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1、第三章 第四节 扫描电镜,主讲谭红琳 材料科学与工程学院,3.4.1 扫描电镜,样品制备非常方便 可直接观察大块试样 固体材料样品表面和界面分析 适合于观察比较粗糙的表面： 材料断口和显微组织三维形态,扫描电镜能完成：,表（界）面形貌分析； 配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。,扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同：,它不用什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。,由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号：,如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。
2、,这些物理信号的强度随样品表面特征而变,它们分别被相应的收集器接受， 经放大器按顺序， 成比例地放大后， 送到显像管。,供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源,也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。 因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。,扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体样品而激发产生的。具有一定能量的电子，当其入射固体样品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固体样品产生多种物理信号。,3.4.2 扫描电镜成像的物理信号,它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。又分弹
3、性背散射电子和非弹性背散射电子，前者是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射回来的电子。,背散射电子,它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电子。 在样品上方装一个电子检测器来检测不同能量的电子，结果如图4-57所示。二次电子的能量比较低，一般小于50eV；背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量 E0。,二次电子,它是被吸收电子是随着与样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入射电子。,吸收电子,它是入射束的电子透过样品而得到的
4、电子。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。 图4-58是电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系。,透射电子,由图知，样品质量厚度越大，则透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越大，但达一定值时保持定值。,样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满足以下关系： ip=ib+is+ia+it (4-69) 式中：ip 是入射电子强度； ib 是背散射电子强度； is 是二次电子强度； ia 是吸收电子强度； it 是透射电子强度。,将上式两边同除以ip，得 +a+T=1 (4-70) 式中：= ib/ip，为背散射系数； = is/ip，为二次电子发射
5、系数； a = ia/ip，为吸收系数； T = it/ip，为透射系数。,特征X射线是原子的内层电子受到激发之后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。,特征X射线,如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量，仍大于包括空位层在内的邻近或较外层的电子临界电离激发能，则有可能引起原子再一次电离，发射具有特征能量的俄歇电子。,俄歇电子,3.4.3 扫描电镜的构造,(1) 电子光学系统（镜筒） (2) 扫描系统 (3) 信号收集系统 (4) 图像显示和记录系统 (5) 真空系统 (6) 电源系统,扫描电镜由六个系统组成,电子光 由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成。它的作
6、用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束(直径一般为10nm或更小)来轰击样品，使样品产生各种物理信号。 ,(1) 电子光学系统（镜筒）, 扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：1) 使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描；2) 改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。,(2) 扫描系统, 扫描电镜应用的物理信号可分为： 电子信号，包括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用电子收集器；特征X射线信号，用X射线谱仪检测；可见光信号（阴极荧光），用可见光收集
7、器。,(3) 信号收集系统,其作用是将电子信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转换成电信号输出(增益达106)，这种信号就用来作为扫描像的调制信号。 ,常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部件,这样就提高了收集效率，而且，即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的图像。图4.62。,收集二次电子时，为了提高收集有效立体角，常在收集器前端栅网上加上+250V偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道，到达收集器,(a) 加偏压前 (b) 加偏压后 图4.62 加偏压前后的二次电子收集情况,收集器只能收集直接沿直线到达栅网上的那些电子。,当收集
8、背散射电子时，由于背散射电子能量比较高，离开样品后，受栅网上偏压的影响比较小，仍沿出射直线方向运动,现在一般用同一部收集器收集二次电子和背散射电子，这通过改变栅网上的偏压来实现。将收集器装在样品的下方，就可收集透射电子。,同时，为了挡住二次电子进入收集器，在栅网上加上-250V的偏压。,这一系统的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存储于计算机中。,(4)图像显示和记录系统,扫描电镜的真空系统和电源系统的作用与透射电镜的相同。,(5)真
9、空系统 (6)电源系统,扫描电镜的放大倍数可用表达式 M=AC/AS 式中AC是荧光屏上图像的边长， AS是电子束在样品上的扫描振幅。 目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-200000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。,3.4.4 扫描电镜的主要性能 (1)放大倍数, 入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。,(2) 分辨本领 SEM的分辨本领与以下因素有关： 1) 入射电子束束斑直径,电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。由图可以看出，只有在离
10、样品表面深度0.3L2区产生的背散射电子有可能逸出样品表面，二次电子信号在5-10nm深处的逸出，吸收电子信号、一次X射线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理信号来自不同的深度和广度。,2) 入射束在样品中的扩展效应,入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射电子束直径，一般为6-10nm，背散射电子为50-200 nm，吸收电子和X射线为100-1000nm。,3）影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁场和机械震动等。,SEM景深很大。它的景深取决于分辨本领和电子束入射半角a
11、c。由图可知，扫描电镜的景深F为 因为ac很小，所以上式可写作,(4)景深,图4.64 景深的依赖关系,SEM 固体材料样品制备方便，只要样品尺寸适合，就可以直接放到仪器中去观察。样品直径和厚度一般从几毫米至几厘米，视样品的性质和电镜的样品室空间而定。,3.4.5 SEM样品制备,否则，在电子束照射到该样品上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入和样品内电子射出样品表面。导电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、碳和铝等真空蒸镀层。,对于绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约1020 nm的导电层,在某些情况下扫描电镜也可采用复型样品。,： 1. 从大的样品上确定取
12、样部位； 2. 根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面； 3. 清洗； 4. 包埋打磨、刻蚀、喷金处理，,SEM样品制备大致步骤,SEM像衬度的形成主要基于样品微区诸如表面形貌、原子序数、晶体结构、表面电场和磁场等方面存在着差异。入射电子与之相互作用，产生各种特征信号，其强度就存在着差异，最后反映到显像管荧光屏上的图像就有一定的衬度。,3.4.6 SEM像衬度,利用与样品表面形貌比较敏感的物理信号(二次电子)作为显像管的调制信号，所得到的像衬度称为表面形貌衬度。通常表面形貌衬度与原子序数没有明确的关系。,1 表面形貌衬度,实验证明了二次电子的角分布符合余弦分布律。这种分布与样品材料的晶体
13、结构和入射电子束的入射方向无关。如果二次电子的总发射数为N，而N()d为与样品表面法线交角的立体角元d内的发射数，则 N()= N/cos,1) 二次电子的角分布,二次电子角分布,若设为入射电子束与试样表面法线之间的夹角，实验证明，当对光滑试样表面、入射电子束能量大于1kV且固定不变时，二次电子产率与的关系为 1/cos,2) 二次电子产率与电子束入射角度 的关系,入射电子束的方向是固定的，但由于试样表面凹凸不平，因此它对试样表面不同处的入射角也是不同的。电子收集器的位置对一台仪器来说是固定的，所以试样表面不同取向的小平面相对于电子收集器的收集角也不同。,实际样品的形状是复杂的，但都可以被看作
14、是由许多位向不同的小平面组成。,根据公式，越大，越高，反映到显像管荧光屏上就越亮。以图4-67所示样品上A区和B区为例，A区中由于大，发射的二次电子多，而B区由于小，发射的二次电子少。 按二次电子发射的余弦分布律，检测器相对于A区方位也较B区为有利，所以A区的信号强度较B区的信号大，故在图像上A区也较B区亮。,由于作用体积的存在，在断口峰、台阶、突出的第二相粒子处的图像特别亮。,可以使低能二次电子走弯曲轨道到达电子收集器，这不仅增大了有效收集立体角，提高了二次电子信号强度，而且使得背向收集器的那些区域产生的二次电子，仍有相当一部分可以通过弯曲的轨道到达收集器，有利于显示背向收集器的样品区域细节
15、，而不致于形成阴影。,在电子收集器的栅压上加上+250V的偏压,但它对表面形貌的变化不那么敏感，背散射电子像分辨率不如二次电子像高，有效收集立体角小，信号强度低，尤其是背向收集器的那些区域产生的背散射电子不能到达收集器，在图像上形成阴影，掩盖了那里的细节。,背散射电子信号也可以用来显示样品表面形貌,原子序数衬度又称为化学成分衬度，它是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区化学成分差别的像衬度。这些信号主要有背散射电子、吸收电子和特征X射线等。,2 原子序数衬度, 背散射系数随原子序数Z的变化如图4-69所示(为二次电子产率)。可见，背散射电子信号强度随原子序数Z增大而增大，样品表面上平均原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背散射电子像上显示较亮的衬度。因此，可以根据背散射电子像衬度来判断相应区域原子序数的相对高低。,(1) 背散射电子像衬度,吸收电子信号强度与二次电子及背散射电子的发射有关，由(4-70)式知，若样品较厚，即T=0，则+=1。这说明，吸收电子像的衬度是与背散射电子像和二次电子像互补的。因此可以认为，样品表面平均原子序数大的微区，背散射电子信号强度较高，而吸收电子信号强度较低，两者衬度正好相反(图4-70)。 ,
