时间要长一些，但可容纳的样品大些。一般确认扫描电镜的主要参数。当前第68页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）当所加电压不同时，金属筒接收器收集到二次电子或背反射电子。当前第69页\共有90页\编于星期四\0点扫描电子显微分析（SEM）

二次电子象与背散射电子象的比较二次电子象背散射象主要利用形貌衬度成分衬度收集极+250－500V－50V分辨率