扫描电镜的基本工作原理及主要图象方式PPT课件

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1、扫描电镜的基本工作原理扫描电镜的基本工作原理及主要图象方式及主要图象方式引引 言言一、仪器发展简史一、仪器发展简史二、扫描电子显微镜成象原理二、扫描电子显微镜成象原理三、扫描电镜的几种主要图象方式三、扫描电镜的几种主要图象方式四、仪器的简单结构四、仪器的简单结构五、仪器的特点五、仪器的特点 1引引 言言 在当代迅速发展的科学技术中，科学家需要观察、分析和正确地解释在一个微米（m）或亚微米范围内所发生的现象，扫描电镜和电子探针是两个强有力的仪器，可用它们观察和检测非均相有机材料、无机材料及在上述微米、亚微米局部范围内的表面特征。在历史上，扫描电子显微镜（SEM）和电子微探针（EPMA）被看作是各

2、自独立的二种仪器（图1图2）。虽然在外观上这是明显的，然而这两种仪器的基本原理却是十分相似的。都用一束精细聚焦的电子照射需要检测的区域或是需要分析的微体积，该电子束可以是静止的，或者沿着样品表面以一光栅的方式扫描。其差别仅仅在于它们感兴趣的信号不同。2 在扫描电镜（SEM）中，人们最感兴趣的信号是二次电子和背散射电子，因为当电子束在样品表面扫描时，这些信号随表面形貌不同而发生变化。二次电子的发射局限于电子束轰击区附近的体积内，因而可获得相当高分辨率的图象。象的三维形态起因于扫描电镜的大景深和二次电子反差的阴影起伏效果。象的三维形态起因于扫描电镜的大景深和二次电子反差的阴影起伏效果。其它的信号在

3、许多情况下也同样有用。在通常称为电子探针的电子探针显微分析仪（EPMA）中，人们最感兴趣的辐射是由于电子轰击而发射的特征X射线，从特征X射线的分析能够得到样品中直径小到几微米区域内的定性和定量成分信息。3图图1 JXA-50A电子探针电子探针4图图2 JSM-840扫描电镜扫描电镜5一一. .仪器发展简史仪器发展简史1.1.扫描电镜的简要历史扫描电镜的简要历史 扫描电镜是用于检验和分析固体微观结构特征的最有用的仪器之一。它所以如此有用，其主要理由是：可以获得高的图象分辨率。对商品型仪器，通常的指标优于100，最先进的仪器目前可达25，这是采用场发射电子枪获得的重要改进。场发射电子枪是具有很高的

4、亮度和很小的电子源。另一个主要特点是扫描电镜的图象反映了样品三维的形貌特征，这是它具有大的焦深的直接结果。通过电子和样品的互作用可以研究样品的结晶学，磁学和电学特性。6 早在1938年,Von.Ardence（冯.阿尔顿）将扫描线圈加到透射电子显微镜上（TEM），制成了第一台扫描透射电子显微镜（STEM），该仪器有两个会聚透镜,扫描线圈就置于两个透镜之间,放大倍数8000X，分辨率在5001000 之间。第一台检验厚样品的用二次电子束成象的SEM是在1942年由 Zworykim 等制成，当时的分辨率仅达到1m 。直到1952年，C.W.Qatley 和McMullan 在剑桥（Cambrid

5、ge ）制成了第一台现代的SEM，分辨率达到500 。McMullan和后来的Smith（史密斯）指出经过信号处理，可以改善图象。Smith还第一次引入了对信号的非线性放大（处理）。他又用电磁透镜代替了原来的静电透镜。并且以双重偏转扫描改进了原来的扫描系统。他还在SEM中加入了消象散器。第一台成功的商品型仪器是在1965年问世的，由英国剑桥科学仪器公司制成。 1966年日本电子光学公司也制成了扫描电镜.在不到十年的时间中，美国，英国，法国，荷兰，日本和西德已经制成了一千多台扫描电镜。7目前,扫描电镜的发展方向是两个：大型和超小型大型：采用场发射电子枪或者LaB6电子枪，提高分辨率到25 。与电

6、子探针的功能相结合，加上波长色散谱仪和能量色散谱仪，进行元素分析。并加上电子通道花样（ECP ）和选区电子通道花样（SECP ）等功能。使其性能向综合的方向发展。超小型：由于扫描电镜制样简单，操作方便，图象更有立体感，层次细节更分明和丰富，清晰度高，各制造厂家自75年后纷纷制造各种桌上型的扫描电镜（也称简易型）。其特点是体积小,重量轻。像日立公司（HITACHI）的S310A，全部重量170公斤，日本电子的JSMT20也仅180公斤。这类超小型扫描电镜能以很低的代价（不超过40000美元 ）就得到高分辨率（150 ）的清晰图象，所以获得了广泛的应用。82.电子探针发展简史 电子探针（Eletr

7、on Probe）又名X射线微区分析仪（X-Ray Micgoanalyser） 。 它 的 设 计 思 想 首 先 由 法 国 的 卡 斯 坦（Castaing）在他的老师格乌尼里（Guiner ）指导下，在1949年于巴黎大学的毕业博士论文中提出来的。它的基本原理是用一束聚焦的具有一定能量的电子轰击样品,以激发出样品的X射线，然后根据这些X射线的波长和强度，来鉴定样品中包含的元素种类及其含量,从而为人们提供了关于试样化学组成的定性和定量二种信息。9 卡斯坦的设想一提出来之后，立即为欧洲和美国的许多科学工作者所采用，他们最早是把电子显微镜经过适当改装使其成为电子探针，其分辨率和测量的精度从今

8、天的角度来看，当然是很低的，只能作一些定性的工作，但即使这样，也使急于想探索1或几这样微小区域中的化学组成的科学工作者感到极大的兴奋，使他们更加努力去进一步改进仪器。第一台商品型电子探针由法国卡梅卡（CAMECA）公司在卡斯坦的直接指导下于1956年首先制成。在这同一时期，苏联的洛夫斯基（Lopofckuji ）也独立的发展了电子探针的概念。并装置了一台结构大体类似的仪器。卡斯坦的第一台探 针 并 不 具 有 电 子 束 扫 描 的 功 能 ， 其 后 1959年 英 国 的 卡 斯 列 特（Cosslett）和邓克姆布（Duncumt ）又将其进一步改进，使其具有在试样表面的一定面积上扫描的

9、功能。 电子探针的问世不是偶然的，它是由于人类生产水平的不断提高，对科学技术提出了更高的要求，人们已经不能满足于对大块试样平均成分的了解，而是努力探索许多物理、化学的宏观现象与试样在微米级这样的亚微观区域中成分的不均匀性之间的内在联系。而电子探针的出现正是为解决这样的课题提供了强有力工具。我国从62年开始引进。10二二. .扫描电子显微镜成象原理扫描电子显微镜成象原理 扫描电子显微镜是以能量为1-30KV间的电子束，以光栅状扫描方式照射到被分析试样的表面上，利用入射电子和试样表面物质相互作用所产生的二次电子和背散射电子成象，获得试样表面微观组织结构和形貌信息。配置波谱仪和能谱仪，利用所产生的X

10、射线对试样进行定性和定量化学成分分析。111.1.会聚电子束的形成会聚电子束的形成 电子光学系统是扫描电子显微镜的核心，可分为两部分：电子枪和透镜系统。电子枪能提供一定强度的电子束。来自热阴极（钨或六硼化镧）或场发射阴极的电子被1-30KV的电压加速，由阳极孔射出，形成一交叉电子束。其交叉斑对于热阴极为10-50m，对于场发射阴极为10-100nm。透镜系统由两个或三个电磁透镜组成，改变透镜的励磁电流可连续调节透镜的焦距。靠近样品的称为物镜，其余的透镜称为会聚镜。在透镜系统的作用下，能将电子枪形成的电子束交叉斑缩小，在样品的表面形成最小直径为3-10nm的电子束照射斑。这时的电子束流为10-1

11、0-10-12A，适合于观察二次电子图象。有时需要更大的电子束电流，例如，背散射电子图象的观察需要10-7-10-9A，这时照射斑点将增大到0.1-1m。12图图3 扫描电子显微镜结构原理图扫描电子显微镜结构原理图132.2.电子束与样品的相互作用电子束与样品的相互作用 当电子束轰击样品表面时，一部分的能量转变成热能，这可能造成样品的辐照损伤。还有部分的能量由于电子与样品原子的相互作用而发射出各种有用的信息。主要有：（1）二次电子：入射电子使样品原子激发所产生的电子，它们的能量很低，一般小于50eV。只有10nm左右的深度范围的二次电子才能逸出样品表面而被检测。（2）背散射电子：一部分入射电子

12、因与样品原子碰撞而改变运动方向，经多次碰撞又由样品表面散射出来，称之为背散射电子，其能量接近入射电子的能量。 （3）特征X射线：样品原子的内层电子被激发后所产生的X射线。（4）俄歇电子：样品原子的内层电子被激发后所产生的电子。（5）吸收电子：一部分入射电子在与样品原子碰撞过程中将能量全部释 放给样品，而成为样品中的自由电子，称之为吸收电子。（6）荧光：样品原子的外层电子被激发后所产生的可见光或红外光。（7）感生电动势：入射电子照射样品的pn结时产生的电动势（或电流）。14图图4 电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用153.3.成象原理成象原理 扫描电镜的成象过程与电视的摄象显象过程很相似。

13、来自扫描发生器的扫描信号分别送给电子光学系统的扫描线圈和显象管的扫描线圈，让电子束与显象管的阴极射束（实际上也是电子束）做同步扫描，使阴极射束在荧光屏上的照射点（称为象点）与电子束在样品上的照射点（称为物点）按时间顺序一一对应，样品上的物点在电子束作用下所产生的信号被检测器随时检出，经视频放大器放大后控制显象管阴极射束的强度使荧光屏上象点的亮度受试样上物点所产生的信号的大小的调制，从而得到与样品性质有关的图象。这是一种按时间顺序逐点成象的方式。前面提到的电子束与样品相互作用所产生的各种信息都可以作为调制图象的信号。164.4.分辨本领分辨本领 分辨本领在扫描电子显微镜中定义为：清楚地分辨样品上

14、两个点或两个细节之间的距离的能力。实际上，分辨本领主要取决于电子束照射在样品上的束斑大小。普通钨丝电子枪的分辨本领在6.0-3.5nm之间，而场发射电子枪可达到1.0nm。应该指出：仪器的分辨本领与仪器状态和操作技术有很大关系。上述数值是在最佳状态下，观察特殊样品的二次电子图象时得到的，是仪器的极限。通常使用时都是低于这个值。17三三、扫描电镜的几种主要图象方式、扫描电镜的几种主要图象方式 在固体研究中，扫描电镜的多种用途在很大程度上是基于电子束在样品中经受的各种相互作用，这些相互作用一般可分为两类：（1）弹性作用，这种作用可以改变电子束在样品中的路径，但没有引起明显的能量变化；（2）非弹性作

15、用，可使能量转移到固体。在这相互作用的过程中，伴随着能量的传递和转换，就产生了各种各样的信号，其中最主要的有：背散射电子、二次电子、特征和连续X射线、俄歇电子和各种能量的光子。原则上说，从所有这些相互作用都能获得有关样品性质的信息形状、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。为了从测量的信号中和扫描电镜记录的图象上获得这些信息，电镜工作者需要具备电子与样品相互作用和广泛的定性分析知识，如果可能，对定量分析的知识也应有所了解。18( (一一) )二次电子图象二次电子图象1.1.二次电子（二次电子（Secondary ElectronSecondary Electron） 它是由入射电子与核

16、外松散的被束缚的外层电子之间发生非弹性散射的结果。所谓非弹性散射，就是在散射过程中有能量的转移和损失。入射电子在这过程中损失其原有能量。而使松散的外层电子获得一定能量而脱离原有的轨道。假如这些二次电子是在紧靠表面的地方产生，并且其能量比表面势能（26eV）要大的话，则二次电子有很大的可能性从表面逃逸出来，而为人们所探测到。但如果它们产生在样品表面以下100的地方，则这些二次电子仍被样品强烈吸收，其逃逸出来的可能性极小。所以二次电子所能提供的信号，只能是反映样品表面以下100这么一个薄区域的情况。这种二次电子信号被用来作为扫描电子显微镜主要观察分析对象。192.2.二次电子的收集二次电子的收集

17、二次电子常用装在样品室侧面的闪烁体光电倍增管检测器检测。入射电子产生的二次电子被加有+100V至+200V偏压的栅网收集。闪烁体表面有几十个纳米厚的导电铝膜，在其加上+10KV偏压。穿过收集栅网的二次电子被加速到闪烁体。具有加速电子的能量，足以使闪烁体发光，光强度与二次电子数量成正比。闪烁体发出的光量子通过光导管送到光电倍增管转换成电压信号，用来调制阴极束。20图图5 二次电子探测器结构图二次电子探测器结构图213.3.影响图象反差的主要因素影响图象反差的主要因素 图象反差是由于不同物点之间二次电子产额及收集效率的差别造成的。(1)(1)倾斜效应倾斜效应 如果样品局部表面倾斜角，则电子束在二次

18、电子发射层（约10nm）内的路径增大。从而使二次电子产额1/cos，即表面越倾斜，二次电子产额越大。(2)(2)孔洞效应孔洞效应 来自凸起后面（相对于检测器方向）的物点或孔洞里面的物点的二次电子均受到侧表面的抑制，导致收集效率的减小。(3)(3)边缘效应边缘效应 在凸起的边缘，由于扩大了电子作用区的裸露表面，而使二次电子产额有明显增大。类似的影响也发生在尺度接近入射电子作用范围的尖锐凸起或小球。(4)(4)成分效应成分效应 二次电子产额随样品成分的平均原子序数的增大而增加，但这种差别并不明显。224.4.二二次次电电子子图图象象的的应应用用 二次电子的检测方法使得能量小于50eV的电子，不论从

19、什么方向射出样品几乎都能被收集吸引过来而被检测。因而得到无明显阴影的图象。同时二次电子产额主要取决于样品表面的形貌，因此二次电子图象特别适合于观察起伏较大的样品的表面。23图图6 镁合金断口形貌镁合金断口形貌24图图7 高比重钨合金断口形貌高比重钨合金断口形貌25图图8 高比重钨合金断口形貌高比重钨合金断口形貌26图图9 钛合金断口形貌钛合金断口形貌27图图10 钛合金断口形貌钛合金断口形貌28图图11 钨合金断口形貌钨合金断口形貌29图图12 Bi系超导带材断口形貌系超导带材断口形貌30图图13 Bi系超导带材断口形貌系超导带材断口形貌31图图14 Bi系超导带材表面形貌系超导带材表面形貌3

20、2图图15 粉末颗粒表面形貌粉末颗粒表面形貌33(二)背散射电子图象背散射电子图象1.1.背背 散散 射射 电电 子子 （ 又又 称称 反反 向向 散散 射射 电电 子子 Backscattered Backscattered electronselectrons） 它主要是由经典的弹性散射所产生的。所谓弹性散射，就是在散射过程中，入射电子仅仅是改变了运动的方向，而忽略了它在碰撞过程中的能量损失，也就是说在这种碰撞过程中，是严格遵守经典的能量守恒定律的。进一步分析可以发现，这种弹性反射又可分为二种情况：（A）卢瑟福散射（Rutherlord ）：入射电子被固体中原子核的库仑（Coulonk）电

21、场散射，仅仅一次单散射，就使入射电子的方向发生很大的偏离，甚至超过90，而使电子能逸出表面，形成反向散射电子。（B）多重散射：这是一系列小角度散射事件的集合。其中每次小角度的散射，都可以看作是入射电子在通过对核起屏蔽作用的核外电子云时，受到静电排斥作用所造成的。多重散射也可导致入射电子方向很大的改变，使其返回到表面而逸出样品。34 在低原子序数的元素中，当入射电子具有的能量在1020Kev的范围中，则多重散射在整个反向散射中占的几率约占50稍多一些，二次相邻散射之间的平均自由程也较大。因此在这类试样中，由于发生多重散射，而使电子逸出表面深度也较大。相反，在高原子序数的元素中，多重散射在整个反向

22、散射中的几率稍低于50，平均自由程也较小，能够逸出的电子也仅仅是靠近样品表面的。总的说来，发生弹性散射的数量（包括单散射和多重散射二者在内）是随原子序数而增加，即重元素发生弹性散射的几率大。入射电子穿进样品之后，随即又作为背散射电子而逸出，是随着离开样品表面下的距离而迅速减少的，因此背散射电子往往只是发生在试样表面较薄的区域。352.2.背散射电子探测器背散射电子探测器图图16 16 背散射电子探测器背散射电子探测器36图图17 17 背散射电子工作原理框图背散射电子工作原理框图373.3.背散射电子应用背散射电子应用 由于背散射电子以直线轨迹运动，因而形成图象反差的因素，除倾斜，成分，边缘效

23、应与二次电子图象相似外，还有明显的阻挡效应。当样品局部表面背向检测器倾斜，超过一定角度时，背散射电子被倾斜面阻挡。样品表面一定范围内的背散射电子不能被检测，形成无信号的暗区，相当于从检测器方向定向照明的阴影。 由于它的阴影效果，通常背散射电子不适于观察表面起伏很大的样品，但在观察浅沟槽表面的样品时，反而加强了立体效果。38图图18 Al-Sn-Pb合金二次电子图象、合金二次电子图象、 背散射电子图象及背散射电子图象及X射线图象射线图象39图图 19 ZnO 19 ZnO 二次电子图象、二次电子图象、 背散射电子图象背散射电子图象40图图20 矿物样品的背散射电子图象矿物样品的背散射电子图象41

24、（三）（三）X X射线射线1.当入射电子束与样品相互作用时，有二种方式可导致产生X射线：（A）入射电子与原子核的非弹性散射：这种作用，使运动电子在原子核的库仑势场中失去能量而发射出连续的 X射 线 光 谱 ， 这 又 称 为 白 色 辐 射 或 韧 致 辐 射（Bremshrahluny ）。在这种情况下，产生的X射线光谱的能量可以从零能量一直延伸到与入射电子束能量相等的X射线。这种连续X射线光谱，在电子探针中，提高了测量的背底，降低了探测的灵敏度和分辨率，是我们要尽力加以消除的一种有害影响。42（B）入射电子与原子的内层电子发生互作用：带有足够能量的入射电子，它能够撞击一个K、L或者M能级上

25、的内层电子，使原子处于激发和电离的状态，原子通过它的外层电子跃迁到内层的空位而回到基态。在这种回复到原来状态的过程中，多余的能量就以X射线光量子的形式释放出来，产生特征X辐射，这是电子探针主要利用的信号方式。因为核外电子按照量子力学的观点都是处于分离的能级上，能否跃迁由选择规则决定。所以其发射的X射线光量子也将具有分离的能量，其数值等于该原子始态和终态二者之间的能量差。因此对于确定的元素来说，其原子的特征辐射的波长是特定的，与这种元素是以单质、固溶体，或是化合物还是与其它元素机械地混合等存在状态无关，也与外界的温度，压力等条件无关，使分析大为简化。 例如， Cuk=1.542，Fek=1.93

26、7（这是恒定不变的）。X射线就其本质来说和一般广播、电视的无线电波一样也是一种电磁波，不过其差别仅仅在于波长较短，在0.11-几十的范围中。 而广播波段的波长大约是几十至几百米，可见光波长等6000数量级。43图图21 特征特征X射线产生原理射线产生原理44图图22 电子能级和特征电子能级和特征X射线的种类射线的种类45图图23 Ti23 Ti的的X X射线能谱图射线能谱图46图图24 B10 Cu24 B10 Cu合金合金X X射线能谱图射线能谱图472.2.微区元素分析微区元素分析 当具有一定能量的电子照射样品时，会激发样品原子辐射特征X射线。其波长与元素的原子序数Z有关，可用莫斯莱定律表

27、示：=K=K（Z-SZ-S）-2-2 式中K和S是与谱系有关的常数。因此，只要能测定特征X射线的波长或其光子的能量，就可以确定电子束照射区的元素组成。并且可以根据特征X射线的强度确定相应元素的含量。48 3 3 特征特征X X射线的检测方法射线的检测方法（1 1）波谱仪）波谱仪 波长色散谱仪简称波谱仪。它是依据X射线的波动性，利用晶体的衍射现象将不同波长的X射线分开。分别测量它们的强度。它的原理结构见图25。分光晶体、X射线源（样品表面与电子束交点）和检测器三者在半径为R的圆上。根据衍射定律和仪器的几何关系可得出下式：n=Ld/Rn=Ld/R式中：为X射线波长；d为晶体晶面间距；L为晶体与X射

28、线源和检测器之间的距离；n为衍射级次。对于一定的d/R，改变晶体位置就可以检测不同波长的X射线。（2 2）能谱仪）能谱仪 它是利用Si（Li）半导体检测器直接测量来自样品的X射线。每检测一个光子就给出一个电压脉冲，其幅度与光子能量成正比。用多道分析器，按脉冲幅度统计X射线强度就得到X射线强度随光子能量变化的能谱图。49图图25 25 波谱仪结构原理图波谱仪结构原理图504 4. .特征特征X X射线的应用射线的应用利用X射线信息可以完成以下三方面工作：(1)点分析。让电子束停止扫描，定位在指定的位置，用波谱仪和能谱仪收集样品产生的X射线谱，然后进行定性分析和定量分析。(2)元素分布曲线图分析。

29、将谱仪设置在指定元素特征X射线位置，测量该元素的X射线强度，形成一个二维曲线图。曲线的高低与样品相应位置的元素含量成比例，这样的曲线可以和背散射电子图象重叠拍摄，便于观察分析。 (3)元素面分布图分析。将波谱仪或能谱仪设置在只检测某一指定元素的特征X射线位置。只测量代表该元素的X光子，并给出脉冲信号。在指定元素的高含量区，光子脉冲密度大，在屏上形成亮点密集区。因此，可根据亮点密集程度，估计指定元素的分布状况。51图图26 52图图27 钯钡合金的钯钡合金的线扫描线扫描53图图28 Nb-Ti-Cu合金线扫描合金线扫描54图图29 金层的线扫描金层的线扫描55图图30 钼铜合金的钼铜合金的X 射

30、线面分布射线面分布56图图31 二次电子图象、背散射电子图象及二次电子图象、背散射电子图象及X射线图象射线图象57（四）俄歇电子（四）俄歇电子（Auger ElectronAuger Electron） 当入射电子与原子的内层电子发生互作用，在内部的电子壳层中形成空位。这种内部壳层中具有空位的受激原子，在回复到基态或者某种较低的能态时，并非所有的能量都是以X射线光量子的形式释放出来的，如（三）中所述的那样。它也可以以发射具有特定能量的电子的形式来释放这部分多余的能量，这种现象首先由法国的科学家俄歇（Anger）所观察到。俄歇电子的能量决定于发射它的原子壳层中电子的跃迁。例如K层上有一空位，M层

31、上一电子来填充这空位，电子从M层转移到K层释放的能量被一N层的电子吸收 而 发 射 ， 这 发 射 出 来 的N 层 电 子 的 能 量Ea=Ek-Em-En。因此俄歇电子的能量和特征X射线光量子的能量一样，也完全由原子的能级决定。58 根据这一原理，制成了俄歇电子能谱仪。专门用来分析样品的俄歇电子能谱，从而得到原子序数和原子的化学键的信息。又因为俄歇电子能量很低，在30eV 以下，故通常只有试样表面以下10的深度之中的俄歇电子才能逸出表面。所以俄歇电子能谱仪是目前表面分析最有效的手段，它可以分析表面几个原子层厚的区域，能量分辨率可达到0.1ev。在低原子序数元素中，产生俄歇电子的几率超过X射

32、线，所以俄歇电子对研究超轻元素比较有利。59图图32 内层的电离过程和随后的去激过程内层的电离过程和随后的去激过程,伴随发射俄歇电伴随发射俄歇电子或子或X射线光子射线光子60（五）阴极荧光（五）阴极荧光 如果二次电子在某些材料中与在散射过程中产生的空穴相复合，在驰豫过程中多余的能量以光子的形式释放出来，这种光子的能量随元素的不同而具有不同的波长，包括在从紫外到接近红外这么一个宽广的范围内。当检验一些矿物或者合金中的非金属夹杂物时，这种可见的发光现象常常可以被观察到。例如纯AL2O3在电子撞击下发红色光，CdS发亮绿色。因此，阴极荧光常可用来鉴定矿物，确定微量元素的存在。61( (六六) )电子

33、通道花样电子通道花样(ECP)(ECP) 电子通道花样在扫描电镜中形成的示意图见图33。用电子衍射动力学理论中的双光束模型对其形成可作定性解释。图右边为入射束沿一条线在试样上扫描时得到的背反射电子强度。图中为布拉格角, 为入射角, PM为镜筒内电子束的投影轴, PM为显象管内电子束的投影轴。 背反射电子在荧光屏上显示出与(HKL)面相对应的强度极大值和极小值。若入射束在整个试样上扫描,强度极小值就会形成暗带, 强度极大值连成亮带并紧靠暗带，形成电子通道花样。电子通道花样反映了晶体的结晶状态。62图图33 33 电子通道花样形成的示意图电子通道花样形成的示意图63图34 YBCO薄膜的电子通道花

34、样64( (七七) )电子背散射衍射电子背散射衍射(EBSP)(EBSP) EBSP的产生原因是,当电子束进入样品时发散而使电子射向各个方向。这意味着电子能在晶体的所有晶面发生布拉格衍射(即强反射)。图35显示出了一组晶面的位置。 发散电子束的两面都在这些平面的三维空间发生布拉格衍射并产生两个辐射圆锥。当荧光屏置于与圆锥交截面时,两个锥形段被截取,因圆锥事实上比图35所示平得多,截取得锥形段成为一对平行线。这就是所谈的”菊池线”。65图图35 35 电子束在一组晶面上衍射并形成一对菊池线电子束在一组晶面上衍射并形成一对菊池线66图图36 36 钼单晶的菊池花样钼单晶的菊池花样67 以上对入射电

35、子与固体的相互作用，做了一些简单的定性说明，目的在于了解各种信号产生的物理本质。这里采用的是最简单的原子结构的能级模型，把整个过程简单化为一个电子与一个原子的相互作用了。实际上发生的情况要复杂得多，固体是由许多原子组成的，每个电子也不再属于某一个原子，而是在许多原子核所组成的周期性势场及其它电子的平均场中运动，为整个晶体所共有，这种共有化的结果，使无限晶体中电子能量状态成为能带，而非分立的能级。因此，入射电子与固体的相互作用，也应该用固体的能带理论来讨论，可参阅有关参考书，此处不再讨论。 68另外，激发出来的X射线，在其穿透的路程中，又可以激发别的原子的二次电子和荧光X射线，反向散射电子也可激

36、发二次电子等等。然而，转变成这些信号的能量与入射电子的总能量相比是很小的，还不到其1，绝大部分入射的能量，在经过反复的散射之后，最终都转变成晶格的动能，也就是通常所说的热能。69图图37 量子产生深度和各种量子效应的空间分辨率量子产生深度和各种量子效应的空间分辨率70四四. .仪器的简单结构仪器的简单结构 如前所述，电子探针是利用电子所形成的探针（极细的电子微束，直径小于1）作为X射线的激发源，激发样品的特征X射线，进行微区域的X射线光谱分析的仪器。一台电子探针，最起码的应有一个形成电子探针的电子光学系统和分析X射线的X射线分光光谱仪，以及试样室，计数记录装置，扫描装置，光学显微镜以及其它专用

37、附件。1.电子光学系统：电子光学系统的作用是产生高能量、经过聚焦的电子探针。它由电子枪、会聚透镜及物镜所组成。71图38 扫描电镜电子和X射线光路图 722.试样室：试样室是放置分析试样和标准试样的地方。试样台能作X、Y、Z方向移动，能绕Z轴旋转，还能做一定程度的倾斜。另外背反射电子、二次电子、能量色散谱仪的Si（Li ）探头等也安装在这里。3.X射线分光光谱仪：包括若干块分光用晶体，准直狭缝，计数管以及传动机构，使X射线源、分光晶体和计数管三者都处于同一聚焦园上，使它们之间的关系能满足布喇格（Bragg ）衍射条件的要求。4.计数记录装置：这些都是电子记录放大装置，用以接受计数管的输出脉冲，

38、它们的连接如图所示：73图图39 计数记录系统框图计数记录系统框图计数管主放大器脉冲高度分析器前置放大器高压电源定标器计数率计记录仪745.扫描显示装置：在电子束通过的路程上安装一个扫描线圈，使扫描发生器发生的扫描信号，同时供给电子束的扫描线圈和显象管的扫描线圈，使两者做同步扫描，则以AI.BI.X 的强度控制CRT的衬度,可以在显象管上得到各种不同的图象。此外，电子探针还有真空系统，安全装置，高压电源，以及各种其它专用附件就不一一列举了。75五、仪器的特点五、仪器的特点 只要具有一定能量的电子打到样品上，前述各种信号都几乎是同时产生的。这些信号在样品的表面以上整个半球空间都存在。目前已发展了

39、各种探测器和相应的记录显示系统，能够有效地探测，鉴定这些信号。从而获得关于试样的成分，形貌，结晶学，化学键，电磁性能方面的信息。而且随着近代科学技术的发展，这些探测器的性能也趋完善，为我们提供了更多有用的信息。普通扫描电镜和电子探针主要利用样品在电子束下发射的特征X射线来鉴定元素和做成分分析。它的性能特点如下：(一) 分析区域小：电子束打到样品上的焦斑直径小于1（目前达100 ），考虑到电子与固体的相互作用，引起的的横向扩散，在作成分分析时，其激发体元略大于13。其它的分析方法都无法做到这一点。76图图40 入射电子的扩散入射电子的扩散77图图41 41 Al-FeAl-Fe薄膜样品能谱图薄膜

40、样品能谱图78图图42 42 Al-FeAl-Fe薄膜样品能谱图薄膜样品能谱图79（二）分析元素范围广：元素周期表上除氢、氦、锂三种元素外，其余的从Be 4至U 92，都能分析(我院仪器的测量范围从Na 11-U 92)。并且这种分析是在同一个试样同一位置上进行的，在分析过程中不破坏试样，也不改变元素存在的状态，这对一些特别稀少珍贵的样品来说，是很重要的，可以进行多次重复分析和多种信号的测量。（三）可以作定性定量化学分析：这是扫描电镜和电子探针最突出的特点，借助于同轴光学显微镜或扫描显示装置的帮助，可以方便地找到所要分析的区域，因此它是测定样品成分不均匀性的最有效工具。80 （四）用扫描电镜和

41、电子探针进行化学分析有三种方式，它不仅能定点分析，即测定13微区内样品所含元素的种类及其含量，也能沿某一选定的直线,测定元素沿该线的浓度分布曲线，还可以对样品表面进行扫描，观察某一元素在一定区域内的分布特征。 （五）电子探针的探测极限：一般为50PPM500PPM（0.005%-0.05% ）,最高的可达8PPM。这样的探测极限并不很高。例如质谱可达到十亿分之三（0.003PPb ）.但因为电子探针分析的区域极其微小，而在这微小区域中，只要有万分之一的某种元素，就可被探测出来，其绝对感量达到1014g，这是目前除离子探针外，任何其它分析仪都无法与之匹敌的。扫描电镜的能谱法探测极限：一般为0.1

42、%。81（六）关于测量误差，由于样品的组成不同，元素的含量也不同，加之有时存在形状、导电性等因素的影响，不能笼统地给出。因此GB/T 17359-1998电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则中规定：1.对于平坦的无水分、致密、稳定和导电良好的样品，定量分析总偏差小于3%（97%-103%）。2.对于不平坦的样品，可用三点分析的平均值表示，或在总量偏差小于5%的情况下，如确认没有遗漏元素时，允许使用归一化值作为定量分析结果。偏差大于5%的情况下，只能作半定量分析结果处理。3.主元素（20%wt）的允许的相对误差5% ； 3% wt含量20% wt的元素，允许的相对误差10% ； 1% wt含

43、量3% wt的元素，允许的相对误差30%； 0.5% wt含量3%wt的元素，允许的相对误差50% ；82任何事物都是一分为二 的，扫描电镜、电子探针除具有上述特点外，也必然具有它的局限性，决不是万能的，它不能代替其它分析方法。它的局限性表现在：（一）样品一定要具有良好的导电性。导电性差的非导体样品 ，由于在入射电子轰击点附近，吸收电子不能及时导走积累的大量带负电荷的电子，产生一负电场，使继续源源不断而来的电子束受到强烈的排斥作用，而在试样表面发生不稳定的跳跃，使正常的测试工作无法进行。对于导电性差的样品，必须在表面喷镀导电薄膜，常用的喷镀材料有C,Al,Ag,Au,Cr等，一般喷镀的厚度为1

44、00200。以增加其导电性。但喷镀的结果，使分析工作，尤其是定量校正增加了复杂性。83（二）对超轻元素（Z10）的定量分析比较困难。虽然目前的电子探针可以分析到Be4,但对Z10的元素，由于它们发射的X射线波长较长，吸收效应强，使探测灵敏度和分辨率降低，给精确的定量分析带来许多困难，对一般元素分析的准确度达到13，而对这些超轻元素则大于10。（三）作严格的定量分析一定要有标样，而有不少元素，在空气中并不能以稳定单质形式存在，只能采用其某种稳定的化合物作标样，而这些化合物（氧化物，硫化物等 ）往往又不导电，需要镀导电膜。所以标样的制备是电子探针分析中很重要的步骤，使定量分析增加了不少困难。84谢谢 谢谢!85