第十章 扫描电子显微分析(SEM)

生物样
§10.1 SEM工作原理、构造和性能
一、扫描电镜工作原理
图8-1 扫描电镜原理示意图
二、扫描电镜结构
1.电子光学系统 2.偏转系统 3.信号检测放大系统 4.图像显示和记录系统 5.电源系统 6.真空系统
1.电子光学系统
电子枪、电磁聚光镜、光栏、样品室
图8-2 扫描电镜光学系统示意图
为获得较高的信号强度和扫描像分辨率，扫 描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束 斑直径
扫描电子显微分析（SEM）
2. 高倍金相组织观察与分析
与金相样相比，扫描电镜的优点： ① 放大倍数大，分辨率高 ② 景深大 ③ 导电样品不用专门磨制样 ④ 金相样品（大小尺寸合适）均可用SEM观察
3. 断裂过程的动态研究
拉伸、加热附件装置可以实现动态观察。
§10.3 电子探针X射线显微分析方法
1. 二次电子像衬度 在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的
核外电子叫做二次电子。表层5－10μm，能 量较低（小于50eV） 若入射电子束强度为I0，二次电子信号强度为 Is,则二次电子产额δ＝ Is／ I0
影响二次电子产额的主要因素：
（1）二次电子能谱特性：几个eV量大 （2）入射电子的能量： δ有极值 （3）材料的原子序数：略增加 （4）样品倾斜角θ： δ∝（sec θ)n,n=1.3(轻
10.3 扫描电镜在材料研究中的应用 扫描电镜的像衬度主要是利用样
品表面微区特征的差异，在电子束作用 下产生不同强度的物理信号，导致阴极 射线管荧光屏上不同的区域不同的亮度 差异，从而获得具有一定衬度的图像。
微区特征：形貌、原子序数或化学成分、 晶体结构或位向等。
扫描电子显微分析（SEM）
1. 断口分析 宏观分析和微观分析 扫描电镜 肉眼及金相显微观察
5.电源系统：为扫描电子显微镜各部分提供所需要的电源 6.真空系统：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：M＝Ac/As, Ac是阴极射 线管电子束在荧光屏上的扫描振幅，一般 为100mm，As是电子束在样品表面的扫 描振幅。M＝20－20万倍
能谱仪经常有谱线重叠现象，与波谱仪相 比，分辨本领差一些
定量分析不准确，只能定性和半定量分析
二 波谱仪
（一） X射线检测器： 闪烁体计数器
X光→可见光→光电流 输出光电流（脉冲信号大小）与X光子能量成 正比
扫描电子显微分析（SEM）
（二）分光晶体及弯晶的聚焦作用（了解)
◆为使可分析的元素尽可能覆盖周期表中所有元素， 需要配备面间距不同的数块分光晶体。
（3）电压衬度：局部电位将影响二次电子的轨迹和强 度，造成正偏压的地方图像较暗，而负偏压的地方图像 较亮
（4）磁衬度（第一类）：样品表面处的外延磁场会造 成二次电子的偏转而形成衬度
2.背散射电子像衬度
若子入产射额电δ子＝束IR强／度I0为I0，背散射电子信号强度为IR,则二次电 影响背散射电子产额的因素： （1）原子序数： δ增大 （2）入射电子能量E0：10－100keV,δ与E0无关，<5eV，
5） 应力腐蚀开裂断口 在一定的介质条件和拉应力共同作用下引起的一种
破 坏形式。
产生过程： 腐蚀斑点（裂纹源) 应力作用下 斑点
连接形成裂纹 浸蚀扩展 断裂
断口形貌与疲劳断口相似。 断口特征：腐蚀坑、腐蚀产物及泥状花样。
低碳钢纳米化样品在4N载荷下的微观形 貌
沿滑动方向有梨沟及微观切 削形成的沟槽，表面破坏主 要是金刚石磨头及磨损过程 中脱落的氧化物对样品表面 造成的磨粒磨损造成的。A 区是金刚石磨头未与样品完 全接触而保留下来的原始表 面
放大倍数
10 1000 10000
分辨率 视场
0.02mm 10mm 0.2μm 0.1mm 20nm 1 0μm
景深 光学显微镜 扫描电镜
0.1mm
0.1-1mm 1 μm
扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大一 至两个数量级，特别适用于粗糙表面的观察 和分析
§10.2 像衬原理与应用
像的衬度就是像的各部分强度相对于其平均 强度的变化
元素），1（中等元素），0.8（重元素）
二次电子像衬度分类
（1）形貌衬度：当入射电子方向一定时，样品表面的 凸凹形貌就决定了电子束的不同倾斜角θ，也就决定了 二次电子的产额。尖棱、小粒子、坑穴边缘显得异常亮
（2）成分衬度：部分二次电子是由背散射电子激发的， 而背散射电子与原子序数Z关系密切。当入射电子能量 小于5keV时，二次电子能反映表面薄层的成分变化
低碳钢纳米化样品在6N载荷下的微观形 貌
表面出现裂纹及剥落坑，这 是因为材料表层在往复摩擦 力作用下的反复变形增大， 导致应变疲劳，裂纹萌生并 扩展，最终剥落，磨损机制 由开始的磨粒磨损转变为疲 劳磨损
氯化亚铜微观形态的观测
一种(上图)抗氧化能力较差(国内)；另一种(下 图)抗氧化能力较强(国外) 两者的微双形态呈明显的不同
通过断口分析，寻找断裂原因，判断裂纹 性质、裂纹源及夹杂物。
表8－1 显示了金属各种断口及其特征
扫描电子显微分析（பைடு நூலகம்EM）
1）韧窝断口：有大量塑性变形的断裂方式
拉伸时，当 s 时，产生塑性变形
微观表现：夹杂物、析出相、晶界、亚
晶界或其它塑性变形不连续的地方产生
位错塞积、应力集中。
形成微孔
微孔增大
颈缩破断
图8－5 韧窝断口微观形貌
扫描电子显微分析（SEM）
韧窝形状： 等轴韧窝 变形抛物线性韧窝
韧窝大小： 微孔生核数量多 微孔生核数量少
韧窝深浅： 塑性大 塑性小
单轴拉伸 剪切或撕裂
韧窝小 韧窝大
韧窝尺寸深 韧窝尺寸浅
扫描电子显微分析（SEM）
2） 解理断口 及准解理断口
原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂（沿 着一定的严格的结晶学平面发生开裂）。
扫描电镜与X射线显微分析结合成EPMA（Electron Probe X— Ray Microanalyzer) 特点： （1）分析手段简化，分析时间短 （2）样品量少 （3）无损检测 （4）释谱简单 图8－13扫描式电子探针示意图
一 能谱仪（EDS或EDX）
（一）结构与原理
关键部件是锂漂移硅Si(Li)探测器： X 光照射半导体，产生的电子－空穴对数 与光子能量成正比，就可将接收的X射 线光子变成电脉冲信号。
例：体心立方 密排六方
{100} 或{112} {001}
扫描电子显微分析（SEM）
典型解理断口特点： ▲ 河流状花样是一簇相互平行的（具有相同晶面指 数）、位于不同高度的晶面。 ▲ 断裂源常在晶界处。
解理台阶：不同高度解理面之间存在的台阶
“河流”的流向就是裂纹扩展的方向。 “舌状花样”、“羽毛状花样”、“二次裂纹”也是解理
由于电子枪的效率不断提高，使扫描电子显微镜的样品室附 近的空间增大，可以装入更多的探测器。因此,目前的扫描电 子显微镜不只是分析形貌像．它可以和其它分析仪器相组合， 使人们能在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等 多种微观组织结构信息的同位分析。
扫描电镜的优点： ◎景深大（相对于金相） ◎放大倍数大（从20倍~20万倍） ◎样品制备简单
思考： 二次电子图象和背反射电子图象有何区别？ 哪一种分辨率高？
？答案？
扫描电子显微分析（SEM）
扫描电子显微分析（SEM）
不同样品的处理
对绝缘不导电的样品必须经过表面喷金、银或碳等导 电膜观察才清楚，否则电荷积累在表面上，图象很快 就模糊了。
对断口样品表面用丙酮或乙醇清洗干净。
扫描电子显微分析（SEM）
裂纹。
扫描电子显微分析（SEM）
准解理裂纹特征： ◆ 准解理裂纹是一种脆性的穿晶裂纹，断裂沿一定
的 结 晶面扩展，也有河流花样，但河流一般是从小 平面中心向四周发散的，形状短而弯曲，支流少。
◆ 断裂源常起于晶粒内的碳化物或夹杂物。 图8－7准解理断口
扫描电子显微分析（SEM）
3） 沿晶断口——晶界断裂 也是一种脆性断裂（图8－8），冰糖状是晶界中的
对样品表面选定微区作定点的全谱扫描定性 或半定量分析，以及对其中所含元素浓度的 定量分析——点分析
电子束沿样品表面选定的直线轨迹作所含元 素浓度的线扫描分析——线分析
电子束在样品表面作面扫描，以特定元素的 X射线讯号调制阴极射线管荧光屏亮度，给 出该元素浓度分布的扫描图像。
析 出相、夹杂物及元素偏析集中造成的。
延性沿晶断裂： 石状断口，石状颗粒上有明显的塑性变形，呈韧窝特
征，但韧窝中有夹杂物。
扫描电子显微分析（SEM）
4） 疲劳断口 周期性交变应力引起的断裂——疲劳断裂。
疲劳断口特征： （附图 疲劳断口二次电子像） 疲劳核心区——裂纹扩展区——瞬时断裂区
扫描电子显微分析（SEM）
扫描电镜
从单一的形貌观察（二次电子像）发展 到吸收图象、电子荧光图象、扫描透镜电 子图象、电位对比图象、X射线图象、X 射线显微分析装置、背散射电子衍射等。
扫描电子显微分析（SEM）
应用领域：
地学、材料学、生物学、医学、冶金、 刑侦等各行各业。
普通SEM——低真空SEM——环境SEM
金属及一般分析 表面腐蚀
（二）能谱分析的优点
❖ 允许使用微细的电子束，分析的空间分辨率 高，灵敏度高
❖ 分析速度快，几分钟内把全部能谱同时显示 出来
❖ 结构紧凑，无运动部件，稳定性好，因此谱 线的重复性好
扫描电子显微分析（SEM）
四、能谱分析的缺点
Si(Li)探测器多数需要长期连续保持在液 氮的低温下工作和运行
采用铍窗隔离，对软X射线吸收严重，即 对长波长的X射线吸收多，所以只能分析 原子序数在11（Na）以上的元素
SEM的主要性能
（2）分辨率： ①扫描电子束直径； ②入射电子束在样品中的扩展效应；
SEM的主要性能
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
（3）景深：透镜物平面允许的轴向偏 差定义为透镜的景深，用ΔF(Ff)来表示.
F＝
d 2a
△F——焦深； d ——扫描像分辨率； 2a——物镜的孔径角
第十章 扫描电子显微分析（SEM）
Scanning Electron Microscope
发展历史：
1935—德国Knoll提出了工作原理 1938—实验研究 1942—第一台实验室用的扫描电镜 1965—开始用于商业 70年代—分辨率大大的提高 （0.5nm）
扫描电子显微镜的成像原理和透射电子显微镜不同。它不用 电磁透镜放大成像，而是以类似电视摄影显像的方式，利用 细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来 调制成像的。由于扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大， 可以用它进行显微断口分析。用扫描电子显微镜观察断口时， 样品不必复制，可直接进行观察，这给分析带来极大的方便。 因此，目前显微断口的分析工作大都是用扫描电子显微镜来 完成的。
电子束斑的亮度和直径与电子枪的类型有关 扫描电子显微镜所要求的电子束斑直径和亮
度还要靠电磁透镜协助完成
2.偏转系统：使电子束产生横向偏转 3.信号检测放大系统：收集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 图8-4二次电子和背反射电子收集器示意图
4.图像显示和记录系统：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显示屏上的图像，供观察和记录
高Z与低Z元素间背散射电子产额的差别变小 （3）样品倾斜角θ：〈50o时， δ与θ无关，50o－90o， δ
增大
背散射电子衬度的种类：
（1）成分衬度：原子序数高，信号强 （2）形貌衬度：不如二次电子对形貌
敏感 （3）磁衬度（第二类）：外界磁场可
能会影响两次碰撞之间的轨迹
扫描电子显微分析（SEM）
一种PVC粉料 的形貌观测
ABS脆件断裂后 微观形态的观测
Fig. 2 SEM micrographs of MgNb2O6 ceramics doped with different amount of CuB addition sintered at 1050 ˚C: (a) 1.0
wt.% (b) 2.0 wt.% (c) 4.0 wt.%.
◆为了提高测试效率，应聚焦，使X射线源，分光晶 体及探测器三者处于同一圆周上，此圆称为罗兰圆或聚 焦圆。
（三）波谱仪的优缺点
波谱仪的优点： 波长分辨率高，可定量分析，能分析较轻的元素
波谱仪的缺点： X射线利用率低，强度损失大，价格昂贵，测量速
度慢，操作复杂
三 EPMA有三种几本工作方式
扫描电子显微分析 （SEM）