材料研究與分析-SEM

掃描電子顯微鏡SEM（ScanningElectronMicroscope）1.SEM發(fā)展史2.電子束與固體樣品相作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)3.SEM的結(jié)構(gòu)和工作原理5.SEM的主要性能參數(shù)6.測試樣品的要求7.掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)4.SEM襯度像

SEM是繼TEM之后發(fā)展起來的一種電子顯微鏡，電鏡發(fā)展史，是以透射電鏡為主線，掃描電鏡為輻線，因此掃描電鏡的發(fā)展階段和透射電鏡有許多相同重合之處。1.SEM發(fā)展史光學(xué)顯微鏡發(fā)展史要想提高放大率，鏡片焦距必須很短，鏡片必須很小單式鏡

放大率幾十倍

鏡片直徑為2-4毫米放大率100-300倍復(fù)式顯微鏡用兩片鏡片排成一列，逐次放大物體的方法，因?yàn)橛玫蕉鄠€(gè)透鏡，所以叫“復(fù)式”。伽利略顯微鏡1878年阿貝-瑞利指出光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)受到光波衍射的限制，給出了顯微鏡分辨本領(lǐng)極限公式。

光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)可以無限地增大？??分辨率，h=0.61，??為波長，N鏡頭折射率，??為光圈半角孔徑?？梢姽獾牟ㄩL范圍：390－760nm

光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到光波衍射的限制。顯微鏡分辨率最多也只能達(dá)到光波長的一半——自然光的平均波長為0.55μm，所以分辨率能達(dá)到0.275μm，最好的光學(xué)顯微鏡能把物體放大2000倍，這是細(xì)菌的量級(jí)。

質(zhì)的飛躍發(fā)生在1924年。32歲的德布羅意證明任何粒子在高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候都會(huì)發(fā)射一定波長的電磁輻射，其輻射波的波長與粒子的質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度成反比，公式表示如下：如果高速運(yùn)動(dòng)的粒子是電子，那么，電子在真空中的運(yùn)動(dòng)速度和加速電壓有關(guān)，根據(jù)能量守恒定律，可以得到：電子波長與加速電壓V對(duì)應(yīng)表：加速電壓kV50751002003005001000波長λ（nm）0.00550.00450.00390.00250.0020.00120.0007這種隨加速電壓改變的電子波長叫做德布羅意波，為電鏡的研制打下基礎(chǔ)。發(fā)現(xiàn)電子具有波長，且波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光的波長。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)顯微鏡最有意義的貢獻(xiàn)是：它提供了理論依據(jù)，電子也可以像光子一樣做顯微鏡的“光源”；利用德布羅意公式可以算出，電子的速度能被電場加到特別大時(shí)，其波長能縮小到可見光波長的1/100000。如果用電子做“光源”，那么顯微鏡分辨率則可以本質(zhì)性地提高。但僅有電子流輻射波還不行，因?yàn)闆]有解決電子流聚焦成像的問題。1926年，德國科學(xué)家Garbor和Busch發(fā)現(xiàn)用鐵殼封閉的銅線圈對(duì)電子流能折射聚焦，即可以作為電子束的透鏡。圖為一臺(tái)1933年制作的電鏡，電子在1米多高的金屬柱中加速，繼而被匯聚在一些小網(wǎng)格樣品上，將小格放大了14.4倍。

它卻標(biāo)志人類首次以電代光“照”出了物體的影像。

執(zhí)行這項(xiàng)工程的德國科學(xué)家盧斯卡也因此在55年后被頒予諾貝爾獎(jiǎng)。透射電鏡的工作原理圖電子透鏡起到了和光學(xué)透鏡相似的作用，將電子聚集成電子束。在研究透射電鏡的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)，高速的電子束打到物體上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種與試樣性質(zhì)相關(guān)的電子信號(hào)，收集處理這些電子信號(hào)成像，就得到了SEM圖像。SEM的成像原理和光學(xué)顯微鏡或透射電子顯微鏡是不同的，SEM的成像信息來自電子與物質(zhì)的作用而產(chǎn)生的各種信號(hào)，因此首先討論電子與物質(zhì)的相互作用。具有高能量的入射電子束與固體物質(zhì)表面的原子核或核外電子發(fā)生作用，產(chǎn)生如圖所示的物理信號(hào)。2.電子束與固體樣品相作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)2.1背散射電子（BackscatteredElectron，BE）

背散射電子指被固體樣品中原子核“反彈”回來的一部分入射電子。背散射電子來自樣品表層幾百nm的深度范圍，由于它的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，所以不僅能用作形貌分析，而且可定性地用作成分分析。背散射電子主要用于掃描電鏡成像，其特點(diǎn)：

1.對(duì)樣品物質(zhì)的原子序數(shù)敏感

2.分辨率及信號(hào)收集率較低2.2二次電子(secondaryelectron,SE)二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。

二次電子是掃描電鏡的成像的主要信號(hào)。二次電子的分辨率較高，一般可達(dá)到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，所以利用二次電子成像雖具有較高的分辯率，但不能對(duì)物質(zhì)做定性分析。二次電子成像與背散射電子成像對(duì)比2.3特征X射線（charactreristicX-ray）特征X射線是內(nèi)層電子受到激發(fā)以后，在能級(jí)躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。2.4其它的信號(hào)俄歇電子（Augerelectron）透射電子吸收電子各種信號(hào)產(chǎn)生的深度：可以產(chǎn)生信號(hào)的區(qū)域稱為有效作用區(qū)。但在有效作用區(qū)內(nèi)的信號(hào)并不一定都能逸出材料表面、成為有效的可供采集的信號(hào)。3SEM的結(jié)構(gòu)和工作原理3.1SEM的結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng)信號(hào)收集與顯示系統(tǒng)真空與電源系統(tǒng)（1）電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）（2）信號(hào)收集和顯示系統(tǒng)（3）真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)電子槍其作用就是利用陰極與陽極燈絲間的高壓，產(chǎn)生高能量的電子束。相當(dāng)于照明光源。W燈絲作為電子源，其電子束相干性差，交叉點(diǎn)尺寸大，照明亮度弱。LaB6電子束相干性差和照明亮度大大優(yōu)于W燈絲作為電子源的材料主要有W燈絲、LaB6、和場發(fā)射電子槍（FEG）將細(xì)鎢絲做成的燈絲（陰極）進(jìn)行高溫加熱后，會(huì)發(fā)射熱電子，此時(shí)給相向設(shè)置的金屬板（陽極）加以正高壓，熱電子會(huì)匯集成電子束流向陽極，若在陽極板中央開一個(gè)孔，電子束會(huì)通過這個(gè)孔流出。電子槍是電子束的產(chǎn)生系統(tǒng)(a)W燈絲電子槍示意圖電子交叉點(diǎn)也就是光源尺寸越小越好，場致發(fā)射電子交叉點(diǎn)尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于W燈絲或LaB6電子槍。(b)場致發(fā)射電子槍示意圖電磁透鏡其作用：是把電子槍的束斑逐漸聚焦縮小，使原來直徑約50微米的束斑縮小至一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。掃描線圈作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。樣品室不同的機(jī)器型號(hào)，樣品室的大小不一樣。樣品放置在樣品臺(tái)上，根據(jù)需要，樣品臺(tái)可沿X、Y及Z三個(gè)方向平移，以及在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或沿水平軸傾斜。（2）信號(hào)收集和顯示系統(tǒng)二次電子等可以用閃爍計(jì)數(shù)器進(jìn)行檢測。閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增管組成，當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí)，產(chǎn)生光子，光子沿沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大，后又轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出。（3）真空和電源系統(tǒng)之所以要用真空，主要基于以下兩點(diǎn)原因：

1.電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會(huì)迅速氧化而失效

2.避免空氣中氣體分子和高速電子碰撞，影響電子束運(yùn)動(dòng)方向。3.2工作原理掃描電鏡的工作原理可以簡單地歸納為“光柵掃描，逐點(diǎn)成像”。由接收器上接收的電流與顯像管相應(yīng)的亮度一一對(duì)應(yīng)，也就是說電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。掃描電鏡就是采用這種逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，轉(zhuǎn)化成為放大的視頻信號(hào)，完成掃描圖像。4.1像襯（圖像襯度）原理

圖像襯度是指熒光屏或照相底板上圖像的明暗程度，又叫黑白反差，或叫對(duì)比度。正是由于圖像上不同區(qū)域襯度的差別，才使得材料微觀形貌分析成為可能。不同的電子信號(hào)，其襯度特點(diǎn)是不一樣的。二次電子的圖像襯度背散射電子的圖像襯度4.SEM襯度像（1）二次電子襯度像二次電子在逸出樣品表面之前又和樣品進(jìn)行多次散射，所以只有在樣品淺層區(qū)域產(chǎn)生的二次電子才能逸出表面，被探測器收集到。（θ＝0），二次電子逸出區(qū)域最小，二次電子發(fā)生量最少（最暗）。當(dāng)入射角θ>0時(shí)，散射區(qū)與樣品表面的接近的區(qū)域面積大，二次電子發(fā)生量最多（亮度大）。即二次電子的產(chǎn)率主要取決于電子束的入射角

5SEM的主要性能參數(shù)5.1放大倍數(shù)（magnification）入射電子束做光柵掃描時(shí)，若電子束在樣品表面掃描的幅度為As，在顯光屏上陰極射線同步掃描的幅度為Ac，則放大倍數(shù)表示為：熒光屏的尺寸是不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在樣品表面的掃描幅度As來實(shí)現(xiàn)。5.2分辨率(resolution)

分辨率是SEM最主要的性能指標(biāo)。對(duì)成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離3）成像方式及所用的調(diào)制信號(hào)

1）入射電子束束斑直徑2）入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)5.3景深(depthoffield/depthoffocus)景深是指透鏡對(duì)高低不平的樣品各部位能同時(shí)聚焦成像的能力范圍，這個(gè)范圍用一段距離表示。如果景深為Ds，只要樣品表面高低范圍值小于Ds，則在熒光屏上就能清晰地反映出樣品的表面形貌。如果景深大，則圖像的立體感強(qiáng)。掃描電鏡的景深為比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡的景深大10倍。景深是指一個(gè)透鏡對(duì)高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)能力范圍。6.1等測試樣品必須徹底干燥SEM必須在真空狀態(tài)下才能正常工作，含水量高的樣品在真空的鏡筒中將造成以下結(jié)果：

（1）水蒸氣遇高能電子流，產(chǎn)生電離而放電，引起束流大幅波動(dòng)，使圖像模糊，出現(xiàn)霧狀，甚至不能成像。6.測試樣品的要求（2）造成物鏡、鏡頭、光闌等的污染（3）損壞燈絲燈絲溫度高達(dá)2800K，碰到水蒸氣而氧化變質(zhì)甚至熔斷（4）大多數(shù)含水樣品在高真空中，因水分的揮發(fā)，易發(fā)生形態(tài)損傷，使研究特征皺縮、變形。自然干燥，烘干干燥，冷凍干燥，真空干燥，臨界點(diǎn)干燥。其目的：除去水分，將變形控制在一定的范圍內(nèi)。臨界點(diǎn)干燥的原理圖在密閉容器中的液體在臨界溫度以上時(shí)，有氣液界面消失的現(xiàn)象，臨界點(diǎn)干燥就是利用這種現(xiàn)象。6.2樣品表面導(dǎo)電電子束打在樣品表面，如果樣品不導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差，會(huì)在樣品上聚集電荷，產(chǎn)生放電，不能成像或損傷樣品。對(duì)不能導(dǎo)電的樣品必須進(jìn)行導(dǎo)電處理：即給樣品噴鍍一層金屬膜。金屬鍍膜的方法有多種，而最常見是離子濺射噴鍍離子濺射儀：離子濺射儀的工作原理：氣體分子強(qiáng)電場作用下電離成正離子和電子。正離子飛向陰極，電子飛向陽極.在輝光放電過程中，具有一定動(dòng)能的正離子撞向陰極，使陰極表面的原子被逐出，稱為濺射。正離子轟擊陰極濺射出的金屬粒子，由于金屬粒子的彈出方向是隨意的，從各個(gè)方向均勻地落到樣品表面上，完成鍍膜過程。離子濺射噴鍍的優(yōu)點(diǎn)：（1）氣體離子撞擊下