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1、SichuanUniversity电子显微分析电子显微分析1SichuanUniversity上周课总结：上周课总结：TEM典型图片典型图片2SichuanUniversity3v透射电镜成像系统的两种基本操作v(a)将衍射谱投影到荧光屏(b)将显微像投影到荧光屏SichuanUniversity4单晶衍射图单晶衍射图SichuanUniversity5SichuanUniversity6SichuanUniversity7SichuanUniversitySEM8SichuanUniversity9SichuanUniversity微束分析微束分析u微束分析微束分析(MicrobeamAna
2、lysis)：利用一束细电子束、离子束、光束或粒子束作用利用一束细电子束、离子束、光束或粒子束作用于试样产生的各种信息于试样产生的各种信息,进行进行成分、形貌、结构成分、形貌、结构及其他物理和化学特性及其他物理和化学特性的分析。的分析。束斑大小：微米纳米。束斑大小：微米纳米。主要功能：成分分析；结构分析；图像分析。主要功能：成分分析；结构分析；图像分析。主要指标：束班大小、分辨率、空间分辨率、主要指标：束班大小、分辨率、空间分辨率、灵敏度、准确度等。灵敏度、准确度等。定量分析：微束分析是物理方法，由于物理过程定量分析：微束分析是物理方法，由于物理过程的复杂性，成分定量基本都用标样比较法并进行的
3、复杂性，成分定量基本都用标样比较法并进行修正计算。修正计算。SichuanUniversity典型微束分析仪器典型微束分析仪器l1.电子束电子束:电子探针电子探针(EPMA)；扫描电镜扫描电镜(SEM)；分析电镜分析电镜(AEM)；俄歇电子谱；俄歇电子谱(AES)；电子能量损失；电子能量损失谱谱(EELS)。l2.离子微束离子微束:离子探针离子探针(IMMA)；二次离子质谱；二次离子质谱(SIMS).l3.光子束光子束:显微激光光谱显微激光光谱(LMCES),光电子谱光电子谱(ESCA,XPS).l4.粒子束粒子束:质子探针质子探针(PIXA)SichuanUniversityEPMA、SEM
4、概述概述l电子探针电子探针英文缩写为英文缩写为EPMA或或EMA(ElectronprobeX-raymicroanalyser)。l扫描电子显微境扫描电子显微境英文缩写为英文缩写为SEM（ScanningElectronMicroscope）。）。这两种仪器是分别发展起来的，但现在这两种仪器是分别发展起来的，但现在EPMA都具有都具有SEM的图像观察、分析功能，的图像观察、分析功能，SEM也具有也具有EPMA的成的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。特别是现代能谱仪，英文缩写为日趋相同。特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS
5、（EnergyDispersiveSpectrometer），或者），或者EDX（EnergyDispersiveX-raySpectrometer）与）与SEM组合时，可以进行综合分析。组合时，可以进行综合分析。SichuanUniversityEPMA、SEM区别区别lEPMA：成分分析，形貌观察成分分析，形貌观察。以成分分析为主。主要用以成分分析为主。主要用WDS进行元素成分分进行元素成分分析，出射角大、有析，出射角大、有OM，电流大，有较成熟的，电流大，有较成熟的定量方法，所以定量结果准确度高。定量方法，所以定量结果准确度高。真空腔体大，成分分析束流大，所以电子光路、真空腔体大，成分分
6、析束流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，光阑等易污染，图像质量下降速度快，EPMA二二次电子像分辨率约为次电子像分辨率约为5nm。lSEM：形貌观察，成分分析。形貌观察，成分分析。图像分辨率高图像分辨率高FESEM:1纳米，纳米，W灯丝：灯丝：3纳米纳米lEPMA比比SEM价格贵价格贵23倍。倍。SichuanUniversity发展历史发展历史l1913年：年：MOSELY定律定律定性分析定性分析的基础是的基础是Moseley关系式关系式:K(Z)（C/）式中式中为元素的特征为元素的特征X射线频率，射线频率，Z为原子序为原子序数，数，K与与均为常数，均为常数，C为光速为光速
7、。l1949年：年：Castaing博士用博士用TEM改装成改装成电子探针电子探针l1956年：法国年：法国CAMECA公司制成商品公司制成商品l1960年：扫描型电子探针问世年：扫描型电子探针问世l1965年：年：SEM问世问世SichuanUniversity发展历史发展历史l70年代后：年代后：EPMA与与SEM、EDS组合，并用计算组合，并用计算机控制机控制分析过程和进行数据处理。分析过程和进行数据处理。l80年代：我国进口组合仪：年代：我国进口组合仪：JCXA-733，EPM-810Q，EPMA8705QH2。EDS发展迅速发展迅速。l90年代年代:EPMA谱仪、试样台移动用滚动代替
8、滑动，谱仪、试样台移动用滚动代替滑动，编码定位，鼠标控制分析部位。模拟图像发展到数编码定位，鼠标控制分析部位。模拟图像发展到数字图像，可进行图像分析及图像处理，照片打印。字图像，可进行图像分析及图像处理，照片打印。日本电子公司的日本电子公司的JXA8800、JXA8100电子探电子探针，日本岛津公司的针，日本岛津公司的EPMA1600电子探针等，均电子探针等，均属于这类仪器。新型号的属于这类仪器。新型号的EPMA和和SEM的控制面板，的控制面板，已经没有眼花缭乱的各种调节旋钮，完全由屏幕显已经没有眼花缭乱的各种调节旋钮，完全由屏幕显示，用鼠标进行调节和控制。示，用鼠标进行调节和控制。Sichu
9、anUniversity今后发展今后发展l向向更更自自动动化化、操操作作更更方方便便、更更容容易易、更更微微区区、更更微微量量、功功能能更更多多的的方方向向发发展展。定定量量结结果果的的准准确确度度会会得得到到提提高高，特特别别是是对对超超轻轻元元素素(Z10)的的定定量量分分析析方方法法将将会会逐逐步步完完善善。近近年年来来已已经经有有人人对对X射射线线产产生生的的深深度度分分布布函函数数(Z)进进行行了了深深入入研研究究，并并作作了了一一些些修修正正，在在(Z)表表达达式式中中引引进进了了新新的的参参数数，使使(Z)函函数数更更接接近近于于实实际际的的深深度度分分布布，这这种种称称为为PR
10、Z的的定定量量修修正正方方法法已已经经取取得得了了较较好好的的结结果果。对对超超轻轻元元素素，已已经经有有人人提提出出了了新新的的修修正正函函数数及及新新的的质质量量吸吸收收系系数数，近近来来英英国国牛牛津津公公司司的的INCAEnergy能能谱谱仪仪采采用用XPP定量分析程序，提高了分析结果的准确度。定量分析程序，提高了分析结果的准确度。SichuanUniversityEPMA、SEM发展现状发展现状lSEM商商品品65年年问问世世,分分辨辨率率约约为为25nm,现现在在分分辨辨率率1nm3nm.日日本本2000年年统统计计,SEM生生产产1600台台/年年.世界世界SEM厂家近十家。国内
11、厂家近十家。国内96年约年约1200台台lEPMA1960年年问问世世。我我国国从从六六十十年年代代初初开开始始陆陆续续引引进进，70年年代代开开始始进进口口EPMA和和SEM组组合合仪仪，现现有有100多多台台，日日本本超超过过1500台台。世世界界上上生生产产EPMA的的厂厂家家主主要要有有三三家家：日日本本电电子子公公司司、日日本本岛岛津津公公司司和和法国的法国的CAMECA公司。公司。l1977我国曾试制过我国曾试制过EPMA；现只生产；现只生产SEM。SichuanUniversityEPMA分析特点分析特点l微区（微区（1 m5 m）、显微结构分析、显微结构分析l元素分析范围广元素
12、分析范围广：硼：硼(B)铀铀(）l定量准确度高定量准确度高l检测极限检测极限:WDS:0.01%左右左右;EDS:0.1%左右左右l不损坏试样、分析速度快不损坏试样、分析速度快l微区离子迁移动力学研究微区离子迁移动力学研究SichuanUniversity显微结构显微结构l在在显显微微镜镜(OM、SEM、TEM等等)下下观观察察到到的的结结构构称称显微结构显微结构。EPMA是显微结构分析的主要仪器之一。是显微结构分析的主要仪器之一。l显显微微结结构构记记录录了了材材料料工工艺艺全全过过程程；是是性性能能表表征征及及材材料评价的依据；料评价的依据；l显显微微结结构构所所研研究究的的内内容容十十分
13、分广广泛泛，包包括括相相组组成成、相相分分布布、晶晶粒粒大大小小和和形形态态、杂杂质质及及缺缺陷陷的的特特征征与与分分布布、晶界与相界、断裂特征及断裂方式等。晶界与相界、断裂特征及断裂方式等。SichuanUniversity扫描电子显微镜扫描电子显微镜lSEM商品是1965年问世，当时分辨率约为25nm。我国1973年开始研制，现已生产出多种型号的SEM。国产机的分辨率和可靠性等方面与进口机器相比，还有一定的差距，现在SEM主要靠进口。据国际标准化组织微束分析技术委员会(ISO/TC 202)2000年调查表明，日本每年生产SEM约1600台，国内各种SEM超过1200台。近两年国内买JEO
14、L低真SEM 84台。SichuanUniversitySEM的主要特点的主要特点一一.放大倍率高放大倍率高:可从几十倍放大到几十万倍，连续可调。可从几十倍放大到几十万倍，连续可调。放大放大倍倍 率率 不不 是是 越越 高高 越越 好好 ， 要要 根根 据据 有有 效效 放放 大大 倍倍 率率 和和 分分析析 试试 样样 的的 需需 要要 进进 行行 选选 择择 。 如如 果果 放放 大大 倍倍 率率 为为M，人人 眼眼 分分 辨辨 率率 约约 为为0.2mm， 仪仪 器器 分分 辨辨 率率 为为5nm，则则有有效效放放大大率率M0.2 106nm 5nm=40000（倍倍）如如果果选选择择高
15、高于于40000倍倍的的放放大大倍倍率率，不不会会增增加加图图像像 细细 节节 ， 只只 是是 虚虚 放放 大大 。 放放 大大 倍倍 率率 是是 由由 分分 辨辨 率率 制制约约 ， 不不 能能 盲盲 目目 看看 仪仪 器器 放放 大大 倍倍 率率 指指 标标 。SichuanUniversity二二.分辨率高分辨率高分辨率是指能分辨的两点之间的最小距离。分 辨 率 d可 以 用 贝 克 公 式 表 示 ：d=0.61/nsin ，为透镜孔径半角，为照明试样的光波长，n为透镜与试样间介质折射率。举例：对光学显微镜 7075，n=1.4。 nsin1.4，而可见光波长：400nm-700nm
16、，所以光学显微镜分辨率 d0.5 ，显然 d 200nm。SichuanUniversity正确认识分辨率正确认识分辨率l仪器的分辨率指标不是日常工作能实现的，只是仪器验收指标。拍摄分辨率照片是用碳镀金的特殊试样，拍照时规定一些特殊条件，如放大倍率、电子束电流、加速电压、工作距离等。有时要晚上没有任何振动和干扰情况下进行多次拍照，寻找最好的图像测量分辨率。日常工作无法满足上述的特殊要求。SichuanUniversity三三.电子束波长可调电子束波长可调l要提高分辨率可以减小照明波长来实现。lSEM是用电子束照射试样，电子束是具有波粒二相性，12.26/V0.5，如果V20kV时，则0.008
17、5nm。目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm-6nm, 场发射源SEM分辨率可达到1nm 。SichuanUniversity四四.景深大景深大景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口试样观察需要大景深。SEM的景深f可以用如下公式表示： f =式中D为工作距离，为物镜光阑孔径，M为 放大倍率，d为电子束直径。可以看出，长工作距离、小物镜光阑、低放大倍率能得到大景深图像。SichuanUniversity景深比较景深比较l一般情况下，一般情况下，SEM景深比景深比TEM大大10倍，比光倍，比光学显微镜（学显微镜（OM）大）大100倍。倍。l10000倍时倍时,TEM的的f1 m，SEM的的f
18、10 m；l100倍时，倍时，OM的的f10 m，SEM的的f=1000 m。SichuanUniversity五五.保真度保真度l试样通常不需要作任何处理即可以直接进行形貌观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析及贵重试样的分析特别重要。SichuanUniversity六六.试样制备简单试样制备简单l试样可以是自然面、断口、块状、粉体、 反光及透光光片，对不导电的试样只需 蒸镀一层10nm左右的导电膜。l另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。SichuanUniversity仪器构造仪器构造lSE
19、M的构造与EPMA基本相同，但SEM一般都没有WDS，成分分析主要用EDS。主要组成部分：电子光学系统、试样室、计算机、扫描显示系统、真空系统、探测器（EDS,SE,BSE)等。l高分辨率图像要小电子束直径，小束流（1091012A）。SEM的电子枪有不同的结构：钨灯丝（W）、LaB6及场发射电子源。不同电子枪分辨率不同。SichuanUniversity扫描电镜的成像原理扫描电镜的成像原理lSEM主要用SEI观察形貌。成像过程：首先由电子枪发射电子，在加速电压的作用下，通过会聚透镜、物镜、物镜光栏后，形成直径约几nm的电子束。当电子通过扫描线圈在试样表面扫描时,另一个扫描线圈同步扫描观察图像
20、的CRT，用SEI探测器收集试样每点的二次电子信号，去同步调制CRT对应点的亮度。故CRT观察的图像与试样扫描部位逐点对应。SichuanUniversity31SichuanUniversity扫描电镜成像原理中的几个名词解释扫描电镜成像原理中的几个名词解释32SichuanUniversity33lCRT是一种使用阴极射线管是一种使用阴极射线管(CathodeRayTube)的显示器的显示器SichuanUniversityl扫描线圈 其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。扫描线圈试扫
21、描点晶的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。34SichuanUniversityl二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。 二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子
22、的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。35SichuanUniversity扫扫描描电电镜镜分分析析原原理理SichuanUniversitySE发射强度与入射角的关系发射强度与入射角的关系lSE的发射量与试样表面的几何状态有关，入的发射量与试样表面的几何状态有关，入射电子束与试样表面法线的夹角越大，二次射电子束与试样表面法线的夹角越大，二次电子的发射强度越高：电子的发射强度越高：IK/cosSichuanUniversityl二二次次电电子子能能量量低低，从从试试样样表表面面逸逸出出的的深深度度为为5nm10nm。如
23、如果果产产生生二二次次电电子子的的深深度度为为x，逸逸出出表表面面的的最最短短距距离离则则为为xcos（图图c c），显显然然，大大角角会会有有更更多多的的二二次次电电子子逸逸出出表表面面。观观察察比比较较平平坦坦的的试试样样表表面面时时，如如果果倾倾斜斜一一定定的的角角度度，会会得得到更好的二次电子图像衬度。到更好的二次电子图像衬度。SichuanUniversitylSE的产额的产额（SESE电流电流I Is s与入射电子电流与入射电子电流I I之比）之比）还与入射电子束的能量有关，即还与入射电子束的能量有关，即和加速电压有关和加速电压有关。不同加速电压和不同。不同加速电压和不同入射角的二
24、次电子产额入射角的二次电子产额不同。当能量不同。当能量等于某电压（等于某电压（V V1 1或或V V2 2）时，）时，SE产额产额等等于于1 1，即入射电子电流，即入射电子电流I Ip p等于发射的二次等于发射的二次电子电流电子电流I Is s。能量在。能量在V V1 1和和V V2 2之间，之间，二次电二次电子产额子产额大于大于1 1。如果加速电压在如果加速电压在V V1 1和和V V2 2之间观察不导电试样，也不会产生试样之间观察不导电试样，也不会产生试样放电现象。放电现象。SichuanUniversity入射电子能量与入射电子能量与SE产额的关系产额的关系SichuanUniversi
25、tySE产额与加速电压的关系产额与加速电压的关系l入入射射电电子子的的能能量量增增加加，激激发发试试样样中中原原子子产产生生的的SE概概率率也也增增加加。然然而而，当当入入射射电电子子能能量量超超过过一一定定值值时时，电电子子在在试试样样中中穿穿透透的的深深度度增增加加，深深层层电电子子要要逸逸出出试试样样表表面面需需要要较较高高能能量量。由由于于SE能能量量小小于于50eV，大大于于10nm的的深深度度内内产产生生的的二二次次电电子子不不能能逸逸出出试试样样表表面面，所所以以SE产产额额反而减少。反而减少。SichuanUniversitylV V1 1和和V V2 2的大小与试样中元素组成
26、及电子束的大小与试样中元素组成及电子束入射角有关，入射角有关，V V1 1约为约为0.4keV0.4keV0.8 keV0.8 keV，V V2 2约为约为1 keV1 keV4 keV4 keV。各元素的。各元素的二次电子二次电子产额产额与入射电子能量关系曲线形状基与入射电子能量关系曲线形状基本相同本相同SichuanUniversity典型元素入射电子能量与典型元素入射电子能量与SE产额的关系产额的关系SichuanUniversity高加速电压下高加速电压下SE产额低产额低SichuanUniversity背散射电子特点背散射电子特点l背散射电子是指入射电子与试样相互作用(弹性和非弹性散
27、射)之后，再次逸出试样表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量(E。)。背散射电子的产额随试样的原子序数增大而增加，IZ2/3-3/4。所以，背散射电子信号的强度与试样的化学组成有关，即与组成试样的各元素平均原子序数有关。l分辨率不如SEI背散射电子与二次电子的差别SichuanUniversityBE、SE的信号强度与的信号强度与Z的关系的关系SichuanUniversity背散射电子成分像的主要用途：背散射电子成分像的主要用途：1、观察单晶表面生长条纹和生长台阶。、观察单晶表面生长条纹和生长台阶。2、观察不腐蚀样品的抛光面元素及相分、观察不腐蚀样品的抛光面元素及相分布布,确定定性和定量分
28、析点。确定定性和定量分析点。3、析出相的观察与分析。、析出相的观察与分析。4、导电性差的试样形貌观察：、导电性差的试样形貌观察：BEI优于优于SEI。SichuanUniversity生长台阶的生长台阶的BEI和和SEIl背背散散射射电电子子的的强强度度还还与与试试样样中中的的晶晶面面取取向向及及入入射射电电子子的的入入射射方方向向有有关关。利利用用这这种种特特性性可可以以观观察察单单晶晶和和大大晶晶体体颗颗粒粒的的生生长长台台阶阶和和生生长长条条纹纹。生生长长台台阶阶和和生生长长条条纹纹的的高高差差一一般般都都很很小小，但但背背射射电电子子像像已已有有明明显显衬衬度度。例例如如单单晶晶Al2
29、O3生生长长台台阶阶的的背背散散射射电电子子像像表表面面清清楚楚。如如果果用用二二次次电电子子像像观观察察这这类类易易产产生生污污染染的的材材料料，不不但但台台阶阶衬衬度度小小，而而且且图图像像出出现现许许多多黑黑色污染斑。色污染斑。SichuanUniversity生长台阶的生长台阶的BEIAl2O3SichuanUniversityAl2O3生长台阶生长台阶SEI及污斑及污斑SichuanUniversityZrO2背散射电子成分像背散射电子成分像SichuanUniversityAlX射线像射线像MgX射线像射线像SichuanUniversity场发射场发射SEM及低真空及低真空SEM
30、l场发射扫描电镜的分辨率已达到1nm，日常使用的放大倍率可超过100，000倍。l低真空扫描电镜和环境扫描电镜也逐渐扩大了应用。由于半导体工业的发展及纳米材料研究的兴起，场发射扫描电镜的用户也在增加。JEOL1999年底推出的JSM6700F场发射扫描电镜，据说第一年就卖出150多台，国内已有6台。现在国内有JEOL的场发射扫描电镜16台。SichuanUniversityJSM7500F场发射扫描电镜场发射扫描电镜四川大学分析测试中心四川大学分析测试中心FESEMSichuanUniversity主要性能指标主要性能指标: 加速电压：0.1kV-30kV；分辨率:1.0nm(15kV),1.
31、4nm(1kV)；放大倍数:x25-x800,000；55仪器使用范围仪器使用范围:广泛应用于复合材料、陶瓷材料、金属材料、高分子材料、生物材料、电子材料、薄膜材料等微观形貌分析及其成份分析。是研究各种材料的超显微结构与性能关系所不可缺少的工具。SichuanUniversity56l仪器功能和附件仪器功能和附件:该电镜是一款超高分辨率的场发射扫描电镜，设备完全数字化，多用户界面、控制板面、各个功能模式切换灵活。本中心为该仪器配备了可抽拉式背散射电子探头、EDS等附件，可以获得二次电子像、背散射电子像以及两者的混合像，能够结合形貌像进行点、线、面的微区能谱分析。本中心的扫描电子显微镜实验室还配
32、备了相关的制样设备，如英国Quorum离子溅射仪、临界点干燥仪等，可以对不导电样品进行喷金、喷碳处理，对含水样品（如生物样品）进行干燥处理。该仪器可用于微观形貌分析,包含表面形貌分析，断口形貌分析，相结构分析，粉末样品粒径分析，镀层厚度分析，剖析样品分析等。l SichuanUniversity场发射扫描电镜场发射扫描电镜l当金属、氧化物、硼化物等加热到高温时，能发射热电子。另外，当金属、氧化物、硼化物有细的尖端时，尖端表面在强的电场作用下也能发射电子。用强电场使上述材料发射电子的原理，可以制造高亮度的TEM或SEM的电子枪，称场发射电子枪。九十年代SEM开始采用场发射电子枪，称这种SEM为场
33、发射扫描电镜（Field Emission Scanning Electron Microscope: FESEM)SichuanUniversity冷场发射和热场发射冷场发射和热场发射l场发射SEM分冷场发射和热场（肖特基）发射。冷场发射是阴极温度在室温，热场发射阴极要加热到约1500。热场W阴极单晶尖端为取向，表面有一层氧化锆，以降低电子发射的功函数。冷场发射的W单晶是取向，取向的逸出功最小（4.2eV）。SichuanUniversity场发射电子枪场发射电子枪lFESEM是利用一个W单晶作电子枪发射体，称电子枪阴极，其曲率半径为10nm-100nm左右，在靠近W单晶的尖端用强电场使阴极
34、尖端发射电子。电子的发射量依赖于阴极表面的功函数。当冷场FESEM电子枪的气体分子在阴极表面吸附时，由于功函数的变化，电子发射量逐渐减小。SichuanUniversityFlash(冷场）冷场）l在强电场作用下，大量电离的气体离子轰击在强电场作用下，大量电离的气体离子轰击阴极表面使其变得粗糙，最终导致阴极的损阴极表面使其变得粗糙，最终导致阴极的损坏。为了清洁和光滑粗糙的阴极表面，需要坏。为了清洁和光滑粗糙的阴极表面，需要周期性短时间加热阴极表面来实现，该过程周期性短时间加热阴极表面来实现，该过程称称“flash”。计算机程序可以定期自动。计算机程序可以定期自动“flash”。SichuanU
35、niversity场发射电子枪的结构场发射电子枪的结构SichuanUniversityl场发射电子枪可以获得高分辨率图像，但需场发射电子枪可以获得高分辨率图像，但需要超高真空度要超高真空度。电子枪的。电子枪的W阴极为负电位，阴极为负电位，第一阳极也称取出电极，比阴极正几千伏，第一阳极也称取出电极，比阴极正几千伏，以吸引电子，第二阳极为零电位，以加速电以吸引电子，第二阳极为零电位，以加速电子并形成约子并形成约10nm的电子源直径。的电子源直径。SichuanUniversityFESEMFESEM分辨率高的分辨率高的主要原因主要原因l电子源（灯丝）亮度高。l电磁透镜的像差(CS，CC)小。SE
36、M的分辨率，与入射到试样上的电子束直径密切相关，电子束直径越小，分辨率越高。最小的电子束直径D由如下所示：D2CS26+CC22（V/VACC）2+0.4*I/B2式中CS为球差，CC为色差，V/VACC为电子的能量 扩展，I是电子束电流，B是电子光源亮度，是聚 焦的电子束张角。SichuanUniversity球差球差CS与与色差色差C CC Cl球差球差CS:电子在电磁透镜磁场中，近光轴电子与远光轴电子受到的折射程度不同而引起。可以通过透镜设计减小。l色差色差C CC C： 由于电子能量不同，经过电磁透镜后焦点 发生变化产生。SichuanUniversity强励磁锥形电磁透镜强励磁锥形电
37、磁透镜JEOL公司用强励磁锥形电磁透镜，特别是物镜，可以明显减小像差，提高分辨率。一般情况下，物镜励磁越强，焦距越短，球差CS越小。SichuanUniversityW灯丝电子枪灯丝电子枪l一般SEM用的电子源为W丝，W灯丝发射电子效率较低，要达到实用的电流密度，要用较大的W丝发射面积，一般W灯丝电子源直径（交叉点）为1000nm2000nm，这样大的W灯丝电子源直径，很难提高分辨率。要保证有足够的电流强度，又保证有较小电子束直径，可以采用高亮度电子枪来解决。用LaB6灯丝和场发射电子源能提高电子枪亮度。SichuanUniversitylLaB6灯丝亮度比W丝提高十倍，而场发射电子枪可提高三
38、个数量级（5001000倍）。由于冷场发射的电子源亮度、灯丝寿命、电子束直径、发射电流密度、能量扩展均优于热场发射，分辨率略高于热场发射SEM。热场发射的SEM优点是发射电流大，工作电流稳定，可以连续工作，一般半导体工厂在线检测都用热场发射SEM。SichuanUniversityl冷场发射SEM电流稳定度较差(约8h要frash一次)、束流较小，并且束流随时间逐渐减小，如果没有电流补偿，对EDS元素定量分析准确度和长时间采集X射线面分布等信息时，有一定的影响。近来冷场发射SEM性能已经得到改善，已经可以满足EDS定性、定量分析的要求。冷场发射SEM在高校和科研单位应用较多。SichuanUn
39、iversityFESEM的主要特点的主要特点lFESEM的主要特点是分辨率高，并可在低加速电压下观察不导电试样，例如陶瓷、生物及有机物等试样。不同工作距离（W.D）、不同加速电压时，分辨率也不同。例如，日本电子公司的JSM6700F冷场发射扫描电镜 ， 在 加 速 电 压 15kV,工 作 距 离（W.D）3mm时，二次电子像分辨率为1nm。SichuanUniversitySEI分辨率分辨率1纳米照片纳米照片300000SichuanUniversityl在1kV低加速电压下，工作距离1.5mm时，二次电子像分辨率为2.2nm。对EDS分析的工作距离(W.D=15mm)，加速电压30kV时
40、，二次电子像分辨率可达到1.5mm。加速电压15kV,工作距离8mm时，背散射电子像分辨率为3nm，而目前最好的W丝SEM二次电子像分辨率约为3nm（30kV）。SichuanUniversityFESEM的应用的应用l由于纳米材料研究的兴起，以及对材料显微结构研究的深入，FESEM的应用范围越来越广。现在纳米材料（陶瓷、金属及有机物）、纳米粉体、介孔材料、纳米涂层、碳纳米管、薄膜材料、半导体芯片线宽测量等领域已得到了广泛应用。即使一般材料研究，要得到更多显微结构信息的高分辨率照片，也需要场发射SEM。SichuanUniversityFESEM真空度要求真空度要求lFESEM的电子枪真空度要
41、求高（的电子枪真空度要求高（108Pa）。JSM-6700F场发射SEM有三台离子泵，两台油扩散泵和一台机械泵抽真空。离子泵需连续运转，不能停电，为了防止停电破坏真空度，一般配有不间断电源(UPS)。场发射SEM易受环境振动和杂散磁场干扰的影响。SichuanUniversity低真空扫描电镜低真空扫描电镜l低真空SEM（LowVacuumSEM:LVSEM）真空度通常大于1330Pa。它可以直接观察含水和非导电试样。例如含水矿物，生物材料等。低真空的试样室的残余气体分子，在与入射电子碰撞时，部分电子会被散射掉。例如，当试样室真空度在40Pa66Pa时，约有1020的电子被散射掉。Sichua
42、nUniversity环境扫描电镜环境扫描电镜l电子与气体分子碰撞时，会产生正离子和电子，正离子被试样表面吸引并中和试样表面积累的电荷，电子飞向探测器。试样室真空度大于2660Pa的SEM. 称环境扫描电镜（EnvironmentalSEM:ESEM）,通常通气体或者喷水来保持低真空度，环境SEM更适合于观察不稳定试样和含水试样。SichuanUniversitySEM条件与图像质量的关系条件与图像质量的关系l要得到质量好的SEM图像，不但要保证仪器稳定、电子光学系统合轴良好，还要选择合适的工作条件。例如，加速电压、聚光镜励磁电流、物镜光阑孔径、工作距离、及试样倾斜角度等。SichuanUni
43、versity扫扫描描电电镜镜操操作作条条件件与与图图像像质质量量关关系系SichuanUniversity高加速电压对图像影响高加速电压对图像影响加速电压升高：加速电压升高：l图像包括较深层信息l损失图像表面细节，5kV比25kV表面细节明显清楚。l增加边缘效应l增加放电可能性l可能损伤试样l提高分辨率SichuanUniversity观察条件观察条件l聚光镜聚光镜励磁电流强，电子束直径小，图像分辨率高，但信噪比低，不利于图像清晰和平滑，要选择适当的励磁电流；l物镜光阑物镜光阑孔径小，束流小，分辨率高，景深大，信噪比小，在低倍率下观察粗糙表面时，可选用小物镜光阑，对衬度低的试样用大物镜光阑可
44、以增强信噪比；SichuanUniversityl短工工作作距距离离能获得高分辨率，但景深变小，拍摄高分辨率图像要用短工作距离；l试样倾倾斜斜角角大，图像信号强，有立体感，可以减少导电性差的试样表面放电现象。l总之，要得到高质量的图像，需综合各种因素选择合适的工作条件，放大倍率要根据试样情况选择，不能片面追求高放大倍率。SichuanUniversity污染污染l电子束长时间照射某一区域时，照射区域会发黑，称表面污染。由残余气体分解产生。气体是仪器本身残余气体、油蒸汽；试样交换时带入；试样表面污染、放气；导电胶或者导电胶带放出；电子束照射嵌镶试样的环氧树脂产生分解物。SichuanUniver
45、sity黑色污染区黑色污染区SichuanUniversity图像对比度、亮度SichuanUniversityX射线谱仪射线谱仪lX射射线线谱谱仪仪的的性性能能，直直接接影影响响到到元元素素分分析析的的灵灵敏敏度度和和分分辨辨本本领领，它它的的作作用用是是测测量量电电子子与与试试样样相相互互作作用用产产生生的的X射射线线波波长长和和强强度度。谱谱仪仪分分为为二二类类:一一类类是是波波谱谱仪仪(WDS)，一一类类是是能能谱仪谱仪(EDS)。SichuanUniversity85X射线能谱仪（射线能谱仪（EDS)SichuanUniversityEDS生产厂生产厂l英国牛津公司英国牛津公司l美国
46、美国NORAN公司公司l美国美国PGTlEDAXl日本电子公司日本电子公司l美国美国KEVEXEDS生产厂家SichuanUniversity分析的基本原理分析的基本原理lSEM是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。它们是现代固体材料微区成份、形貌和结构分析的最有用仪器之一，应用十分广泛。SichuanUniversity特征特征X射线产生射线产生l高高能能电电子子入入射射到到试试样样时时，试试样样中中元元素素的的原原子子内内
47、壳壳层层(如如K、L壳壳层层)电电子子将将被被激激发发到到较较高高能能量量的的外外壳壳层层，如如L或或M层层，或或直直接接将将内内壳壳层层电电子子激激发发到到原原子子外外，使使该该原原子子系系统统的的能能量量升升高高激激发发态态，原原子子较较外外层层电电子子将将迅迅速速跃跃迁迁到到有有空空位位的的内内壳壳层层，以以填填补补空空位位降降低低原原子子系系统统的的总总能能量量，并并以以特特征征X射射线线或或Auger电电子子的的方方式式释释放放出出多多余余的的能能量量。如如果果原原子子的的K层层电电子子被被激激发发，L3层层电电子子向向K层层跃跃迁迁，所所产产生生的的特特征征X射射线线称称K1，M层
48、电子向层电子向K层跃迁产生的层跃迁产生的X射线称射线称K。SichuanUniversity特征X射线能级图SichuanUniversityX射射线线产产生生原原理理2n2SichuanUniversity元素与特征元素与特征X射线波长关系射线波长关系l电子探针和扫描电镜用WDS或EDS的定性和定量分析时，就是利用电子束轰击试样所产生的特征X射线。每一个元素都有一个特征X射线波长与之对应：K(Z)。电子束加速电压V0（23）Ve时，产生的特征X射线强度最高，根据所分析的元素不同，V0通常用10kV30kV。特征X射线名称对应于不同壳层电子的跃迁。SichuanUniversity定性分析的基
49、本原理定性分析的基本原理l用用波波谱谱或或能能谱谱，测测量量入入射射电电子子与与试试样样相相互互作作用用产产生生的的特特征征X射射线线波波长长与与强强度度，从从而而对对试试样中元素进行定性、定量分析。样中元素进行定性、定量分析。l定性分析的基础是定性分析的基础是Moseley关系式关系式:K(Z)（C/）式中式中为元素的特征为元素的特征X射线频率，射线频率，Z为原子序为原子序数，数，K与与均为常数，均为常数，C为光速。为光速。SichuanUniversity组成试样的元素(对应的原子序数Z)与它产生的特征X射线波长()有单值关系，即每一种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对应，它不随入射
50、电子的能量而变化。如果用X射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X射线波长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类。当1时，与Z的关系式可写成:（)SichuanUniversityEDS定性分析原理定性分析原理l能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X射线能量不同，即Eh，h为普朗克常数，为特征X射频率，通过EDS检测试样中不同能量的特征X射线光子，即可进行元素的定性分析。EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用WDS和EDS联合分析，这样往往可以得到满意的结果。SichuanUniver
51、sity定量分析定量分析的基本原理的基本原理样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线的强度IA(X射线计数)成正比:CAIA，如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中A元素的同名X射线(如K线)强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的相对百分含量CA:CAKSichuanUniversity96实践中的定性和定量实践中的定性和定量分析分析SichuanUniversitySichuanUniversityl曲线纵坐标是脉冲数，即入射曲线纵坐标是脉冲数，即入射X射线光子数，射线光子数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度
52、，与元素种类有关，这样就可以测出与元素种类有关，这样就可以测出X射线光射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称类和含量，这种谱仪称能谱仪能谱仪(EDS，EDX)。SichuanUniversityEDS的发展的发展lEDS70年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达到130eV左右，理论分辨率约100eV。Be窗口分析元素范围为11Na92U，现在用有机膜超薄窗口，分析元素可从4Be92U。元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元素定量准确度已接近波谱仪。图像处理和图像分析功能发展很快。硬件可靠，探测器的性能也有提高，
53、用时加液氮。探测器有电制冷方法。SichuanUniversity能谱的优点能谱的优点l能谱优点：能谱优点：1.同时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以分析速度远比波谱快。2.能谱探头紧靠试样，使X射线收集效率提高，这有利于试样表面光洁度不好及粉体试样的元素定性、定量分析。3.能谱所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子导体试样等损伤小。SichuanUniversityEDS缺点缺点l能谱缺点能谱缺点：分辨率差分辨率差P/B小小(特征X射线的强度与背底强度之比称为峰背比P/B，在进行高精度分析时，希望峰背比P/B高)谱峰重叠严重谱峰重叠严重定量分析结果一般不如波谱定量分析结果一般不如波谱液氮冷却液氮冷却SichuanUniversity能谱和波谱性能比较能谱和波谱性能比较比较内容比较内容WDSEDS元素分析范围元素分析范围4Be92U4Be92U定量分析速度定量分析速度 慢慢 快快分辨率高分辨率高（5eV5eV）低低检测极限检测极限10-2(%)10-1(%)定量分析准确度定量分析准确度高高 低低X射线收集效率射线收集效率低低 高高P/B（WDS/EDS）101
