材料導論第八章

新疆大學化學化工學院材料教研室Xinjiang

university材料分析測試方法新疆大學材料化學教研室第八章掃描電鏡掃描電鏡工作原理、構造和性能掃描電鏡在材料研究中的應用波譜儀結構及工作原理能譜儀結構及工作原理電子探針分析方法及微區(qū)成分分析技術OUTLINE新疆大學材料化學教研室掃描電鏡的歷史1935年,法國的卡諾爾提出掃描電鏡的設計思想和工作原理。1942年,劍橋大學的馬倫首次制成世界第一臺掃描電鏡。新疆大學材料化學教研室新疆大學材料化學教研室Specimen

Chamber新疆大學材料化學教研室掃描電鏡照片展示注射針頭的掃描電鏡照片新疆大學材料化學教研室掃描電鏡照片展示新疆大學材料化學教研室

不同倍率的果蠅掃描電鏡照片掃描電鏡照片展示可以用計算機將黑白照片處理成彩色新疆大學材料化學教研室掃描電鏡照片展示肺細支氣管粘膜杯狀細胞和纖毛細胞掃描電鏡照片新疆大學材料化學教研室掃描電鏡照片展示紅血球新疆大學材料化學教研室掃描電鏡照片展示培養(yǎng)細胞新疆大學材料化學教研室掃描電鏡的特點高分辨率新疆大學材料化學教研室掃描電鏡的特點很強的立體感新疆大學材料化學教研室掃描電鏡的特點放大倍率范圍廣新疆大學材料化學教研室掃描電鏡的特點樣品適應性大應用范圍廣新疆大學材料化學教研室SEM

&法醫(yī)新疆大學材料化學教研室SEM

&

science新疆大學材料化學教研室

掃描電鏡能譜儀在涉槍案件中應用的研究,山東公安叢刊,1996,3:57-58

微量金屬物證的掃描電鏡X射線能譜檢驗,刑事技術,1997,4:16-17

掃描電鏡能譜儀在鎖具檢驗中應用的研究,刑事技術,1999,5:25-26

導線物證的掃描電鏡及能譜鑒定方法,理化檢驗,2002,38(5):222-223

人發(fā)的掃描電鏡觀察及微量元素特征人發(fā)的掃描電鏡觀察及微量元素特征，電子顯●新疆大學材料化學教研室掃描電鏡（SEM）－食鹽的融化和結晶6.7Mbar(dry)17Mbar

16.6MbarDanilatos,

G.D.

(1986)

Environmental

scanning

electron

microscopy

in

colour.

J.

Microsc.16.9Mbar

6Mbar(dry)水蒸汽環(huán)境325.新疆大學材料化學教研室新疆大學材料化學教研室新疆大學材料化學教研室

1電子槍發(fā)射出來的陰極電子經聚焦后成為直徑為50um的點光源，并會聚成孔徑角較小，束斑為5-10um的電子束，在試樣表面聚焦。

2在末級透鏡上邊的掃描線圈作用下，電子束在試樣表面掃描。

3高能電子束與樣品物質相互作用產生SE，BE，X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收而成像。換言之，掃描電鏡是采用類似電視機原理新疆大學材料化學教研室8.1.1掃描電鏡工作基本原理電子與物質相互作用新疆大學材料化學教研室??新疆大學材料化學教研室?1、電子光學系統(tǒng)<1>電子槍：作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產生高能量的電子束。目前大多數掃描電鏡采用熱陰極電子槍。<2>電磁透鏡：作用主要是把電子槍的斑。在樣品表面上和熒光屏上的同步掃描信號。8.1.2

掃描電鏡的主要結構2、信號檢測，收集束和顯斑示逐放大漸系統(tǒng)縮小，是原來直徑約為50

nm作用是檢測樣品在入射電子作用下產生的物理信號，然后經視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調制信號。包的括二束次電斑子縮和背小反射成電子一收集個器，只顯有示系數統(tǒng)，u吸m收的電子細檢小測器束，X射線檢測器。3、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)作用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。電源系統(tǒng)由?穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應<的3安>掃全保描護電線路所圈組成：，其作作用用是是提供提掃描供電鏡入各射部分電所需子穩(wěn)定束電源。1、電子光學系統(tǒng)新疆大學材料化學教研室2、信號檢測放大系統(tǒng)3、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)1、放大倍數

由于掃描電鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度來實現的。M=l/L

l:熒光屏長度；L電子束在試樣上掃過的長度?？梢酝ㄟ^調節(jié)L來改變放大倍數。

如果減少掃描線圈的電流，電子束在試樣上的掃描幅度將減小，放大倍數將增大。調新疆大學材料化學教研室8.1.3掃描電鏡的主要性能景深是指一個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范圍。掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角，長焦距，所以可以獲得很大的景深。一般光學顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡的景深大10倍。，立體感強，形態(tài)逼真是SEM別適用于粗糙樣品表面的觀的突出

察和分析景深大特點，特。2、景深新疆大學材料化學教研室分辨率是掃描電鏡的主要性能指標之一。

對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；

對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離；

分辨率大小由入射電子束直徑和調制信號類型共同決定：電子束直徑越小，分辨率越高。新疆大學材料化學教研室3、分辨率?新疆大學材料化學教研室??

1有較高的放大倍數，20-20萬倍之間連續(xù)可調；有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構；試樣制備簡單；可同時進行顯微形貌觀察和微區(qū)成分分析。掃描電鏡的優(yōu)點:項目掃描電鏡透射電鏡分辨本領70～100

?2

?放大倍數20～40萬倍100萬倍加速電壓1～50

KV幾十千伏～幾百千伏圖像特點景深長、三維立體結構景深小、兩維平面結構樣品制備固定-脫水-臨界點干燥-噴涂金屬固定-脫水-包埋-超薄切片-重金屬染色樣品尺寸1cm350～100nm切片樣品損傷光斑直徑只有幾十埃的電子束在樣品上掃描，對樣品損傷極小大約1μm直徑電子束打到樣品上，造成一定程度損傷樣品成信號二次電子、背散射電子透射電子放大倍數調節(jié)用衰減器改變掃描線圈電流，進行放大率調節(jié)調整中間鏡電流改變放大率決定分辨率因素入射電子束直徑決定圖像分辨率。

加速電壓、透鏡縮小率、電源穩(wěn)定度及像差決定電子束斑直徑加速電壓、電源穩(wěn)定度、像差、樣品厚度等影響分辨率新疆大學材料化學教研室掃描電鏡和透射電鏡比較(一)能夠直接觀察樣品表面的結構，樣品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。(二)樣品制備過程簡單，不用切成薄片。(三)樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉，因此，可以從各種角度對樣品進行觀察。(四)景深大，圖象富有立體感。掃描電鏡的景深較光學顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。(五)圖象的放大范圍廣，分辨率也比較高?？煞糯笫畮妆兜綆资f倍，它基本上包括了從放大鏡、光學顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍。分辨率介于光學顯微鏡與透射電鏡之間，可達1nm。(六)電子束對樣品的損傷與污染程度較小。(七)觀察形貌的同時，還可利用從樣品發(fā)出的其他信號作微區(qū)成分分析。新疆大學材料化學教研室掃描電鏡和光學顯微鏡及透射電鏡的區(qū)別SEM所取得的迅速發(fā)展表明，儀器本身性能（如分辨力、多功能等）的不斷提高固然重要，但樣品制備技術的改良和日趨完善，則對SEM的應用與發(fā)展確實起到了積極促進作用。同時，樣品制備的質量如何，也是能否發(fā)揮SEM儀器最佳性能、拍出理想圖像照片的關鍵所在。因此，SEM生物樣品制備技術問題，一直是電鏡工作者不斷創(chuàng)新的一個重要領域。生物樣品制備的基本操作程序新疆大學材料化學教研室8.1.4掃描電鏡的樣品制備生物樣品的導電處理新疆大學材料化學教研室生物樣品尤其是經干燥處理的樣品,其表面電阻率很高,導電性能很差,當接受電子束照射時,易造成充電和放電效應,以至圖像模糊不清。此外生物樣品元素成分原子序數低,二次電子發(fā)射率低,也難得到反差適當的圖像,為增加導電性能,提高二次電子發(fā)射率,必須對樣品進行導電處理。掃描電鏡樣品可以是塊狀，也可以是粉末；樣品或樣品表面要求有良好的導電性，對于導電性差或不導電的樣品，需真空鍍膜（鍍金）。專用掃描電鏡，其樣品尺寸可以比較大：

25mm

20mm。新疆大學材料化學教研室8.2掃描電鏡在材料研究中的應用新疆大學材料化學教研室1、斷口分析2、高倍金相組織觀察與分析3、斷裂過程的動態(tài)研究8.2.1表面形貌襯度及其應用表面形貌襯度表面形貌襯度是利用二次電子信號而得到的一種像襯度。由于二次電子信號主要來自樣品表層5-10nm深度范圍，它的強度與原子序數沒有明確的關系，而僅對微區(qū)刻面相對于入射電子束的位向十分敏感，且二次電子像分辨率比較高，所以特別適用于顯示形貌襯度。8.2.2原子序數襯度及其應用原子序數襯度又稱為化學成分襯度，它是利用對樣品微區(qū)原子序數或化學成分變化敏感的物理信號作為調制信號得到的一種顯示微區(qū)化學成分差別的像襯度。這些信號主要有背散射電子、吸收電子和特征X射線等。（1）背散射電子像襯度新疆大學材料化學教研室背散射系數隨原子序數變化趨勢（2）吸收電子像襯度新疆大學材料化學教研室Morphology新疆大學材料化學教研室聲化學法合成的硒Se納米線39新疆大學材料化學教研室水熱法所得Se納（微）米棒40新疆大學材料化學教研室溶劑熱和低溫液相法制得的Se微/納米管41新疆大學材料化學教研室抗壞血酸為還原劑制備Se納米線42新疆大學材料化學教研室抗壞血酸為還原劑制備Te納米線43新疆大學材料化學教研室44水熱法制備的Cu2O納米晶新疆大學材料化學教研室取向碳納米管陣列膜形貌的SEM照片新疆大學材料化學教研室新疆大學材料化學教研室

波譜儀是電子探針的重要組成部分，電子探針激發(fā)出各個元素的特征x射線。波譜儀利用晶體衍射把不同波長的X射線分開，不同波長的X射線將在各自滿足布拉格方程的2θ方向上被檢測器接收。8.3波譜儀WDS結構及工作原理Wavelength

Dispersive

Spectrometer波譜儀的特點：波長分辨率很高X射線利用率很低波譜儀不適于束流低、x射線弱的情況下使用新疆大學材料化學教研室在波譜儀中，x射線信號來自樣品表層的一個極小的體積，可將其看作點光源，由此點光源發(fā)射的x射線是發(fā)散的，能夠到達分光晶體表面，只是其中極小的一部分，信號很微弱增強信號采取措施：-----聚焦圓晶面彎曲把分光晶體的衍射晶面彎成曲率半徑等于2R(R為羅蘭圓半徑)的曲面--晶體內表面任意點A、B、C上接收到的X射線相對于點光源來說,入射角都相等表面磨制將晶體表面磨成曲率半徑等于R的曲面--這樣的布置可以便A、B、C三點的衍射束正好聚焦在D點。新疆大學材料化學教研室8.4能譜儀結構及工作原理（EDS）能量色散譜儀簡稱能譜儀(EDS或EDX)，是利用特征X射線能量不同來進行成

分分析的儀器，目前已成為掃描電鏡或透射電鏡普遍應用的附件，它與主機共用電子光學系統(tǒng)，在觀察分析樣品的表面形貌或內部結構的同時，能譜儀可以探測到感興趣的某一微區(qū)的化學成分。1.工作原理X射線光子由鋰漂移硅Si(Li)檢測器收集，當光子進入檢測器后，在Si(Li)晶體內激發(fā)出一定數目的電子—空穴對，產生一個空穴對的最低平均能量

，因此由一個x射線光子造成的電子—空穴對的數目N。新疆大學材料化學教研室EDAX能譜儀新疆大學材料化學教研室JEM能譜儀能譜儀圖片新疆大學材料化學教研室Si（Li）晶體厚3-5mm，直徑3-10mm，它是一個P-N結型二極管。它的前方有一個7-8μm的鈹窗，整個探頭裝在與存有液氮的杜瓦瓶相連的冷阱內。新疆大學材料化學教研室能譜儀中最關鍵的部分，決定了能譜分析元素范圍和精度。目前大多使用鋰漂移Si（Al)探測器。將接收的X射線光子變成電脈沖信號。每產生一對電子一空穴對，要消耗掉X光子3.8eV能量，因此每一個能量為E的入射光子產生的電子一空穴對數目N=?E／3.8。8.4.1半導體脈高度分析器（探頭，MCA)多道脈沖高度分析器有一個由許多存儲單元（稱為通道）組成的存儲器。與X光子能量成正比的時鐘脈沖數按大小分別進入不同存儲單元、每進入一個時鐘脈沖數，存儲單元記一個光子數，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的計數為X光子數。最終得到以通道（能量）為橫坐標、通道計數（強度）為縱坐標的X射線能量色散譜，并顯示于顯像管熒光屏上。新疆大學材料化學教研室8.4.2多道脈沖高度分析器（MCA）入射x射線光子的能量越高，N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子—空穴對．經前置放大器轉換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。電流脈沖經主放大器轉換成電壓脈沖進入多道脈沖高度分析器。脈沖高度分析器技高度把脈沖分類并進行計數，這樣就可以描出一張?zhí)卣鱴射線技能量大小分布的圖譜。上圖為含Ba硫鋁酸鹽水泥的水化產物照片，下側的是照片中1、2點的能譜成分分析圖譜新疆大學材料化學教研室1、分析元素范圍能譜儀分析的元素范圍為：有Be窗口的范圍為11Na-92U。無窗或超薄窗口的為4Be-92U。2、分辨率能譜儀的分辨率是指分開或識別相鄰兩個譜峰的能力，可用能量色散譜的譜峰半高寬來衡量，也可用ΔE/E的百分數來表示。半高寬越小，表示能譜儀的分辨率越高。目前能譜儀的分辨率達到130eV左右。3、探測極限能譜儀能測出的元素最小百分濃度稱為探測極限，與分析的元素種類、樣品的成分等有關，能譜儀的探測極限約為0.1-0.5%。新疆大學材料化學教研室能譜儀的主要性能指標①分析速度快，全譜一次收集，分析一個樣品只需幾分鐘至幾十分鐘②不破壞樣品，分辨率高。③可以把樣品的成分和形貌乃至結構結合在一起進行綜合分析能譜化學成分分析優(yōu)點在電鏡中看到的形貌及需要分析的區(qū)域(點或面)。EDS譜線實時收集的結果，縱坐標是X射線光子的計數率CPS，橫坐標是元素的能量值（KeV）。新疆大學材料化學教研室EDS譜線收集完畢后定量計算的結果，給出了重量和原子百分比。8.5電子探針儀的分析方法及應用新疆大學材料化學教研室四種基本方法：定點定性分析、線掃描分析、面掃描分析和定點定量分析。