第四章扫描电子显微镜及电子探针

第四章扫描电子显微镜及电子探针第四章扫描电子显微镜及电子探针本章主要内容

概述电子束与固体样品作用时产生得信号

SEM结构及成象原理

SEM得主要性能样品制备二次电子衬度原理及其应用背散射电子衬度原理及其应用能谱分析与波谱分析扫描电子显微镜应用:形貌、微区分析与晶体结构等多种分析。概述

ElementWt%At%OK11、3728、64MgK13、5522、45AlK18、5927、77SiK04、2706、12CeL52、2315、02

多相合金扩散偶得相鉴定(EDAX-TSL数据)(a)菊池花样质量图及各相得菊池花样

多相合金扩散偶得相鉴定(EDAX-TSL数据)((b)EBSD相鉴定得结果及各相百分率

多相合金扩散偶得相鉴定(EDAX-TSL数据)(c)能谱仪测出得氧、铜、铝在各相中得分布立方取向亚晶形变织构极图合金挤压材得拉伸断口形貌

特点:①分辨率比较高,二次电子象②放大倍数连续可调,几十倍到上百万倍③景深大,立体感强④试样制备简单⑤一机多用分辨率:常规得热钨灯丝(电子)枪扫描电子显微镜,分辨率最高只能达到3、0nm;新一代得场发射枪扫描电子显微镜,分辨率可以优于1、0nm;超高分辨率得扫描电镜,其分辨率高达0、5nm-0、4nm。环境描电子显微镜可以做到:真正得“环境”条件,样品可在100%得湿度条件下观察;生物样品与非导电样品不要镀膜,可以直接上机进行动态得观察与分析;可以“一机三用”。高真空、低真空与“环境”三种工作模式。AndnowalookinsidetheSEM…、SEM-ScanningElectronMicroscope(ormicroscopy)TEM-TransmissionElectronMicroscopeAEM-AnalyticalElectronMicroscopeSTEM-ScanningTransmissionElectronMicroscopeEPMA-ElectronProbeMicroAnalyzerSPM-ScannedProbeMicroscope(STM,AFM)ToseeaVIRTUALSEM,gotothefollowinglink:大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静HighResolutionFieldEmissionSEM一、电子束与固体样品作用时产生得信号

入射电子(又称为初始或一次电子)照射固体时与固体中粒子得相互作用包括:(1)入射电子(incidentelectron)得散射;(2)入射电子对固体得激发(kickout);(3)受激发粒子在固体中得传播。电子束与固体样品作用时产生得信号(部分)backscatteredelectroncharacteristicX-raySpecimenaugerelectronincidentelectron

入射secondaryelectrontransmissionelectronabsorbedelectron

吸收电子InteractionVolumeandsignalgeneration1、背散射电子背散射电子就是被固体样品中得原子核反弹回来得一部分入射电子,其中包括弹性背散射电子与非弹性背散射电子。弹性背散射电子就是指被样品中原子核反弹回来得,散射角大于90o得那些入射电子,其能量没有损失(或基本上没有损失)。由于入射电子得能量很高,所以弹性背散射电子得能量能达到数千到数万电子伏。非弹性背散射电子就是入射电子与核外电子撞击后产生非弹性散射,不仅方向改变,能量也有不同程度得损失。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面,这就形成非弹性背散射电子。非弹性背散射电子得能量分布范围很宽,从数十电子伏特直到数千电子伏特。从数量上瞧,弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占得份额多。背散射电子来自样品表层几百纳米得深度范围。由于它得产额能随原子序数增大而增多,所以不仅能用作形貌分析,而且可以用来显示原子序数衬度,定性地用作成分分析。2、二次电子在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面得核外电子叫做二次电子。这就是一种真空中得自由电子。因原子核与外层价电子间得结合能很小,因此外层得电子-比较容易与原子脱离,使原子电离。一个能量很高得入射电子射入样品时,可以产生许多自由电子,其中90％就是来自外层得价电子。二次电子得能量较低,一般都不超过8×10-19J(50eV)。大多数二次电子只带有几个电子伏得能量。在用二次电子收集器收集二次电子时,往往也会把极少量低能量得非弹性背散射电子一起收集进去。事实上这两者就是无法区分得。二次电子一般都就是在表层5～l0nm深度范围内发射出来得,它对样品得表面状态十分敏感。因此,能非常有效地显示样品得表面形貌。二次电子得产额与原子序数之间没有明显得依赖关系,所以不能用它来进行成分分析。3、吸收电子

入射电子进入样品后,经多次非弹性散射能量损失殆尽(假定样品有足够得厚度没有透射电子产生),最后被样品吸收。假定入射电子流强度为Io,背散射电子流强度为Ib

二次电子流强度为Is

,则吸收电子产生得电流强度Ia,,

则

Ia=Io-Ib-Is入射电子束与样品作用后,若逸出表面得背散射电子与二次电子数量愈少,则吸收电子信号强度愈大。若把吸收电子信号调制成图象,则它得衬度恰好与二次电子或背散射电子信号调制得图象衬度相反。吸收电子能产生原子序数衬度,同样也可以用来进行定性得微区成分分析。原因:入射电子束射入一个多元素得样品中去时,由于不同原子序数部位得二次电子产额基本上就是相同得,则产生背散射电子较多得部位(原子序数大)其吸收电子得数量就较少,反之亦然。4、透射电子就是指采用扫描透射操作方式对薄样品成象与微区成分分析时形成得透射电子。

透射电子就是由直径很小(<10nm)得高能电子束照射薄样品微区时产生得,因此,透射电子信号就是由微区得厚度、成分与晶体结构来决定。透射电子中除了有能量与入射电子相当得弹性散射电子外,还有各种不同能量损失得非弹性散射电子,其中有些遭受特征能量损失△E得非弹性散射电子(即特征能量损失电子)就是与分析区域得成分有关,因此,可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。5、特征X射线当内层得电子被激发或电离时。原子就会处于能量较高得激发状态。此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子得空缺,从而使原子得能量降低。如果原子得一个K层电子受入射电子轰击而跑出原子核得作用范围,则该原子就处于K激发状态,具有能量EK。当一个L2层得原子填补K层得空缺后,原子得能量将从EK

降至EL2,则△E=EK-EL2得能量被释放出来。若这个能量就是以x射线方式释放得话,这就造成了该元素得Ka2辐射,其波长为普朗克常数光速5、特征X射线

对于一定得元素EK,EL2……得数值都就是固定得,故×射线得波长也就是固定得特征数值,这种x射线被称之为特征x射线。

x射线得波长与原子序数之间服从莫塞莱定律,即原子序数常数→原子序数与特征能量之间就是有对应关系得,利用此关系可以进行成分分析。如果用x射线探测器测到了样品徽区中存在某一种特征波长、就可以判定这个微区中存在着相应得元素。6、俄歇电子

如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来得能量△E并不以x射线得形式发射出去,而就是用这部分能量把空位层内得另一个电子发射出去(或使空位层得外层电子发射出去),这个被电离出来得电子称为俄歇电子。

每一种原子都有自己得特定壳层能量,所以它们得俄歇电子能量也各有特征值。各种元素得俄歇电子能量很低,一般位于8×10-19～240×10-19J(50～1500eV)范围之内。跃迁得类型与元素得种类决定了俄歇电子能量得高低。

俄歇电子得平均自由程很小(1nm左右),因此在较深区域中产生得俄歇电子向表层运动时必然会因碰撞而损失能量,使之失去了具有特征能量得特点,而只有在距离表面层lnm。左右范围内(即几个原子层厚度)逸出得俄歇电子才具备特征能量,因此,俄歇电子特别适用做表面成分分析。

除了上面列出得六种信号外,固体样品中还会产生例如阴极荧光、电子束感动势等信号,这些信号经过调制后也可以用于专门得分析。二、SEM结构及成象原理扫描电子显微镜就是由电子光学系统、信号收集、图象显示与记录系统、真空系统、电源系统组成。电子枪对中控制气动空气锁阀物镜孔径进气口旋转式泵Vacuum•Why?

ElectronMeanFreePathrequiresatleast10-3Torr•Electronsourcelife•Wfilament

10-4Torr•LaB6filament

10-7Torr•FieldEmission

10-10TorrHowdoweachieveagoodvacuum?•Mechanicalroughingpumpbackingadiffusionpump•Liquidnitrogencoldtrap•Turbomolecularpump•Iongetterpump**Note:Vacuummostcriticalingunarea;allpartsmustbeveryclean!

电子光学系统包括:电子枪、电磁透镜、扫描线圈、样品室

电子枪发出得电子束,以栅极聚集后,在加速电压得作用下,经二到三个电磁透镜组成得光学系统,电子束会聚成一个很细得电子束射在样品表面。在末级透镜上安装有扫描线圈,在其作用下使电子束在样品表面扫描,产生各种信息,分别用相应得收集器收集,经放大送到显像管得栅极上,调制其亮度。注意:扫描线圈得电流与显像管上相应得亮度就是同步得。强磁透镜聚焦作用弱磁透镜焦距长空间大、方便装入探测器Secondarydetector(ETD)

扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成象透镜用,它们得功能只就是把电于枪得柬斑(虚光源)逐级聚焦缩小,使原来直径约为50mm得束斑缩小成一个只有数个纳米得细小斑点,要达到这样得缩小倍数,必需用几个透镜来完成。

扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜:前两个聚光镜就是强透镜,可把电子束光斑缩小;第三个透镜就是弱透镜,具有较长得焦距。布置这个末级透镜(习惯上称之为物镜)得目得在于使样品室与透镜之间留有一定得空间,以便装入各种信号探测器。

扫描电子显微镜中照射到样品上得电子束直径愈小,就相当于成象单元得尺寸愈小、相应得分辨率就愈高。采用普通热阴极电子枪时,扫描电子束得束径可达到6nm左右。若采用六硼化镧阴极与场发射电子枪,电子束束径还可进—步缩小。•Filament•FilamentHeater•WehneltCap(氧化物阳极帽)•Anode•HighVoltagebetweenanodeandfilamentElectronGun

扫描电镜采用逐点成像得方法,把样品表面不同得特征按顺序、成比例地转换成视频信号,完成一帧图像。传统场发射电子枪原理图Fieldemissionelectrongunemitterextractionelectrodeanodeextractionpowersupplyaccelerationpowersupplyflashingpowersupply圆锥阳极型场致发射电子枪示意图传统场发射电子枪原理图场发射扫描电镜进展及其物理基础廖乾初

三、SEM得主要性能

1、放大倍数

M=l/L

其中l为荧光屏长度,L为电子束在试样上扫过得长度。放大倍数得调节电流。

电流减小,在试样上移动得距离变小,则放大倍数增大。放大倍数连续可调。1、放大倍数

M=l/L

其中l为荧光屏长度,L为电子束在试样上扫过得长度。放大倍数得调节电流。

电流减小,在试样上移动得距离变小,则放大倍数增大。放大倍数连续可调。2、景深

扫描电镜景深比较大,成像富有立体感,特别适合做粗糙样品表面得观察与分析,如断口分析、裂纹分析。3、分辨率分辨率就是扫描电镜得主要性能指标之一。理想情况下,二次电子像得分辨率等于电子束斑直径。常用来做为衡量扫描电镜性能得主要指标。

四、样品制备

除了生物样品外,其它样品得制备均比较简单,尺寸与形状要求与扫描电镜得型号有关。如:大多数情况下,对于不导电得样品,必须经过喷金、银等重金属或碳等手段进行处理,否则不能观察。目前,新型得扫描电镜已实现对不导电样品得直接观察。放入样品室前必须用超声波清洗。

五、二次电子衬度原理及其应用

二次电子信号主要用于分析样品得表面形貌。1、二次电子成像原理二次电子只能从样品表层5-10nm范围内被入射电子激发出来。表层以下得二次电子只能被样品吸收。二次电子得强度与其(产额)有关。？与原子序数没有明显得关系与微区表面形貌有明显得关系对微区形貌得几何形状十分敏感

二次电子成像原理示意图二次电子产额a)最少、b)最多(有效深度增加)、c)超过5-10nm深度得被吸收。c、二次电子形貌衬度形成原理二次电子形貌衬度形成示意图B面得倾斜度最小,二次电子产额最少,亮度最低;C面得倾斜度最大,亮度也最大。

实际情况复杂得多,但衬度原理就是相同得c、二次电子形貌衬度形成原理

尖端、小颗粒及比较陡得斜面处,亮度较大;凹槽、裂纹等低凹处,二次电子不易被检测到,衬度较暗。

实际样品中二次电子得激发过程示意图a、尖端b、小颗粒c、侧面d、凹槽Edgeeffect(secondaryelectronemissiondifferingwithsurfacecondition)、InfluenceofedgeeffectonimagequalityAmongthecontrastfactorsforsecondaryelectrons,thetilteffectandedgeeffectarebothduetothespecimensurfacemorphology、Secondaryelectronemissionfromthespecimensurfacedependslargelyontheprobe’sincidentangleonthespecimensurface,andthehighertheangle,thelargeremissioniscaused、TheobjectsoftheSEMgenerallyhaveunevensurfaces、Therearemanyslantsalloverthem,whichcontributemosttothecontrastofsecondaryelectronimages、Ontheotherhand,largequantitiesofsecondaryelectronsaregeneratedfromtheprotrusionsandthecircumferencesofobjectsonthespecimensurface,causingthemtoappearbrighterthanevenportions、SpecimenICchip、Thehighertheacceleratingvoltage,thegreateristheedgeeffect,makingtheedgesbrighter、InfluenceofedgeeffectonimagequalityThedegreeoftheedgeeffectdependsontheacceleratingvoltage、Namely,thelowertheacceleratingvoltage,thesmallerthepenetrationdepthofincidentelectronsintothespecimen、Thisreducesbrightedgeportions,thusresultinginthemicrostructurespresentinthembeingseenmoreclearly、Normally,secondaryelectronimagescontainsomebackscatteredelectronsignals、Therefore,ifthetiltdirectionofthespecimensurfaceandthepositionofthesecondaryelectrondetectoraregeometricallyinagreementwitheachother,morebackscatteredelectronsfromthetiltedportionsaremixed,causingthemtobeseenmorebrightlyduetosynergism、(a)5kVx720TiltAngle:50°(b)25kVx720TiltAngle:50°Specimen:ICchip、5kVx1,100Thesidesofpatternsareviewedbytiltingthespecimen、Theamountofsignalsisincreased、Useofspecimentilt:a)Dependenceofimagequalityontiltangle1)Improvingthequalityofsecondaryelectronimages;2)Obtaininginformationdifferentformthatobtainedwhenthespecimenisnottilted,thatis,observingtopographicfeaturesandobservingspecimensides、3)Obtainingstereomicrographs、Fig、13showsaphototakenatatiltangleof0°(a)andaphototakenat45°(b)、Theirparisonshowsthatthelatterisofsmoothqualityandstereoscopicasparedwiththeformer、Whenthespecimenistilted,howeverlengthsobservedaredifferentfromtheiractualvalues、Whenmeasuringpatternwidths,etc、,therefore,itisnecessarytomeasurewithoutspecimentiltingortocorrectvaluesobtainedformatiltedstate、(a)Tiltangle:0°(b)Tiltangle:45°Specimen:Backsidesofoleasterleaves、Moreinformationisobtainedfromstereo-pairphotos、Useofspecimentilt:b)StereomicrographsWithSEMimagesitissometimesdifficulttocorrectlyjudgetheirtopographicalfeatures、InsuchacaseobservationofstereoSEMimagesmakesiteasytounderstandthestructureofthespecimen、Besides,stereoobservationallowsunexpectedinformationtobeobtainedevenfromspecimensofsimplestructure、Instereoobservation,afterafieldofinterestisphotographed,thesamefieldisphotographedagainwiththespecimentiltedfrom5ºto15º、Viewingthesetwophotosusingstereoglasseswiththetiltingaxisheldverticallyprovidesastereoimage、Whentheoreticallyconsideringtheelectronprobediameteralone,thehighertheacceleratingvoltage,thesmalleristheelectronprobe、However,therearesomeunnegligibledemeritsinincreasingtheacceleratingvoltage、Theyaremainlyasfollows:1)Lackofdetailedstructuresofspecimensurfaces、2)Remarkableedgeeffect、3)Higherpossibilityofcharge-up、4)Higherpossibilityofspecimendamage、InSEM,finersurfacestructureimagescangenerallybeobtainedwithloweracceleratingvoltages、Athigheracceleratingvoltages,thebeampenetrationanddiffusionareabeelarger,resultinginunnecessarysignals(e、g、,backscatteredelectrons)beinggeneratedfromwithinthespecimen、Andthesesignalsreducetheimagecontrastandveilsfinesurfacestructures、Itisespeciallydesirabletouselowacceleratingvoltageforobservationoflow-concentrationsubstances、2、加速电压对SEM像得影响

AlwaysconsiderInteractionVolumeTheeffectofAcceleratingVoltageonSEMImages30kV10kV5kV3kVSpecimen:Toner墨粉Whenhighacceleratingvoltageisusedasat(a),itishardtoobtainthecontrastofthespecimensurfacestructure、Besides,thespecimensurfaceiseasilychargedup、Thesurfacemicrostructuresareeasilyseenat(b)、(a)30kVx2,500(b)5kVx2,500Specimen:EvaporatedAuparticles、Theimagesharpnessandresolutionarebetteratthehigheracceleratingvoltage,25kV、(a)5kVx36,000(b)25kVx36,000Specimen:Filterpaper、At5kV,themicrostructuresofthespecimensurfaceareclearlyseenasthepenetrationanddiffusionareaofincidentelectronsisshallow、(a)5kVx1,400(b)25kVx1,400Fig、6Specimen:Sinteredpowder、Atlowacceleratingvoltage,whilesurfacemicrostructurescanbeobserved,itisdifficulttoobtainsharpmicrographsathighmagnifications、Insuchacase,clearimagescanbeobtainedbyshorteningtheWDorreducingtheelectronprobediameter、(a)5kVx7,200(b)25kVx7,200Specimen:Paintcoat、Whenahighacceleratingvoltageisused,morescatteredelectronsareproducedfromtheconstituentsubstanceswithinthespecimen、Thisnotonlyeliminatesthecontrastofsurfacemicrostructures,butproducesadifferentcontrastduetobackscatteredelectronsfromthesubstanceswithinthespecimen、(a)5kVx2,200(b)25kVx2,200SE(secondaryelectron)imagingHighresolution(betterthan5nm)isobtainablewithmostSEM’sBetterthan2nmresolutionispossibleinsomecases10nmresolutionisveryroutine(unlessthesamplelimitstheresolution,asisoftenthecase)影响二次电子形貌像得因素有哪些？3、SEM二次电子像在金属材料中得应用高倍显微组织分析

退火共析钢得铁素体与渗碳体得二次电子像

比较而言,铁素体比较平整,二次电子产额比较少,在荧光屏显得比较暗。珠光体中得片状渗碳体凸出于铁素体之上,故显得较亮。3、SEM二次电子像在金属材料中得应用断口分析

韧性断口

沿晶断裂断口3、SEM二次电子像在金属材料中得应用断裂过程得动态研究

有得型号得SEM带有较大拉力得拉伸台装置,可很方便地对金属材料动态断裂过程进行研究。可直接观察裂纹得萌生及扩展与材料显微组织间得关系,并可连续记录下来,为研究断裂机理提供直接得依据。

六、背散射电子衬度原理及其应用

1、背散射电子原子序数衬度原理

背散射电子的信号既可用来进行形貌分析，也可用于成分分析。成分像在进行晶体结构分析时，通道花样衬度是由背散射电子信号的强弱造成的。原子序数对背散射电子产额的影响

在原子序数z小于40得范围内,背散产得产额对原子序数十分敏感。

六、背散射电子衬度原理及其应用

在进行分析时,样品上原子序数较高得区域中由于收集背散射电子数量较多,故荧光屏上得图象较亮。利用原子序数造成得衬度变化可材料进行定性得成分分析。样品中重元素区域相对于图象上就是亮区、而轻元素则为暗区。当然,在进行精度稍高得分析时,必须事先对亮区进行标定,才能获得满结果。

为了避免形貌衬度对原子序数衬度得干扰,被分析得样品只进行抛光,而不必腐蚀。

六、背散射电子衬度原理及其应用

背散射电子形貌分析效果分辨率远低于二次电子,在没有特殊要求得前提下,都优先选用二次电子形貌像。2、背散射电子形貌衬度特点

原因:a、背散射电子作用体积大;b、直线轨迹逸出,背向检测器得信号收集不到,细节层次减少。SEMpositionalimageBackscatteredSEMimageofanPbSnalloyshowingcontrastbasedontheatomicnumber、ThebrighterareasarePb-rich、SEversuBSEimagesofalloyObjectivelensCu/ZnAlloy,SE(left),BSE(right)、

0、1AtomicNumberDifference

七、能谱分析与波谱分析

需要解决得主要问题:1、电子