培訓(xùn)資料電鏡課件

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第四章

掃描電子顯微分析與電子探針第一節(jié)掃描電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造一、工作原理二、構(gòu)造與主要性能第二節(jié)像襯原理與應(yīng)用一、像襯原理二、應(yīng)用第三節(jié)電子探針X射線顯微分析（EPMA）一、能譜儀二、波譜儀三、EPMA的基本工作方式XRD、TEM、ED，SEM應(yīng)用實(shí)例2

第一節(jié)

掃描電子顯微鏡工作原理及構(gòu)造

一、工作原理SEM原理示意圖目前的掃描電子顯微鏡可以進(jìn)行形貌、微區(qū)成分和晶體結(jié)構(gòu)等多種微觀組織結(jié)構(gòu)信息的同位分析。成像原理：利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種物理信號(hào)調(diào)制成像。類似電視攝影顯像的方式。SEM的樣品室附近可以裝入多個(gè)探測(cè)器。電子束經(jīng)三個(gè)電磁透鏡聚焦后，成直徑為幾個(gè)納米的電子束。末級(jí)透鏡上部的掃描線圈能使電子束在試樣表面上做光柵狀掃描。試樣在電子束作用下，激發(fā)出各種信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)度取決于試樣表面的形貌、受激區(qū)域的成分和晶體取向。在試樣附近的探測(cè)器把激發(fā)出的電子信號(hào)接受下來(lái)，經(jīng)信號(hào)處理放大系統(tǒng)后，輸送到顯像管柵極以調(diào)制顯像管的亮度。由于顯像管中的電子束和鏡筒中的電子束是同步掃描的，顯像管上各點(diǎn)的亮度是由試樣上各點(diǎn)激發(fā)出的電子信號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)制的，即由試樣表面上任一點(diǎn)所收集來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度與顯像管屏上相應(yīng)點(diǎn)亮度之間是一一對(duì)應(yīng)的。因此，試樣各點(diǎn)狀態(tài)不同，顯像管各點(diǎn)相應(yīng)的亮度也必不同，由此得到的像一定是試樣狀態(tài)的反映。

一、工作原理5

二、構(gòu)造與主要性能

電子光學(xué)系統(tǒng)(鏡筒)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)圖像顯示和記錄系統(tǒng)電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)SEM的構(gòu)造6

電子光學(xué)系統(tǒng)示意圖由電子搶、電磁聚光鏡、光欄、樣品室等部件組成。1.電子光學(xué)系統(tǒng)作用：獲得掃描電子束。7

幾種類型電子槍性能比較電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑9

3．信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)

作用：收集(探測(cè))樣品在入射電子束作用下產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，并進(jìn)行放大。不同的物理信號(hào)，要用不同類型的收集系統(tǒng)（探測(cè)器）。二次電子、背散射電子和透射電子的信號(hào)都可采用閃爍計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

閃爍計(jì)數(shù)器是由閃爍體、光導(dǎo)管、光電倍增管組成。具有低噪聲、寬頻帶(10Hz~1MHz)、高增益(106)等特點(diǎn)10

3．信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)

信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見(jiàn)光。可見(jiàn)光信號(hào)通過(guò)光導(dǎo)管送入光電倍增器，光信號(hào)放大，即又轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出，電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。

（1）．放大倍數(shù)熒光屏上的掃描振幅電子束在樣品上的掃描振幅放大倍數(shù)與掃描面積的關(guān)系：(若熒光屏畫(huà)面面積為10×10cm2)放大倍數(shù)掃描面積10×(1cm)2100×(1mm)21,000×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)24.SEM的主要性能指標(biāo)13

4.SEM的主要性能指標(biāo)（2）分辨率

：樣品上可以分辨的兩個(gè)鄰近的質(zhì)點(diǎn)或線條間的距離。

如何測(cè)量：拍攝圖象上，亮區(qū)間最小暗間隙寬度除以放大倍數(shù)。

影響SEM圖像分辨率的主要因素有：

①掃描電子束斑直徑

；

②入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)；③信號(hào)噪音比；

④雜散磁場(chǎng)；

⑤機(jī)械振動(dòng)將引起束斑漂流等，使分辨率下降。

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掃描電子顯微鏡景深15

日立S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡

主要性能：二次電子像分辨率：1.0nm(15kv)；1.4nm(1kv,減速模式)；2.0nm(1kV)普通模式加速電壓：0.5~30kV放大倍率：×20~×800,000束流強(qiáng)度：1pA~2nA物鏡光欄：加熱自清潔式、四孔、可移動(dòng)物鏡光欄樣品室和樣品臺(tái)：移動(dòng)范圍：X：0~50mm；Y：0~5mm；Z：1.5~30mm；T：-5~700旋轉(zhuǎn)R：3600，最大樣品尺寸：100mm探測(cè)器:高位探頭可選擇接受二次電子像或背散射像，并混合INCAEnergy350X射線能譜儀技術(shù)指標(biāo)：X-sightSi(Li)探測(cè)器(專利)，SuperATW窗口30mm2活區(qū)，分辨率優(yōu)于133eV(MnKα處,計(jì)數(shù)率為4000cps)，分析元素范圍：Be4-U9217

1．二次電子像襯度及特點(diǎn)

二次電子信號(hào)主要來(lái)自樣品表層5~10nm深度范圍，能量較低(小于50eV)。影響二次電子產(chǎn)額的因素主要有：

(1)入射電子的能量；

(2)材料的原子序數(shù)；

(3)樣品傾斜角。

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二次電子像的襯度可以分為以下幾類：

(1)形貌襯度

(2)成分襯度

(3)電壓襯度

(4)磁襯度(第一類)形貌襯度原理樣品傾斜角

入射電子束表面法線樣品傾斜角越大二次電子產(chǎn)額越大圖像越明亮19

二次電子像襯度的特點(diǎn)：

（1）分辨率高（2）景深大，立體感強(qiáng)（3）主要反映形貌襯度。

通常所指的掃描電鏡的分辨率，就是指二次電子像的分辨率。

元素像形貌像形貌與元素象的分離22

二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡背散射電子運(yùn)動(dòng)軌跡二次電子像的分辨率高、景深大，為什么？樣品制備一般玻璃材料，纖維材料，高分子材料以及陶瓷材料幾乎都是非導(dǎo)電性的物質(zhì)。在利用掃描電鏡進(jìn)行直接觀察時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的荷電現(xiàn)象，影響對(duì)樣品的觀察，因此需要在樣品表面蒸鍍導(dǎo)電性能好的金等導(dǎo)電薄膜層。在樣品表面鍍金屬層不僅可以防止荷電現(xiàn)象，換可以減輕由電子束引起的樣品表面損傷；增加二次電子的產(chǎn)率，提高圖像的清晰度；并可以掩蓋基材信息，只獲得表面信息。樣品制備表面鍍膜最常用的方法有真空蒸發(fā)和離子濺射兩種方法。其中真空蒸發(fā)一般是在10－5～10－7Pa左右的真空中蒸發(fā)低熔點(diǎn)的金屬。一般經(jīng)常采用的是蒸鍍金屬金薄膜，但當(dāng)要求高放大倍數(shù)時(shí)，金屬膜的厚度應(yīng)該在10nm以下，一般可以蒸鍍Au-Pd（6:4）合金。這樣可以避免島狀結(jié)構(gòu)的形成。從經(jīng)驗(yàn)上看，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。樣品制備離子濺射也是常用的表面鍍膜方法，其濺射原理見(jiàn)圖9。與真空蒸發(fā)相比，當(dāng)金屬薄膜的厚度相同時(shí)，利用離子濺射法形成的金屬膜具有粒子形狀小，島狀結(jié)構(gòu)小的特點(diǎn)。29

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第三節(jié)

電子探針X射線顯微分析（EPMA）

電子探針（ElectronProbeMicroanalysis-EPMA）的主要功能是進(jìn)行微區(qū)成分分析。它是在電子光學(xué)和X射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效率分析儀器。原理：用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品元素的特征X射線，分析特征X射線的波長(zhǎng)（或能量）可知元素種類；分析特征X射線的強(qiáng)度可知元素的含量。其鏡筒部分構(gòu)造和SEM相同，檢測(cè)部分使用X射線譜儀。電子探針結(jié)構(gòu)示意圖X射線譜儀是電子探針的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，分為：能量分散譜儀（EDS），簡(jiǎn)稱能譜儀，用來(lái)測(cè)定X射線特征能量。波長(zhǎng)分散譜儀（WDS），簡(jiǎn)稱波譜儀，用來(lái)測(cè)定特征X射線波長(zhǎng)。33

一、能譜儀

目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是Si(Li)檢測(cè)器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器，它實(shí)際上是一個(gè)以Li為施主雜質(zhì)的n-i-p型二極管。Si(Li)檢測(cè)器探頭結(jié)構(gòu)示意圖在Si(Li)晶體兩端偏壓來(lái)收集電子空穴對(duì)→（前置放大器）轉(zhuǎn)換成電流脈沖→（主放大器）轉(zhuǎn)換成電壓脈沖→（后進(jìn)入）多通脈沖高度分析器，按高度把脈沖分類，并計(jì)數(shù)，從而描繪I－E圖譜。35

Si(Li)能譜儀的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：(1)定性分析速度快

可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的幾乎所有元素。

鈹窗口：11Na~92U，新型材料窗口：4Be~92U

(2)靈敏度高X射線收集立體角大，空間分辨率高。

(3)譜線重復(fù)性好

適合于表面比較粗糙的分析工作。缺點(diǎn)：(1)能量分辨率低，峰背比低。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。(2)工作條件要求嚴(yán)格。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)。(3)定量分析精度不如波譜儀。36

二、波譜儀

組成：波譜儀主要由分光晶體和X射線檢測(cè)系統(tǒng)組成。原理：根據(jù)布拉格定律，從試樣中發(fā)出的特征X射線，經(jīng)過(guò)一定晶面間距的晶體分光，波長(zhǎng)不同的特征X射線將有不同的衍射角。通過(guò)連續(xù)地改變?chǔ)?，就可以在與X射線入射方向呈2θ的位置上測(cè)到不同波長(zhǎng)的特征X射線信號(hào)。根據(jù)莫塞萊定律可確定被測(cè)物質(zhì)所含有的元素

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波譜儀的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）波長(zhǎng)分辨率很高

如，它可將波長(zhǎng)十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線清晰地分開(kāi)；（2）分析的元素范圍寬

4Be~92U；（3）定量比能譜儀準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：（1）X射線信號(hào)的利用率極低；（2）靈敏度低，難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用；（3）分析速度慢，不適合定性分析；39

能譜議和波譜儀的譜線比較能譜曲線波譜曲線40

三、電子探針?lè)治龅幕竟ぷ鞣绞?/p>

定點(diǎn)分析：將電子束固定在要分析的微區(qū)上，用波譜儀分析時(shí)，改變分光晶體和探測(cè)器的位置，即可得到分析點(diǎn)的X射線譜線；用能譜儀分析時(shí)，幾分鐘內(nèi)即可直接從熒光屏（或計(jì)算機(jī)）上得到微區(qū)內(nèi)全部元素的譜線。鎂合金中的析出相CaMgSi的鑒別Spectrum1位置析出相富含Ca、Mg、Si元素41

三、電子探針?lè)治龅幕竟ぷ鞣绞?/p>

線掃描分析：將譜儀（波、能）固定在所要測(cè)量的某一元素特征X射線信號(hào)（波長(zhǎng)或能量）的位置，把電子束沿著指定的方向作直線軌跡掃描，便可得到這一元素沿直線的濃度分布情況。改變位置可得到另一元素的濃度分布情況。面掃描分析（

X射線成像

）：電子束在樣品表面作光柵掃描，將譜儀（波、能）固定在所要測(cè)量的某一元素特征X射線信號(hào)（波長(zhǎng)或能量）的位置，此時(shí)，在熒光屏上得到該元素的面分布圖像。改變位置可得到另一元素的濃度分布情況。也是用X射線調(diào)制圖像的方法。

鎂合金中的析出相Mg2Si的鑒別Si的元素面分布圖，可以清晰地看到Mg2Si所在的位置43

ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體的定點(diǎn)分析Y2O3mol%析出相（t相）Y2O3含量低基體(c相)Y2O3含量高與相圖相符44

在晶界上有O的偏聚BaF2晶界的線掃描分析(a)形貌像及掃描線位置(b)O及Ba元素在掃描線位置上的分布45

Bi在晶界上有嚴(yán)重偏聚ZnO-Bi2O3陶瓷燒結(jié)表面的面分布成分分析(a)形貌像(b)Bi元素的X射線面分布像46

Preparationofnanotube-shapedTiO2powderXRD，TEM，ED，SEM的應(yīng)用實(shí)例47

TiO2隨溫度的相變anatase銳鈦礦ruti