材料分析方法第八章电子显微镜和电子探针显微分析

1、第八章,扫描电子显微镜与电子探针 显微分析, 内容提要：, 第一节,电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号, 第二节 扫描电子显微镜的结构和工作原理, 第三节 表面形貌衬度原理及其应用, 第四节 原子序数衬度原理及其应用, 第五节 电子探针X射线显微分析,引 言 SEM用于材料分析的特点 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达 1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调； 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大 的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； 试样制备简单。一般来说，比透射电镜（TEM）的 制样简单，且可使图像更近于试样

2、的真实状态； 可做综合分析。,第一节 电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号 高能电子与固体物质相互作用可以产生很多信息。检测这些信息，并通过分析得到样品的形貌、成分、结构等信息。 这些信息包括：二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子以及俄歇电子、特征X射线等（如图）。,一、二次电子（secondary electron，SE） 二次电子：指被入射电子轰击出来的样品原子的 核外电子。 产生机理： 当样品原子的核外电子受入射电子激发(非弹性散射)获得了大于临界电离的能量后，便脱离原子核的束缚，变成自由电子，其中那些处在接近样品表层而且能量大于材料逸出功的自由电子就可能从表面逸出成为真空中的

3、自由电子，即二次电子。 样品上方检测到的二次电子90%来自原子外层的价电 子。, 二次电子的特点： 能量较低；一般小于50 eV，大部分只有几个电子 伏特。 取样深度较浅；这是因为SE能量很低，只有在接近表面大约几十nm内的SE才能逸出表面，成为可接受的信号。 因此，二次电子来自表面550nm的区域，能量为0 50 eV。, 主要用于形貌观察；这是因为二次电子产额随原 子序数的变化不明显，主要决定于试样的表面形貌。 空间分辨率较高。由于二次电子来自试样的表面层，入射电子还来不及被多次散射，因此产生二次电子的面积主要与入射电子的照射面积（即束斑）大小有关。所以二次电子的空间分辨率较高，一般可达到

4、510nm。 扫描电镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。,二、背散射电子（BSE） 背散射电子（也称初级背散射电子）：指受到固体样品原子的散射之后又被反射回来的一部分入射电子。 产生过程：包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，可从数十电子伏特到接近入射电子的初始能量。, 背散射电子的特点： 分析用的背散射电子信号通常是指那些能量较高，其中主要是能量等于或接近入射电子能量的弹性背散射电子。 如图，这是由于从电子能谱曲线上看出，能接收到的非弹性背散射电子数量比弹性背散射电子少得多。, 背散射电子像的分辨率 低于二次电子； 背散射电子的产生范围在0.11 m深，来自

5、于比二次电子更大的区域，故背散射电子像的分辨率比较低，一般为50 200nm。, 不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数 衬度，进行定性地微区成分分析。 背散射电子的产额随原子序数（Z）的增加而增加 ； 而且与表面形貌也有一定的关系。 利用BSE的衍射信息还可以研究样品的结晶学 特征。,三、吸收电子（AE） 高能电子入射样品后，其中一部分入射电子经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后留在样品内部，即称为吸收电子。 若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则得到吸收电子 像。 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表(如毫安表)，将检测到样品对地的电流信号，这

6、个信号是由吸收电子提供的，就是吸收电流（或称样品电流信号）。, 假如入射电子束照射一个足够厚度(m数量级)的样品 ，没有透射电子产生，则： I0=Ib+Is+Ia 式中，入射电子电流强度I0、背散射电子电流强度Ib 、二次电子电流强度Is 、吸收电子电流强度Ia 。 对于一个多元素的平试样来说，当入射电流强度I0一定，则Is一定(仅与形貌有关)，那么Ia与Ib存在互补关系，即背散射电子增多则吸收电子减少。, 吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的 原子序数相关。 因此，吸收电子像可以反映原子序数衬度，同样 也可以用来进行定性的微区成分分析。 （图像的衬度与背散射电子像相反。）,四、特征X射

7、线,特征X射线：原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的一种电磁辐射。, 特点： 代表了元素的特征能量 和波长, 具体来说，如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原子就处于K激发态，具有能量EK。当一个L2层电子填补K层空位后，原子体系变成L2激发态，能量从EK降为EL2，这时有EEK-EL2的能量释放出来。 （若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射 。） 此X射线的波长为： 因此，辐射的X射线都有与元素对应的特征能量和特征波 长。, 特征X射线是从试样0.55m深处发出的。 可进行微区成分分析。 特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律： 式中，Z为原子序数，K、

8、为常数。 因此，利用原子序数和特征能量之间的对应关系可以进 行成分分析。,五、俄歇电子（Auger electron，AUE） 如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子就是俄歇电子。 显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。, 俄歇电子的特点： 带有元素原子的特征能量 俄歇电子的能量与其发生过程相关的原子壳层能级(如EK、EL)有关。而EK 、 EL各能级的能量仅与元素(原子序数)有关，所以每一个俄歇电子的能量都有固定值，即带有元素原子的能量特征。 俄歇电子

9、能量很低；一般为501500eV ，随 不同元素、不同跃迁类型而异。, 用于分析的俄歇电子主要来自试样表面23个 原子层，即表层以下1 nm以内范围。 这是由于在较深区域中产生的俄歇电子，在向表面运动时，必然会因碰撞而损失能量，使之失去了具有特征能量的特点。 俄歇电子信号适用于表面化学成分分析(如晶 界、相界等相关界面)。 用俄歇电子进行分析的仪器称为俄歇电子谱仪（ AES）。,六、透射电子（transmission electron，TE） 如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有 相当一部分入射电子穿过样品而成为透射电子。 透射电子可被安装在样品下方的电子检测器检测。 在入射电子

10、穿透样品的过程中将与原子核或核外电子发生有限次数的弹性或非弹性散射。因此，样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。 TE的强度取决于微区的厚度、成分、晶体结构和晶向。,七、其它物理信号 除了上述六种信号外，固体样品中还会产生例如阴极荧光、电子束感生电流（效应）和电动势等物理信号。 阴极荧光产生的物理过程对杂质和缺陷的特征十分敏感，因此，是用来检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物相、杂质和缺陷分布。 束感生电流(效应)反映了在电子束作用下半导体样品导电性的变化，可检测少数载流子的扩散长度和寿命，为半导体材料和固体电路的研究

11、提供了非常有用的物理信息。,第二节,扫描电子显微镜的结构 和工作原理, 一、扫描电镜的工作原理 二、扫描电镜的结构 三、扫描电镜的主要性能 四、样品制备,一、扫描电镜的工作原理 工作过程： 由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。 同时，在末级透镜上边装的扫描线圈的作用下，使电子束在样品表面扫描，激发出物理信号； 用探测器对物理信号进行检测、放大、成像，用于各种微观分析。, 成像方式：逐点成像 由于扫描线圈的电流与显像管的相应偏转电流同步，因此试样表面任意点的发射信号与显像管荧光屏上的亮

12、度一一对应。也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。 由于电子束对样品的扫描与显像管中电子束的扫描保持严格同步，所以可把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面各种特征的放大像。,二、扫描电镜的结构 扫描电镜的组成： 电子光学系统； 信号收集及显示系统； 真空系统； 电源系统。,1、电子光学系统 对扫描电子束的要求：具有较高的亮 度和尽可能小的束斑直径。 作用：用来获得一束高能量、细聚焦的扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。 （与透射电镜的不一样，透射电镜的 电子光学系统是用来成像的。） 组成：电

13、子枪、电磁透镜、扫描线圈 和样品室等部件。,(1)电子枪 作用：提供一个连续不断的稳定的电子源，以形 成电子束。 扫描电镜的电子枪与透射电镜的电子枪相似，只 是加速电压比透射电镜的低。 常利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电 子束。,(2)电磁透镜 作用：把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约50m的束斑（钨灯丝电子枪）缩小成一个只有几nm的细小束斑。 （即不作为成像透镜用，而是作为会聚透镜用。） 束斑的缩小过程通常采用三个聚光镜：即第一聚光镜、第 二聚光镜和末级聚光镜（习惯上称为物镜） 。 前两个聚光镜：强磁透镜，用来缩小电子束斑； 物镜：弱磁长焦距透镜，使束斑进一步缩小并使之成像于

14、样品面上。,(3)扫描线圈 作用：使电子束偏转，并在 试样表面做有规律的扫描。 该扫描线圈与显示系统中显 像管的扫描线圈严格同步。 扫描电镜采用双偏转扫描线圈，在电子束偏转的同时还进行逐行扫描，电子束在上下偏转线圈的作用下，在试样表面扫描出一个与显示器屏幕相对应的长方形区域。,(4)样品室 特点： 样品室的空间较大； 扫描电镜的样品室除放置样品外，还要安置各种信号检测器。 样品台一般可放置2010 mm的块状样品。 样品台还要能沿X、Y及Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平轴倾斜，活动范围很大，又要精度高、振动小。,2信号收集和显示系统 作 用：检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经

15、视频放大，作为显像系统的调制信号，最后在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描图像。 组 成：各种信号检测器、前置放大器和显示装置 。, 对于不同种类的物理信号要用不同的检测器来检测。 二次电子、背散射电子和透射电子信号可以用闪 烁计数器来进行检测。 随检测信号不同，闪烁计数器的安装位置不同。 （安装在样品上方可以检测SE和BSE；安装在样品 下方可以检测TE。）, 检测SE时，栅网上加250500 V正偏压，吸引样品上发射的SE飞向探头，这对低能二次电子起加速作用，并增大了检测的有效立体角。 检测BSE，则在栅网上加50V的负偏压，以阻止SE到达检 测器。,三、扫描电镜的主要性能 1放大倍数 2

16、分辨率 3景深,1放大倍数 扫描电镜的放大倍率变化范围宽，连续可调，操作快速、容易。 扫描电镜的放大倍数为： 式中， AS为电子束在样品表面扫描的幅度， AC为在荧光屏上阴极 射线同步扫描的幅度。 由于荧光屏尺寸Ac固定不变，因此，放大倍率的变化是通过调节镜筒中扫描线圈的电流来改变电子束在试样表面的扫描幅度AS来实现。,2分辨率（resolution） 对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。 对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域； 影响扫描电镜分辨率的主要因素有： （1）入射电子束斑直径 束斑直径的大小主要取决于电子光学系统。 （2）入射电子束在样品中的扩展效应, 高能电子入射样品

17、，产生散射，使电子束在向前运动的同时，向周围扩散，从而形成一相互作用区。 作用区是一“梨”形区,其范围大大超过入射束的直径。 因此，分辨率并不等于 电子束直径。,（3）成像所用信号的种类 成像操作所用检测信号的种类不同，分辨率有着明显的差别。 造成这种差别的原因主要与信号本身的能量和信号取样的区域范围有关。, 此外，样品原子序数、信噪比、杂散磁场、机械振动等因素，对扫描电镜的分辨率也都将产生影响。 样品原子序数愈大，电子束进入样品表面的横向 扩展愈大，分辨率愈低；噪音干扰造成图像模糊 ；磁场的存在改变了二次电子运动轨迹，降低图像质量；机械振动引起电子束斑漂移，这些因素的影响都降低了图像分辨率。

18、,3景深 景深：指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，这个范围用一段距离来表示（Ds）。如图 式中：电子束孔径角； 2R0扫描电镜的分辨率，即为电子束斑直径尺寸。,四、样品制备 扫描电镜样品制备的优点： 扫描电镜对样品的适应性大； 所有的固态样品都可以观察。如块状的、粉末的、金属的 、非金属的、有机的、无机的均可。 样品制备方法简单。 扫描电镜对样品的主要要求： (1) 适当的大小； (2) 良好的导电性。 实际上是要求样品表面(所观察的面)与样品台之 间要导电。, 制备方法： 对导电性良好的金属样品，若尺寸大小合适、用导电胶或导电胶带固定在铝或铜的样品架上送入电镜样品室便可直接观察。 对不导电或导电性差的无机非金属材料、高分子材料等样品，所要观察的表面必须进行喷镀导电层处理。,“成像衬度原理”引言,扫描电镜的像衬度主要是利用样品表面微区特征(如形貌、原子序数或化学成分、晶体结构或位向等)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。,第三节 表面形貌衬度原理及其应用, 一、表面形貌衬度 表面形貌衬度：由于试样表面形貌差别而形成的 衬度。 利用对试样表面形