扫描电镜sem和EDS【完整版文档】

一、能谱仪
能谱仪全称为能量分散谱仪(Energy Dispersive X-ray Spectrometer ， EDS, EDX)配备X射线能谱仪EDS后发展成分析扫描电镜，不仅比X射线波 谱仪WDS分析速度快、灵敏度高、也可进行定性和无标样定量分析。 • EDS发展十分迅速，已成为仪器的一个重要组成部分，甚至与其融为一体。 • EDS也存在不足之处，如能量分辨率低，一般为129—155 eV, 以及 Li (Si) 晶体需在低温下使用(液氮冷却)等。X射线波谱仪分辨率则高得多，通常 为5—10 eV，且可在室温下工作。最近发展起来的高纯锗Ge探测器，不 仅提高了分辨率，而且扩大了探测的能量范围(从25 keV扩展到100 keV)， 特别适用于透射电镜。
• SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二 次电子、吸收电子、俄歇电子等。
1．二次电子像衬度及特点
二次电子信号主要来自样品表层5~10 nm深度范围，能量<50 eV
二次电子成像的衬度主要是样品表面形貌的反映
二次电子像的衬度可以分为以下几类：
(1)形貌衬度 (2)成分衬度 (3)电压衬度 (4)磁衬度(第一类)
• 基于STM的基本原理，随后又发展起来一系列扫描探针显微镜（SPM）。如：扫描力显微镜（SFM）、弹 道电子发射显微镜（BEEM）、扫描近场光学显微境（SNOM）等。这些新型显微技术都是利用探针与样 品的不同相互作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。
扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscopy, SEM)
利用样品对光的吸收形成明暗反 差和颜色变化
要求真空
要求真空 1.33x10-5～ 1.33x10-3Pa
利用样品对电子的反射和激发形 成明暗反差
利用样品对电子的散射和透射形 成明暗反差
电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示
电子显微镜的基本原理 1932年德国发明了第一台电子显微镜，并于1986年获得诺贝尔物理奖
扫描电镜
各种新型的电子显微镜是我们看到另一个美丽奇妙的世 界 的 窗 口 同时获得结构（衍射）、形貌（成象）和成分（ X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱等）信息；
电子束的波长很小，可覆盖从微观到宏观的所有结构尺度； 高分辨率。 缺点主要是电子穿透能力弱（穿透能力为十分之一微米量级），带来样品制备和实验等方面的困难；电子
人眼能分辩清楚的两个细节间的最小距离：0.1~0.2 mm
光学显微镜的分辩率
0.2 μm
微观结构分析基本原理
入射束
物质
出射束
✓用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便带有样品的结构 信息，分为吸收和发射光谱。
✓所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原子排列，必须用 波长接近或小于原子间距的入射束。
电子与物质的相互作用
扫描电镜
第一章微观结构分析基本原理 一、 微观结构分析基本原理
透射电镜
用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便 带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。 所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原 子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。 电子、光子和中子是最常见的束源。
电子显微镜主要特征：
以电子束代替光镜中的光束作为入射光 电子束的波长由加速电压所决定 例：V=100 kV时，λ=0.0039 nm，此时分辩率为0.002 nm
以电磁透镜代替光镜中的玻璃透镜 电磁透镜的本质是一个透过直流电的线圈所产生的磁场，电子束受到磁
场力的作用而改变其运动方向和速度，如同光束通过玻璃透镜，最终会聚 焦。
1. 观察高聚物的形态和结构
观察高聚物的形态和结构
2. 观察结晶高聚物晶态结构
3. 研究高聚物共混相容性
SEM micrographs of the fractured surfaces of the binary blends: (a) untreated HDPE/Ny66 blend; (b) IBHDPE (30 min irradiation) Ny66 (20/80 wt%)
4. 观察高分子纳米材料的结构
5. 表征高聚物材料的降解性
6. 研究高聚物材料的生物相容性
7. 测量多孔膜的孔径及其分布
思考题
扫描电子显微镜由哪几个主要构成部件组成？ 扫描电子显微镜在高分子学科中有哪几方面的应用？
电子探针X射线显微分析（EPMA）
• EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。
电子光学系统示意图
几种类型电子枪性能比较
2．偏转系统
• 作用：使电子束产生横向偏转，包括用于形成光栅状扫描的扫描系统，以及使样品上的 电子束间断性消隐或截断的偏转系统。
• 偏转系统可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。
3．信号检测放大系统：收集(探测)样品在入射电子束作用下产 生的各种物理信号，并进行放大
与物质的作用十分强烈，致使结果分析较复杂。
透射电镜
扫描电镜
俄歇谱仪
电子探针
扫描探针显微镜与纳米科技
• 人类仅仅用眼睛和双手认识和改造世界是有限的，例如：人眼能够直接分辨的最小间隔大约为O.07 mm； 人的双手虽然灵巧，但不能对微小物体进行精确的控制和操纵。但是人类的思想及其创造性是无限的。当 历史发展到二十世纪八十年代，一种以物理学为基础、集多种现代技术为一体的新型表面分析仪器——扫 描隧道显微镜（STM）诞生了。STM不仅具有很高的空间分辨率（横向可达0.1 nm，纵向优于0.01 nm），能直接观察到物质表面的原子结构；而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加 于自然。可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。
扫描电子显微镜工作原理及构造
SEM成象特征
构造与主要性能
• 扫描电子显微镜由电子光学系统(镜筒)、偏转系统、信号检测放大系统、 图像显示和记录系统、电源系统和真空系统等部分组成
1．电子光学系统：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的
激• 由发电源子抢、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。
✓电子、光子和中子是最常见的束源。
光学与电子显微镜的区别
显微镜
分辨本领
光源
透镜
真空
成像原理
LM
SEM TEM
200nm 100nm
50 nm 0.1nm
可见光（400700） 紫外光
（约200nm)
电子束 (3.7 pm)
电子束 (3.7 pm)
玻璃透镜 玻璃透镜
电磁透镜 电磁透镜
不要求真空 不要求真空
• 不同的物理信号，要用不同类型的收集系统。
• 闪烁计数器是最常用的一种信号检测器，它由闪烁体、光导管、光电倍增管组成。具有 低噪声、宽频带(10 Hz~1 mHz)、高增益(106)等特点，可用来检测二次电子、背散射 电子等信号。
4．图像显示和记录系统
• 作用：将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线管荧光屏上的图像， 供观察或记录。
背散射电子衬度有以下几类：
(1)成分衬度 (2)形貌衬度 (3)磁衬度(第二类)
背散射电子像的衬度特点：
（1）分辩率低 （2）背散射电子检测效率低，衬度小 （3）主要反映原子序数衬度
二次电子运动轨迹
背散射电子运动轨迹
SEM在高聚物学科中的主要应用
1．观察高聚物的形态和结构 2．观察结晶高聚物晶态结构 3．研究高聚物共混相容性 4. 观察高分子纳米材料的结构 5. 表征高聚物材料的降解性 6. 研究高聚物材料的生物相容性 7. 测量多孔膜的孔径及其分布
• EPMA使用的X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。
Li(Si) 检测器
“Electron microscopy of thin crystals”, M. 如：扫描力显微镜（SFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描近场光学显微境（SNOM）等。 一、定点分析，即对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进行定性或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量分析； 能谱分析的基本工作方式 人眼能分辩清楚的两个细节间的最小距离：0. 而且还能对原子和分子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。 可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智慧的结晶。 峰背比的定义：多道脉冲高度分析器的中间道的计数减去背底的计数，然后再除以背底的计数。 如：它可将波长十分接近的VK (0. 几种类型电子枪性能比较 下图给出ZnO-Bi2O3陶瓷试样烧结自然表面的面分布分析结果，可以看出Bi在晶界上有严重偏聚。 透射电镜在加速电压Ep=100 keV下，电子的波长为3. 2．背散射电子像衬度及特点 3．信号检测放大系统：收集(探测)样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大
①扫描电子束斑直径 ； ②入射电子束在样品中的扩展效应； ③操作方式及其所用的调制信号； ④信号噪音比； ⑤杂散磁场； ⑥机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。
扫描电子显微镜景深
SEM
像衬原理与应用
• 像衬原理
• 像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度(光密度)相对于其平均强度(光密度)的变化， 衬度由样品各部分对电子的不同散射特性决定。
二次电子像衬度的特点：
（1）分辨率高 （2）景深大，立体感强 （3）主要反应形貌衬度。
ZnO
水泥浆体断口
2．背散射电子像衬度及特点
能量>50 eV的电子称为背散射电子
影响背散射电子产额的因素有： ( 1 ) 原 子 序 数 Z ( 2 ) 入 射 电 子 能 量 E 0 ( 3 ) 样 品 倾 斜 角
Publishing Co. Huntington, 1965. ➢“Electron microscopy and analysis”, Peter J. Goodhew, John
Humphreys, Richard Beanland. Taylor & Francis, 2001.
人眼的分辩率
参考书
➢高分子物理近代研究方法，张俐娜等编，武汉大学出版社，2003。 ➢扫描电子显微镜分析技术，杜学礼等编，化学工业出版社，1986。 ➢电子显微镜的原理和使用，张宜等编，北京大学出版社，1983。 ➢“Electron microscopy of thin cr ystals”, M. A. Hirsch，Krieger
我校测试中心-----JEOL扫描电镜 纤维材料改性国家重点实验室-----Hitachi扫描电镜
TEM 透射电子显微镜
• 透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍 数的电子光学仪器。其主要特点是，测试的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子束透过样品。
• 透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍
透数射的电电 子镜光的学 仪特器点。 其及主原要 特理点 是 ， 测 试 的 样 品 要 求 厚 度 极 薄 （ 几 十 纳 米 ） ， 以 便 使 电 子 束 透 过 样 品 。
• 以高能电子（50-200 keV）穿透样品，根据样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品的衍射 方向不同，经过后面的电磁透镜的放大后，在荧光屏上显示出图象；透射电镜在加速电压Ep=100 keV下， 电子的波长为3.7 pm。
SEM是直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像的。 扫描电镜是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性 貌观察手段。
扫描电镜的优点: ①有较高的放大倍数，20-20万倍之间 连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感， 可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制 备简 目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以 同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它像 透射电镜一样是当今十分有用的科学研究仪器。
5．电源系统
• 作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。
• 由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成
6．真空系统
• 作用：确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作寿命等。
SEM的主要性能
（1）放大倍数 可从20倍到20万倍连续调节。
（2）分辨率 影响SEM图像分辨率的主要因素有：