现代材料检测8章SEM

扫描电镜图象及其衬度
ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背 散射电子成分像，1000×
ZrO2-Al2O3-SiO2系 耐火材料的背散射 电子像。由于ZrO2 相平均原子序数远 高于Al2O3相和SiO2 相，所以图中白色
相为斜锆石，小的
白色粒状斜锆石与
灰色莫来石混合区
为莫来石－斜锆石
共析体，基体灰色
离子溅射镀膜优点是： （1）装置结构简单，使用方便，溅射一次只需几 分钟，而真空镀膜则要半个小时以上。 （2）消耗贵金属少，每次仅约几毫克。 （3）对同一种镀膜材料，离子溅射镀膜质量较好， 能形成颗粒更细、更致密➢ 粉体可以直接撒在样品座的双面碳导电胶上，用 平的表面物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球 吹去粘结不牢固的颗粒
探测X射线 信号并转换 为电信号
脉冲处理器
测量电子信号并 确定所接收到X 射线的能量
分析处理
显示并转换为 数据
（a）波长色散谱仪利用单晶对X射线的衍射来测量波长
众所周知，X射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性， 因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连 续的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长 的电磁波，不同元素就对应不同的特征X 射线波长。
扫描信号发生器
扫描放大控制器
扫描偏转线圈
信号探测放大系统 检测样品在入射电子作用 下产生的二次电子、背散 射电子等电子信号，然后 经视频放大作为显像系统 的调制信号，由闪烁体， 光导管和光电倍增器所组成。
图象显示和记录系统：显象管、照相机等 真空系统：真空系统是保证电子枪和试样室有较高的 真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿 命，并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa－ 0.001Pa，通常用机械泵－油扩散泵抽真空。 电源系统
4. 扫描电镜应用实例
➢ 断口形貌分析 ➢ 纳米材料形貌分析 ➢ 在微电子工业方面的应用
4.1 断口形貌分析
典型的功能陶瓷沿晶断口的二次电子像， 断裂均沿晶界发生，有晶粒拔出现象，晶粒 表面光滑，还可以看到明显的晶界相。
4.2纳米材料形貌分析
多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像 ZnO纳米线的二次电子图像
➢ 这种谱仪结构简单，但由于分 光晶体转动而使X射线出射方 向变化很大，在样品表面不平 度较大的情况下，由于X射线 在样品内行进的路线不同，往 往会造成分析上的误差。
回转式波谱仪
波谱仪模式
△ 直进式模式
如果样品照射点到晶体的距 离为L，则L=2Rsinθ,再由 Bragg 公式2dsinθ=nλ则 得
➢ 也可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合 后，进行粗磨、细磨及抛光方法制备
3.块状样品
➢ 对尺寸小的块状样品可以用环氧树脂等镶嵌后， 进行研磨和抛光。
➢ 较大的块状样品也可以直接研磨和抛光， 抛光以后必须把抛光粉等污染物用超声波清洗机
清洗干净 ➢ 对不导电的样品，最好在样品加工完毕后，立
即蒸镀金或者碳等导电膜，镀膜后应马上分析， 避免表面污染和导电膜脱落。一般形貌观察时， 蒸镀金导电膜，金导电膜导电性好，二次电子 发射率高，可以拍摄出质量好的图象
➢ 背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的 原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。
2、背散射电子像
背散射电子是由样品反射出来的入射电子，其主要特点是： ➢能量很高，有相当部分接近入射电子能量E0，在试样中产生 的范围大，像的分辨率低。 ➢背散射电子发射系数η随原子序数增大而增大（图2-75）。 ➢作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大 （图2-75）。
扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试 样为块状或粉末颗粒
由电子枪发射的能量为5～35keV的电子，以其交叉斑 作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能 量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈 驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。 聚焦电子束与试样相互作用，产生随试样表面形貌而变化 物理信号（二次电子、背散射电子或吸收电子等，二次电 子是最主要的成像信号），这些电子信号被探测器收集转 换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入 射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌 的特征电子图像。
1.镀膜
镀膜的方法有两种，一是真空镀膜，
另一种是离子溅射镀膜。
离子溅射镀膜的原理是：在低气 压系统中，气体分子在相隔一定 距离的阳极和阴极之间的强电场 作用下电离成正离子和电子，正 离子飞向阴极，电子飞向阳极， 二电极间形成辉光放电，在辉光 放电过程中，具有一定动量的正 离子撞击阴极，使阴极表面的原 子被逐出，称为溅射，如果阴极 表面为用来镀膜的材料（靶材）， 需要镀膜的样品放在作为阳极的 样品台上，则被正离子轰击而溅 射出来的靶材原子沉积在试样上， 形成一定厚度的镀膜层。
相为莫来石。
3.扫描电镜的主要特征
(1)放大倍数
K ＝ As Ac
荧光屏上的扫描振幅 电子束在样品上的扫描振幅
放大倍数与扫描面积的关系： (若荧光屏画面面积为10×10cm2)
放大倍数 10× 100×
1,000× 10,000× 100,000×
扫描面积 (1cm)2 (1mm)2
(100μm)2 (10μm)2 (1μm)2
3. 扫描电镜的工作内容
微区形貌观测 ➢ 二次电子像：微观形貌像--- 得到物质表面形貌
反差的信息。 ➢ 背散射电子像：组成分布像----可得到不同区域
内平均原子序数差别的信息。
3.1 二次电子像
二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关， δ∝1/cosθ。 θ角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对 样品表面状态非常敏感 因为随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体 积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多；其次随θ角的增 加，总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多。
3.1、二次电子像
二次电子是被入射电子轰出的试样原子的核外电子， 其主要特点是：
（l）能量小于50eV，主要反映试样表面10nm层 内的状态，成像分辨率高。
（2）二次电子发射系数与入射束的能量有关。随着 入射束能量增加，二次电子发射系数减小
二次电子发射系数
能量 元素
铝 金
10keV
0.40 0.70
(2)分辨率
分辨率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 。
影响分辨率的主要因素： △ 初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑 △ 入射电子在样品中的散射效应 △ 对比度 SEM是用电子束照射样品，电子束是一种De Broglie波， 具有波粒二相性，＝12.26/V0.5(伏) ，如果V＝20kV时， 则＝0.0085nm。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 。高分辨 率的电子束直径要小，分辨率与电子束直径近似相等。
d (分光晶体面间距)和R(罗兰圆半径)
晶体沿L直线运动时(L 改变)就可 以测出不同元素所产生的特征X 射线波长λ
不同波长的X射线要用不同晶面间距的晶体进行分光， 电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测范围见表
分光晶体及波长范围
表中STE[Pb(C18H35O2)2]为硬脂酸铅， TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊， PET(C5H12O4)为异戊四醇， LiF为氟化锂晶体。
从试样激发的X射线,选用已知晶面间距d的合适晶体 分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角2θ，就可 以求出其波长λ，根据以上原理制成的谱仪称为波长色散 谱仪(WDS)。波长和原子序数之间的关系符合莫塞莱定 律：
1 K(Z )
K和σ是常数
以R为半径的圆称为罗兰圆 Rowlend 圆，也称聚焦圆 (对X射线聚焦)。电子束入 射到样品S 表面时，会产生 反应样品成分的特征X 射 线，特征X 射线经晶体分 光聚焦后，被X 射线计数 管接收。
30keV
0.10 0.20
50keV
0.05 0.10
（3） 二次电子发射系数和试样表面倾角有如下关系： δ∝1/cosθ
二次电子像
（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图
3.2 背散射电子像
背散射电子既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。
1. 形貌衬度
➢ 用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。
粉体形貌观察
(a) 300×
(b) 6000×
α—Al203团聚体(a)和 团聚体内部的一次粒子结构形态(b)
4.3 在微电子工业方面的应用
（a）芯片导线的表面形貌图， （b）CCD相机的光电二极管剖面图。
SEM与TEM的主要区别
➢ ★在原理上 SEM不是用透射电子成像，而是用二次电子加
背景散射电子成像。 ➢ ★在仪器构造上
扫描电镜的主要结构 电子光学系统
获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度 和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑 直径
电子枪1.热发射电子枪：W丝阴极：20-50um；LaB6阴极： 20um
2.场发射电子枪：冷场致发射和热场致发射：10-20nm 聚光镜（第一、 第二聚光镜和物镜） 扫物描镜系光统阑
➢ 因为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外，背反射 电子能量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检 测器的样品表面，因检测器无法收集到背反射电子，而掩盖 了许多有用的细节。
2. 成分衬度 ➢ 背散射电子发射系数可表示为
ln z 1
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➢ 样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗 区。利用原子序数造成的衬度变化可以对各种合金进行定性 分析。
第八章 扫描电子显微分析
History of SEM
1935： 德国的Knoll卡诺尔提 出扫描电镜的设计思 想和工作原理。
1942： 剑桥大学的马伦首次 制成世界第一台扫描 电镜。
Features of SEM
广泛的放大倍率
1.扫描电子显微镜的构造
2．扫描电子显微镜 的工作原理
2．扫描电子显微镜的工作原理
光源、真空系统相似，检测系统完全不同。
本节重点
扫描电镜的工作原理 扫描电镜衬度像（ 二次电子像、背散射电子像）
SEM+(WDS+EDS)
2. X 射线谱仪
X射线谱仪的的作用是测量电子与试样相互作用产生的 X 射线波长和强度。 X射线谱仪分为二类:波长色散谱仪(WDS)
能量色散谱仪(EDS)
X-射线探测 器
这对断口的失效分析特别重要。
(5)样品制备简单
样品可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光 片，对不导电的样品如塑料、矿物只需蒸镀一层20nm的 导电膜。
通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层.
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。
X 射线分光原理
不同X射线入射到晶体上，就会产生衍射 根据Bragg公式：
用X射线波长色散谱仪(WDS)测量电子激 发样品所产生的特征X 射线波长的种类， 即可确定样品中所存在元素的种类，这就 是定性分析的基本原理
波谱仪模式
△ 回转式模式
➢ 聚焦圆的中心O固定，分光晶 体和检测器在圆周上以1：2 的角速度运动来满足布拉格衍 射条件。
两种图像的对比
锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像
扫描电镜图象及其衬度
背散射电子像分辨率低，因此 一般不用它来观察表面形貌， 而主要用来初步判断试样表面 不同原子序数成分的分布状况。 对有些既要进行形貌观察又要 进行成分分析的样品，将左右 两个检测器各自得到的电信号 进行电路上的信号相加，便能 得到反映样品原子序数的信息； 相减能得到形貌信息。
式中D为工作距离，a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。
一般情况下，SEM景深比TEM大10倍， 比光学显微镜（OM）大100倍。
(4)保真度好
样品通常不需要作任何处理即可以直接进 行观察，所以不会由于制样原因而产生假象。
光学显微镜分辨率 d0.5 ， 可见光波长范围为： ＝400nm-700nm ，所以d 200nm
(3)景深大
景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦
成像的一个能力范围。景深大的图像立体感强，对粗糙不平
的断口样品观察需要大景深的SEM。SEM的景深Δf可以用
如下公式表示：
Δf =
(0.2 d) D Ma