第三章光譜分析-SEM

1、Scanning Electron Microscope（SEM）第三章 電子顯微分析掃描電鏡技術及其應用v掃描電鏡的誕生掃描電鏡的誕生v掃描電鏡的工作原理和結構掃描電鏡的工作原理和結構v成像原理成像原理v掃描電鏡的圖像和襯度掃描電鏡的圖像和襯度v試樣制備技術試樣制備技術v掃描電鏡的應用掃描電鏡的應用 掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文縮寫掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文縮寫為為SEM (Scanning Electron Microscope)。 掃描電子顯微鏡是以掃描電子顯微鏡是以掃描電子束掃描電子束作為照明源，作為照明源，通過通過入射電子與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的各種信息入射電子與物質(zhì)

2、相互作用所產(chǎn)生的各種信息來來傳遞物質(zhì)結構的特征。傳遞物質(zhì)結構的特征。 SEM是是顯微結構分析顯微結構分析的主要儀器，已廣泛用于的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學等領域。材料、冶金、礦物、生物學等領域。 引言Optical Microscope VS SEM景深小景深小：無法將不同面：無法將不同面的樣品同時聚焦；的樣品同時聚焦；分辨率小分辨率?。?00 nm景深大景深大分辨率大分辨率大：1 nmTEMSEMTEMSEMSEM的操作比的操作比TEM簡單，通過鼠標在簡單，通過鼠標在屏幕上工作屏幕上工作1942年年，劍橋大學的，劍橋大學的馬倫馬倫成功成功地制造世界第一臺掃描電鏡。地制造世界

3、第一臺掃描電鏡。History of SEMMax Knoll (法國卡法國卡諾爾諾爾 1897-1969)：1935年年提出掃描電提出掃描電鏡的設計思想和工鏡的設計思想和工作原理。作原理。主要包括有主要包括有電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)、信號信號收集系統(tǒng)收集系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系電源和真空系統(tǒng)等統(tǒng)等。透射電鏡一般是透射電鏡一般是電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)和和電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)三大部分組成。三大部分組成。比較比較掃描電鏡的主要結構2、掃描電鏡的結構原理和構造、掃描電鏡的結構原理和構造電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)v由由電子槍電子槍，電磁透

4、鏡電磁透鏡，物鏡物鏡和和樣品室樣品室等部件組成。等部件組成。v電子槍的電子槍的作用作用是用來獲得掃描電子束。是用來獲得掃描電子束。v掃描電子束應具有掃描電子束應具有較高的亮度較高的亮度和和盡可能小的束斑直徑盡可能小的束斑直徑。2、掃描電鏡的結構原理和構造、掃描電鏡的結構原理和構造Electron sources2、掃描電鏡的結構原理和構造、掃描電鏡的結構原理和構造掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)v由由掃描掃描 發(fā)生器發(fā)生器和和掃描線圈掃描線圈組成。組成。v作用作用：1 使入射電子束在樣品表面掃描，并使陰極射線使入射電子束在樣品表面掃描，并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描顯像管電子束在熒光屏上作同步掃

5、描2 改變?nèi)肷涫跇悠繁砻娴膾呙枵穹?，從而改變改變?nèi)肷涫跇悠繁砻娴膾呙枵穹瑥亩淖儝呙柘竦姆糯蟊稊?shù)。掃描像的放大倍數(shù)。信號收集系統(tǒng)信號收集系統(tǒng)v檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。v普遍使用的是電子檢測器，它由普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體、光導管和閃爍體、光導管和光電倍增器光電倍增器組成。組成。2、掃描電鏡的結構原理和構造、掃描電鏡的結構原理和構造圖像顯示記錄系統(tǒng)圖像顯示記錄系統(tǒng)v把信號收集系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號轉換為在陰極射線把信號收集系統(tǒng)輸出的調(diào)制信號轉換為在陰極射

6、線熒光屏上顯示樣品表面特征的掃描圖像，供觀察或熒光屏上顯示樣品表面特征的掃描圖像，供觀察或者拍照。者拍照。2、掃描電鏡的結構原理和構造、掃描電鏡的結構原理和構造真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)v真空系統(tǒng)的真空系統(tǒng)的作用作用是為保證電子光學系統(tǒng)正常工作，是為保證電子光學系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持保持10-4-10-5Torr的真空度。的真空度。v電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應的安全保護電路所電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應的安全保護電路所組成，其組成，其作用作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。是提供掃描電鏡各部分所需的電源。

7、2、掃描電鏡的結構原理和構造、掃描電鏡的結構原理和構造掃描電鏡工作原理掃描電鏡工作原理v電子槍發(fā)射電子束（直徑電子槍發(fā)射電子束（直徑50 m）。）。v電壓加速、磁透鏡系統(tǒng)會聚，形成直徑納米級別電壓加速、磁透鏡系統(tǒng)會聚，形成直徑納米級別的電子束。的電子束。v電子束在偏轉線圈的作用下，在樣品表面作電子束在偏轉線圈的作用下，在樣品表面作光柵光柵狀掃描狀掃描，激發(fā)多種電子信號。，激發(fā)多種電子信號。v探測器收集信號電子，經(jīng)過放大、轉換，在探測器收集信號電子，經(jīng)過放大、轉換，在顯示顯示系統(tǒng)系統(tǒng)上成像（掃描電子像）。上成像（掃描電子像）。v二次電子的圖像信號二次電子的圖像信號“動態(tài)動態(tài)”地形成三維圖像。地形

8、成三維圖像。3、掃描電鏡的成像原理、掃描電鏡的成像原理掃描電鏡的工作原理：掃描電鏡的工作原理：光柵掃描，逐點成像光柵掃描，逐點成像。掃掃描描電電鏡鏡工工作作原原理理 SEM是是利用聚焦利用聚焦電子束在樣品上電子束在樣品上掃描掃描時時激發(fā)的某激發(fā)的某種物理信號種物理信號來調(diào)來調(diào)制一個同步掃描制一個同步掃描的顯象管在相應的顯象管在相應位置的亮度而成位置的亮度而成象的顯微鏡。象的顯微鏡。3、掃描電鏡的成像原理、掃描電鏡的成像原理電子與樣品發(fā)生的作用電子與樣品發(fā)生的作用3、成像原理、成像原理各種信息作用的深度和廣度各種信息作用的深度和廣度俄歇電子穿透深俄歇電子穿透深度最小，一般小度最小，一般小于于1

9、nm二次電子穿透深二次電子穿透深度小于度小于10 nm3、成像原理、成像原理二次電子二次電子入射電子與樣品相互入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子作用后，使樣品原子較外較外層電子層電子電離產(chǎn)生的電子，電離產(chǎn)生的電子，稱二次電子。稱二次電子。 習慣上把習慣上把能量小于能量小于50 eV電子電子統(tǒng)稱為二次電子統(tǒng)稱為二次電子 分辨率高分辨率高SEM中的成像信號中的成像信號背散射電子背散射電子 背散射電子是指入射電背散射電子是指入射電子與樣品相互作用之后，再子與樣品相互作用之后，再次逸出樣品表面的高能電子。次逸出樣品表面的高能電子。 能量高能量高 分辨率低分辨率低 信號強度與信號強度與樣品的化學樣品的

10、化學組成組成有關，即與組成樣品的有關，即與組成樣品的各元素各元素平均原子序數(shù)平均原子序數(shù)有關。有關。SEM中的成像信號中的成像信號4、掃描電鏡的主要性能與特點、掃描電鏡的主要性能與特點放大倍率高（放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（分辨率高（d0=dmin/M總總）景深大（景深大（F d0/）保真度好保真度好樣品制備簡單樣品制備簡單從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。兩套偏轉線圈分別移動兩束電子束，一束極細的電子兩套偏轉線圈分別移動兩束電子束，一束極細的電子束在樣品表面掃描，另一束較大電子束在熒光屏上掃束在樣品表面掃描，另一束較大電子束在熒光屏上掃描，二者掃描的方

11、向、步調(diào)一致，但步幅差別很大。描，二者掃描的方向、步調(diào)一致，但步幅差別很大。步幅的比例就是放大倍數(shù)步幅的比例就是放大倍數(shù)。放大倍數(shù)放大倍數(shù)K= AC / AS AC :熒光屏上的掃描步幅熒光屏上的掃描步幅 AS :樣品表面的掃描步幅樣品表面的掃描步幅 4、掃描電鏡的主要性能和特點、掃描電鏡的主要性能和特點放放大倍率高大倍率高分辨率高分辨率高目前用目前用W燈絲的燈絲的SEM分辨率已達到分辨率已達到3nm-6nm。場發(fā)射源場發(fā)射源SEM分辨率可達到分辨率可達到1nm 。v制約因素制約因素主要有：主要有： 入射電子束束斑直徑入射電子束束斑直徑 入射電子束在樣品中的擴展效應入射電子束在樣品中的擴展效應

12、 信噪比信噪比4、掃描電鏡的主要性能和特點、掃描電鏡的主要性能和特點景深景深D大大 景深景深: 透鏡對高低不平的試樣透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍。范圍。 圖像圖像立體感強立體感強，適合粗糙不平，適合粗糙不平的斷口樣品觀察。的斷口樣品觀察。 掃描電鏡的景深比透射電鏡的掃描電鏡的景深比透射電鏡的景深大景深大10 倍。倍。4、掃描電鏡的主要性能和特點、掃描電鏡的主要性能和特點多孔多孔SiC陶瓷的二次電子像陶瓷的二次電子像4、掃描電鏡的主要性能和特點、掃描電鏡的主要性能和特點保真度好保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進行觀樣品通常不需要作

13、任何處理即可以直接進行觀察，所以不會由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對斷察，所以不會由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對斷口的失效分析特別重要?？诘氖Х治鎏貏e重要。樣品制備簡單樣品制備簡單 樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對不導電的樣品只需蒸鍍一層及透光光片，對不導電的樣品只需蒸鍍一層20 nm的導電膜。的導電膜。 4、掃描電鏡的主要性能和特點、掃描電鏡的主要性能和特點導電材料試樣制備導電材料試樣制備v試樣制備簡單（試樣大小不得超過儀器規(guī)定），幾乎試樣制備簡單（試樣大小不得超過儀器規(guī)定），幾乎不需經(jīng)過任何處理，就可直接進行觀察。不需經(jīng)過任何處理，

14、就可直接進行觀察。v試樣尺寸盡可能小，以減輕儀器污染、保持良好真空。試樣尺寸盡可能小，以減輕儀器污染、保持良好真空。v樣品表面污物，要用無水乙醇、丙酮、超聲波清洗法樣品表面污物，要用無水乙醇、丙酮、超聲波清洗法清洗干凈。清洗干凈。v試樣表面的氧化層，可以用化學方法或陰極電解方法試樣表面的氧化層，可以用化學方法或陰極電解方法除去。清洗過程可能會失去一些表面形貌特征的細節(jié)，除去。清洗過程可能會失去一些表面形貌特征的細節(jié)，需要注意。需要注意。6、試樣的制備、試樣的制備非金屬材料試樣制備非金屬材料試樣制備v非金屬材料進行非金屬材料進行SEM觀察前，需要在試樣表面蒸鍍觀察前，需要在試樣表面蒸鍍金屬導電膜

15、，以消除試樣荷電現(xiàn)象、減輕電子束造金屬導電膜，以消除試樣荷電現(xiàn)象、減輕電子束造成的試樣表面損傷、增加二次電子產(chǎn)率。成的試樣表面損傷、增加二次電子產(chǎn)率。v金屬鍍膜方法金屬鍍膜方法 真空蒸發(fā)鍍膜法真空蒸發(fā)鍍膜法 高真空狀態(tài)、加熱高真空狀態(tài)、加熱金屬金屬蒸發(fā)蒸發(fā)試樣表面形成一試樣表面形成一層金屬膜層金屬膜 離子濺射鍍膜法離子濺射鍍膜法 真空度真空度0.2-0.02Torr條件、條件、500-1000V直流電壓直流電壓輝光放電輝光放電陽離子在電場作用下轟擊金靶陽離子在電場作用下轟擊金靶金粒金粒子濺射，在試樣表面形成導電膜子濺射，在試樣表面形成導電膜6、試樣的制備、試樣的制備KUSTSputter Co

16、ater A sputter coater coats the sample with gold atoms. The purpose is to make non-metallic samples electrically conductive.非金屬材料試樣制備非金屬材料試樣制備v 鍍膜材料的選擇：鍍膜材料的選擇：Au、C、Ag、Cr、Pt等等熔點較低、易蒸發(fā)熔點較低、易蒸發(fā)與常用的鎢絲加熱器不發(fā)生任何作用與常用的鎢絲加熱器不發(fā)生任何作用二次電子、背散射電子發(fā)射效率高二次電子、背散射電子發(fā)射效率高化學性能穩(wěn)定化學性能穩(wěn)定v 鍍膜厚度鍍膜厚度導電膜應均勻、連續(xù)，厚度導電膜應均勻、連續(xù)，厚度2

17、00-300不能太薄，否則導電膜顯著不均、易破裂，甚至部分表不能太薄，否則導電膜顯著不均、易破裂，甚至部分表面未蒸鍍上導電膜面未蒸鍍上導電膜不能太厚，否則導電膜易產(chǎn)生龜裂，掩蓋試樣表面結構不能太厚，否則導電膜易產(chǎn)生龜裂，掩蓋試樣表面結構細節(jié)細節(jié)先蒸發(fā)一層很薄的炭，然后再蒸鍍金屬層可以獲得比較先蒸發(fā)一層很薄的炭，然后再蒸鍍金屬層可以獲得比較好的效果。好的效果。6、試樣的制備、試樣的制備非金屬材料試樣制備非金屬材料試樣制備生物醫(yī)學材料試樣制備生物醫(yī)學材料試樣制備 6、試樣的制備、試樣的制備v生物樣品制備的一般原則：生物樣品制備的一般原則：防止樣品污染、損傷，保持原有形貌、微細結構防止樣品污染、損傷

18、，保持原有形貌、微細結構去除樣品內(nèi)的水分去除樣品內(nèi)的水分-避免樣品體積變小、表面收縮避免樣品體積變小、表面收縮增加樣品的導電性能增加樣品的導電性能注意辨認和保護觀察面注意辨認和保護觀察面3. 掃描電鏡襯度像掃描電鏡襯度像v二次電子像二次電子像v背散射電子像背散射電子像 襯度：明暗程度襯度：明暗程度 二次電子像二次電子像4、掃描電鏡圖像和襯度、掃描電鏡圖像和襯度v表面形貌襯度表面形貌襯度v利用對樣品表面形貌變化敏感的物理信號作為調(diào)節(jié)利用對樣品表面形貌變化敏感的物理信號作為調(diào)節(jié)信號得到的一種象襯度。信號得到的一種象襯度。v二次電子像分辨率比較高二次電子像分辨率比較高，適用于顯示形貌襯度。，適用于顯

19、示形貌襯度。在掃描電鏡中，二次電子檢測器一在掃描電鏡中，二次電子檢測器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上v二次電子產(chǎn)生區(qū)域大小取二次電子產(chǎn)生區(qū)域大小取決于決于輻照電子束的直徑輻照電子束的直徑以以及及電離化區(qū)域的大小電離化區(qū)域的大小。v二次電子像襯度取決于樣二次電子像襯度取決于樣品表面的品表面的電子束入射角電子束入射角、樣品和檢測器的幾何位置樣品和檢測器的幾何位置以及以及成分分布成分分布。4、掃描電鏡圖像和襯度、掃描電鏡圖像和襯度二次電子像二次電子像4、掃描電鏡圖像和襯度、掃描電鏡圖像和襯度二次電子像二次電子像4、掃描電鏡圖像和襯度、掃描電鏡圖像和襯度二次電子

20、像二次電子像二次電子像二次電子像背散射電子像背散射電子像v背散射電子像具有樣品背散射電子像具有樣品表面表面化學成分化學成分和和表面形貌表面形貌的信息。的信息。v背 散 射 電 子 信 息 的 深 度背 散 射 電 子 信 息 的 深 度（0.1-1 m）和廣度比較大，）和廣度比較大，背散射電子像的背散射電子像的分辨率比較分辨率比較低低。4、掃描電鏡圖像和襯度、掃描電鏡圖像和襯度1. 成分襯度成分襯度 樣品表面上平均樣品表面上平均原子序數(shù)原子序數(shù)Z大大的部位的部位形成形成較亮的區(qū)域較亮的區(qū)域； 平均原子序數(shù)平均原子序數(shù)較低的部位形較低的部位形成較暗的區(qū)域成較暗的區(qū)域。4、掃描電鏡圖像和襯度、掃描

21、電鏡圖像和襯度背散射電子像背散射電子像2. 形貌襯度形貌襯度 v分辨率遠比二次電子低分辨率遠比二次電子低。 背反射電子是來自一個較大背反射電子是來自一個較大的作用體積的作用體積； 背向檢測器的樣品表面檢測背向檢測器的樣品表面檢測器無法收集到背反射電子。器無法收集到背反射電子。背散射電子像背散射電子像背散射電子探頭采集的成分像背散射電子探頭采集的成分像( (左圖左圖) )和形貌像和形貌像( (右圖右圖) )兩種圖像的對比兩種圖像的對比錫鉛鍍層的表面圖像：錫鉛鍍層的表面圖像：( (左圖左圖) )二次電子圖像二次電子圖像 ( (右圖右圖) )背散射電子圖像背散射電子圖像二次電子像和背散射電子像對比二次電子像和背散射電子像對比v二次電子像二次電子像分辨率分辨率高高，立體感，立體感強強，主要反映，主要反映形貌形貌特征特征v背散射電子像背散射電子像分辨率分辨率低低，立體感，立體感差差，但既能反映，但既能反映形貌形貌特征，又能特征，又能定性探測定性探測元素元素分布。分布。昆蟲學研究中的應用昆蟲學研究中的應用7、掃描電鏡的應用、掃描電鏡的應用不同倍率的果蠅不同倍率的果蠅SEM像像生物醫(yī)學上的應用生物醫(yī)學上的應用7、掃描電鏡的應用、掃描電鏡的應用 骨髓細胞骨髓細胞 SARS AIDS染色體染色體 染色體染