SEM原理与应用

1、扫描电子显微镜概述,提纲,引言,扫描电镜（SEM）是一种大型精密仪器，为微观世界的探测提供了一种新的研究手段，不仅用于植物学、医学、微生物学、古生物学、考古学、材料学、化学、物理学、电子学、地质矿物学、食品科学等领域，而且还广泛地应用于半导体工业、陶瓷工业、化学工业、石油工业等生产部门。随其普及和发展，SEM已经成为广泛的测试手段，并且在基础研究和应用研究上取得了显著成果。,扫描电镜的优点,高分辨率。由于超高真空技术的发展，场发射电子枪的应用得到普及，现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1纳米左右； 有较高的放大倍数； 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结

2、构； 试样制备简单； 配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析。,扫描电镜的发展历程1,1924年，法国科学家De.Broglie证明任何粒子在高速运动时都会发射一定波长的电磁辐射。 1926年，德国科学家Garbor和Busch发现用铁壳封闭的铜线圈对电子流能折射聚焦，即可以作为电子束的透镜。 1935年，Knoll提出了扫描电镜的设计思想并制成了扫描电镜的原始模型。 1942年，剑桥大学的马伦成功地制造世界第一台扫描电镜。,扫描电镜的发展历程2,1960 Everhart and Thornley 发明二次电子侦测器。 1965 第一部商用SEM出现。 我国电

3、镜研制起步比较迟，1958年在长春中国科学院光学精密机械研究所生产了第一台中型电镜。 1975年中国科学院北京科学仪器厂成功试制了第一台DX-3型扫描电镜，分辨率为10nm，填补了我国扫描电镜的空白。,扫描电镜实物图,JSM-6700F场发射扫描电镜,原理概述,激发源：电子束轰击样品表面原子 二次信号：激发二次电子、X射线和返回入射空间的背散射电子 收集散射电子并成像,激发源：入射电子束与样品的作用,电子束经会聚透镜在试样表面聚焦成几纳米的束斑,试样,电子散射区域,萤光 (化学结合状态),(形貌成份),反射电子,X线,(元素),电子束 (0.230kV),二次电子(试样的表面形貌),俄歇电子（

4、元素）,背散射电子,在深度1001000nm，横向100nm100nm体范围内激发横向分辨率低，景深大，立体感强 能量接近于入射电子 产额与试样原子大小相关： 从而背景散射电子成像的衬 度可以反映试样中原子序数的差异,二次电子,入射电子与试样核外层电子作用，在10nm深度内激发出的约几十eV的电子 产生范围与入射斑点相当 产额比背散射电子大得多， 是SEM成像的主要部分 产额与入射角相关：,二次电子成像机理,样品斜放，样品表面起伏造成入射角不同，从而二次电子散射的角度和 产额均不同,其他激发产物,入射电子使试样原子电离成为不稳定态，其外层电子向内层跃迁时发射的射线为X射线 同时跃迁释放的能量激

5、发另一层的电子跃迁则得到俄歇电子 配备X射线波谱仪、能谱仪 则可确定试样的成分（XPS） 也可以利用俄歇电子 研究试样的表面结构形貌 还包括：吸收电子，散射 荧光、声子激发、等离子震荡 等等,扫描电镜的结构,电子光学系统 电子枪 透镜 扫描线圈 样品室 信号收集、处理和显示系统 真空系统 控制系统,电子的收集和成像原理,ESEM环境扫描电镜,SEM要求样品室真空度达10-3Pa SEM要求样品必须导电 对于生物材料SEM技术比较麻烦,环境扫描电镜技术的提出和发展,XL30 ESEM-TMP环境扫描电镜,ESEM原理,气体放大原理：,入射电子束1从样品5表面激发信号电子: 二次电子4和背散射电子

6、3 入射电子和信号电子将空气电离化 在样品和电极板2之间加一个稳定电场, 电子、离子定向加速,能量足够大则电离气体分子, 如此反复倍增,ESEM信号探测系统,SEM的主要性能1,放大倍数 SEM的放大倍率=L/A,电子束,扫描(Y方向),扫描(X方向),试样,扫描(Y方向),扫描(X方向),CRT的电子束,CRT,A,SEM的主要性能2,分辨率 分辨率是扫描电镜的主要性能指标。对成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。一般二次电子像的分辨率约为5-10nm，背反射电子像的分辨率约为50-200nm。 影响分辨率的因素： 入射电子束束斑直径 入射电子束在

7、样品中的扩展效应 所用的调制信号及成像方式,SEM的主要性能3,景深 景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。 SEM的景深为比之一般光学显微镜大100-500倍，比之TEM大10 倍。 景深D=2r/a，a=R/WD，r为电子束直径 假设CRT光点大小为0.1mm=100um 2r=0.1/M（放大倍率） D=100um/（M*a）=（100um*WD/M*R）,1、入射电子束打到样品表面点处的倾角 2、边缘效应 在样品边缘和尖端部位射入电子，样品电子更容易脱离，产生二次电子很多，图像异常明亮 3、原子序数效应,影响SEM成像的因素1,4、荷电效应 当样品不导电或

8、导电不良，样品会因吸收电子而带负电，放电并且排斥后续入射电子，使其被检测器吸收或者轰击样品室其他部件 5、加速电压 高分辨率高电压 更自然低电压 6、像散 像散是由于SEM的磁场轴向 不对称所引起的一种像差。,影响SEM成像的因素2,e-,e-,被检测器吸收,轰击样品室其他部件,SEM样品制备特点,可以观察大尺度的样品，从毫米到厘米尺寸的样品都可以观察 成块样品不用制成超薄切片，样品制备方法要简单得多 特别适合于细胞表面和组织表面特征信息的研究,SEM制样准则,尽可能保持样品本来的形貌和结构 在样品的干燥过程尽可能减少样品变形 样品表面应有良好导电性能和二次电子发射率,SEM制样技术,纳米颗粒

9、样品制备,基片：玻璃片，硅片，铜片,一般情况下将纳米颗粒的溶液滴到基片上，干燥。,SEM图显示颗粒分布不均,基片不干净 纳米颗粒不干净：可以用多种溶剂反复洗，超纯水，乙醇，丙酮等。,硅片的清理方法,除油：硅片先后在丙酮、甲醇中超声20min 碱性过氧化氢溶液中进行氧化10min，溶液成分比为NH4OHH2O2H2O（1：1：4），以除去表面氧化物 将硅片放入PH值为5.0的HF溶液中刻蚀10min，其目的是除去表面的氧化物、移去表面的破损层并得到平整的表面 将硅片放入酸性过氧化氢溶液中进行氧化10min，溶液成分比为HClH2O2H2O（1：1：4），其作用是络合表面的金属离子 以上每一步完成

10、后都用大量的超纯水冲洗，最后置于超纯水中。,生物样品的制备,一、固定：,固定剂：甲醛、戊二醛、四氧化锇,固定温度：037,固定时间：10分几小时,生物样品的制备,50%100%乙醇或丙酮脱水,二、脱水：,乙醇、丙酮另一个作用： 用表面张力小的乙醇取代表面张力很大的水 使干燥过程对样品表面产生的影响较少,生物样品的制备,三、干燥：,临界点干燥法：利用二氧化碳超临界流体,生物样品的制备,低温（510）时，将样品加到液体CO2中，液体CO2取代有机溶剂，当温度升高到临界温度31.3，液体CO2转化成CO2气体，从加压池中把CO2气体放出，同时干燥了样品,临界点干燥法：,优点： 由于超临界流体没有液相

11、和气相的界面，因此样品干燥也没有经过两相界面的状态，对样品的破坏程度小。,生物样品的制备,玫瑰花瓣表面的SEM照片 (850X)，CPD干燥,玫瑰花瓣表面的SEM照片 (850X)，风干凝固,USTC,扫描电子显微镜的应用,粉体的表征,有机物辅助 固相反应法,化学共沉淀法,均匀沉淀法,甘氨酸 硝酸盐法,掺杂氧化铈(doped ceria)粉体的SEM照片,自蔓延制备Si3N4粉体不同部位的颗粒形貌,球磨前后粉体烧结照片,平均粒径500nm,平均粒径 68 nm,泡沫陶瓷,材料和冶金工业,SEM在材料和冶金工业应用范围很广，包括断裂失效分析、产品缺陷原因分析、镀层结构和厚度分析、涂料层次与厚度分

12、析、材料表面磨损和腐蚀分析、耐火材料的结构与蚀损分析等等。,材料拉伸测试,另一个世界的探索,扫描电镜观察生物样本,独居蜂幼虫,扫描电镜观察生物样本,哥布林蜘蛛,扫描电镜观察生物样本,撒克逊黄蜂的颚齿,扫描电镜观察生物样本,发育成熟的蜜蜂幼虫,扫描电镜观察生物样本,苍蝇的复眼,扫描电镜观察生物样本,苍蝇的复眼,扫描电镜观察生物样本,苍蝇的复眼,扫描电镜观察生物样本,苍蝇的复眼,纳米材料独特的物理化学性质主要源于它的超微尺寸及超微结构。因此对纳米材料表面形态的观察成为对其研究和应用的基础。,扫描电子显微镜(SEM)在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面依靠其高分辨率良好的景深简易的操作等优势被大量

13、采用。,SEM在纳米材料领域的应用,.,A Soution-Phase,Precursor Route to Polycrystalline SnO2 Nanowires That Can Be Used For Gas Sensing Under Ambiebt Conditions Yuliang Wang,Xuchuan Jiang,and Younan Xia* Department of Chemistry, UniVersity of Washington, Seattle, Washington 98195 J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 16176-1

14、6177,SnC2O42H2O was mixed with poly(vinylpyrrolidone) (PVP) in ethylene glycol (EG), followed by refluxing at 195 C for 3 h.,Facile fabrication of triple-layer (AuAg)polypyrrole coreshell and (AuH2O)polypyrrole yolkshell nanostructures Shuangxi Xing, Li Huey Tan, Tao Chen, Yanhui Yang and Hongyu Chen* Received (in Cambridge, UK) 25th November 2008, Accepted 19th January 2009 First published as an Advance Article on the web 17th February 2009,Carbon