材料分析(SEM)实验报告

材料专业实验报告

题目：扫描电镜(SEM)物

相分析实验

学院：先进材料与纳米

科技学院

专业：材料物理与

化学

姓名：

学号：

1514122986

2016年6月30日

扫描电镜(SEM)物相分析实验

一．实验目的

1.了解扫描电镜的基本结构与原理

2.掌握扫描电镜样品的准备与制备方法

3.掌握扫描电镜的基本操作并上机操作拍摄二次电子像

4.了解扫描电镜图片的分析与描述方法

二．实验原理

1.扫描电镜的工作原理

扫描电镜（SEM）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，成像信号可以是二次电子、背散射

电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的电子，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，产生二次电子发射以及背散射电子等物理信号，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次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二次电子像。

本次实验中主要通过观察

背散射电子像及二次电子像对样品进行分析表征。

1）背散射电子

背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背反射电子和非弹性背反射电子。弹性背反射电子是指被样品中原子和反弹回来的，散射角大于90度的

那些入射电子，其能量基本上没有变化（能量为数千到数万电子伏）。非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。非弹性背反射电子的能量范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。背反射电子的产生范围在100nm-1mm深

度。背反射电子产额和二次电子产额与原子序数的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。背反射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分

分析。

2）二次电子像

二次电子是指背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。二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决与表面形貌。

2.扫描电镜的构造

扫描电镜由下列五部分组成，如图1（a）所示。

（a）

（b）

图1 扫描电子显微镜构造示

意图

各部分主要作用简介如下：

1)电子光学系统

它由电子枪、电磁透镜、光

阑、样品室等部件组成，如图1（b）所示。为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。常用的电子枪有三种形式：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表1所示。

表1 几种类型电子枪性能

亮度（A /cm 2.sr ）电

子

源

直

径

（

μ

m）

寿

命

（

h）

真

空

度

（

Pa

）

性能电子枪类型

普通热阴极三极电子枪104

～

105

20

～

50

≈

50

10

－2

六硼化镧阴极电子枪105

～

106

1

～

10

≈

50

10

－4

场发射电子枪107

～

0.0

1

≈

50

10-

7～

108 ～

0.1 00 10

－8

前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。

由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。

电磁透镜的功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束斑越小，其分辨率就越高。扫描电镜通常有三个磁透镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。为了降低电子束的发散程度，每级磁

透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。

样品室中有样品台和信号探测器，样品台还能使样品做平移运动。

2）扫描系统

扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的

同步扫描信号。

3）信号检测、放大系统

样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。不同的物理信号要用不同类型的检测系统。它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X