扫描电镜

• 二次电子是扫描电镜成像的主要信号。
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背散射电子backscattering electron (BE)
• 物理成因：电子射入样品，受到原子的弹性和非 弹性散射，散射角大于90°的电子，从试样表面 逸出，称为背散射(反射)电子；分为弹性和非弹 性背散射电子。 • 实际探测：距样品表面100－1000nm深度范围 散射来的能量大于50eV 的电子。 • 对样品物质的原子序数敏感，可进行成分分析 （原子序数衬度图像）。 • 形貌衬度不如SE，但仍可作形貌分析，成像分 辨率较低，50－200 nm 。
• 屏尺寸是固定的，改变 l 即可改变 M。 • 目前SEM的M 为20－20万倍（介于OM与 TEM之间）
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性能指标-分辨本领 resolution
• 微区成分分析：能分析的最小区域； 成像：能分辨两点之间的最小距离。 图像分辨本领表示方法有两种： ① 两相邻亮区中心距离的最小值。 ② 暗区宽度的最小值。
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扫描系统
• 由扫描发生器和扫描线圈组成。 • 使入射电子束在样品表面扫描，并使显 像管电子束在荧光屏上作同步扫描。 • 改变入射束在样品表面的扫描幅度，从 而改变放大倍数。
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信号收集、显示系统
• 镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫 描 • 荧光屏上的亮度根据样品上被激发出来的信号 强度来调制 • 由检测器接收的信号强度随样品表面状态不同 而变化 • 调制信号在图像显示和记录系统中就转换成一 幅与样品表面特征一致的放大的扫描像
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吸收电子absorption electron (AE)
• 入射电子中一部分与样品作用，能量损失、活 动力降低，不能逸出表面，称为吸收电子。 • 随着样品Z↗，BE↗而AE↘。 • 分辨率低，100－1000nm 。
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特征X射线characteristic X-ray
• 原子内层电子受到激发后，在能级跃迁过 程中直接释放的，具有特征能量和波长。 • 发射深度为500－5000nm。 • 其波长固定，进行元素成分分析。 • 分辨率低，100－1000nm。
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工作原理
• 不用透镜进行放大成像，逐点逐行扫描成像。 • 由电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面逐点逐 行扫描，使样品表面顺序激发，产生各种物理信号， 其强度随样品表面特征（形貌、成分、晶体取向等） 而变。 • 检测其中一种物理信号，逐点逐行地转为电信号（视 频信号），经视频放大和信号处理，同步调制阴极射 线管的电子束强度，在荧光屏上得到与样品表面特征 相对应的图像。
• 二次电子像的衬度是典型的形貌衬度。
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形貌衬度
• 光滑试样表面、入射电子束能量大于1 keV 且固定不变时，二次电子的产额与电子 束入射角度的关系为： 1
SE产额 cos
为入射电子束与试样表面法线的夹角
入射电子束与试 样表面法线间夹 角愈大，二次电 子产额愈大。
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形貌衬度
• 样品看作由许多位向不同的小平面组成。 • 入射电子束方向固定，试样表面的凹凸不 平，对其表面不同处的入射角也不同。 • 电子束在样品表面扫描时任何两点的形貌 差表现为信号的强度差，形成衬度。 • 在断口峰、台阶、突出的第二相粒子处的 图像特别亮。
• • • • • • 电子分析物理基础 透射电镜 扫描电镜 X射线光电子能谱 俄歇电子能谱 小结
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目录
• • • • • • • 背景原理 构造 成像物理信号 性能指标 样品制备 图像解释 应用
• 环境扫描电镜
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历史
• • • • • 1935年德国人Knoll提出原理 1938年第一台透射扫描电镜 1942年反射电子扫描电镜 1953年后获得了较快发展 1965年商品扫描电镜,分辨率25nm
• ESEM例外
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样品制备
（3）清洁、预处理： • 样品表面要清洁、无粉尘。 • 含水或易挥发物应进行预处理，磁性材 料预先去磁。 • 为防止假象存在，将试祥用丙酮或酒精 清洗。必要时用超声波，或表面抛光。
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样品制备
（4）侵蚀： 需侵蚀的样品，侵蚀后要清洗、烘干。 （5）复型： 某些情况可采用复型样品。
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俄歇电子Auger electron
• 激发态的原子体系，释放能量的形式是 反射具有特征能量的俄歇电子。 • 距试样表面<10Å深度范围内反射，可进 行表层成分分析。
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透射电子transmission electron (TE)
• 入射束的电子透过样品而得到的电子。 取决于样品微区的成分、厚度、晶体结 构及位向等。 • BE、SE、AE、TE之间的关系：
500~5000 0.5~2
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其它物理信号
• 除了上述六种信号外，固体样品中还会 产生例如阴极荧光、电子束感生效应和 电动势等信号，这些信号经过调制后也 可以用于专门的分析。
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性能指标-放大倍数
• 放大倍数
L M l
式中： l －入射电子束在试样上的扫描幅度 L－显像管电子束在荧光屏上的扫描幅度
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成像的物理信号
• 具有一定E的电子，照射固体样品时，与 样品内原子核和核外电子发生弹性和非 弹性散射，激发样品产生多种物理信号。
Βιβλιοθήκη Baidu16
二次电子secondary electron （SE）
• 物理成因：入射电子与原子核外电子发生相互 作用，使原子失掉电子成为离子，脱离的电子。 • 实际探测的：距样品表面5－50 nm 深度范围 激发出来的低能电子（<50eV） • 对样品表面状态非常敏感，能有效显示样品表 面的微观形貌（形貌衬度图像）。
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样品制备
（1）样品尺寸 • 试样可以是粉末颗粒或块状。 • 块状样品尺寸根据样品性质和样品室的 空间而定。
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样品制备
（2）导电性 • 要求样品具有良好的导电性。（形成电 子堆积，严重影响图像质量） • 绝缘体或导电差的材料，在分析表面上 镀导电层。（二次电子发射系数较高的 金、银、碳等真空蒸镀层）
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性能指标-分辨本领
分辨本领的决定因素： ① 入射电子束束斑直径 是分辨本领的极限 ② 入射束在样品中的扩展效应 导致相互作用体积产生，以及信号产生的 深度和广度。
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性能指标-场深
• SEM以场深大而著名。适于断口观察。 • 取决于分辨本领和电子束入射半角。
Df d

• 比一般OM场深大100-500倍，比TEM的 场深大10倍。
500 pA
300 nA 0.30 eV
能量分辨率(3nA束流) 2.0 eV
灯丝温度 Flashing 2700 K Never
1.0 eV
2000 K Never
0.7 eV
300 K Every few Hours
0.5 eV
1800 K Never
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样品室
• 样品室是放置样品和安置信号探测器。 • 样品可进行三维空间的移动、倾斜和转动，进 行特定位置分析；配有附件，可使样品加热、 冷却并进行机械性能试验（拉伸、疲劳）—— 微型实验室。
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结构构造
• • • • • • • 电子光学系统 样品室 扫描系统 信号收集系统 图像显示与记录系统 真空系统 电源及控制系统组成。
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电子光学系统
• 包括电子枪、聚光镜、 物镜。 • 电子枪加速电压比 TEM的低。
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SEM图象影响主要因素
• 入射电子束的束斑大小(决定了观察的分辨率) • 入射电子束的亮度(决定了图象的信噪比) • 入射电子束的能量, 即加速电压(决定了电子束 在样品中的影响区) • 样品性质
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原子序数衬度像
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应用
• SEM广泛应用于水泥、陶瓷、金属、复 合材料研究中，主要有以下几方面： （1）断口分析 • 直接观察，低、高倍观察分析，显示断 口形貌特征，揭示断裂机理。 （2）显微组织观察 • 大景深，分析组成相的形成机理和三维 立体形态特征。
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Flash memory单元的明场、横截面形貌。器件具有多层结构，都很薄，包括钨 硅化物层（WSix）、两多晶硅层，O-N-O电介质层，the gate oxide，场隔离氧 化物以及Si基底
灯丝材料 钨丝 LaB6晶体
冷场
钨丝
Schottky
钨丝表面镀ZrO2
(111) or (310)
工作温度 尖端半径 (虚拟)发射源直径 阳极电场 2700K ~100um ~104nm 很小 2000K ~10um ~104nm 300K <0.1um ~3nm
(111)
1800K ~0.5um ~20nm
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 相为莫来石。
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图像解释
• SEM的图像是通过像衬度来解释。 • 图像的衬度反映的信号衬度。 • SEM像衬度的形成主要基于样品微区存 在差异，使产生特征信号强度差异。 • 根据衬度形成的依据分为：
– 形貌衬度 – 原子序数衬度
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形貌衬度
• 由于试样表面形貌差异而形成的衬度。对表面 形貌变化敏感的物理信号作为调制信号所得到 的像衬度。 • 信号强度是试样表面倾角的函数，表面微区形 貌差别实际上就是其对入射电子束的倾角不同， 电子束在试样上扫描时任何两点的形貌差别， 表现为信号强度的差别，在图像中形成显示形 貌的衬度。
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原子序数衬度
• 粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬 度所掩盖。显示原子序数衬度的样品， 应进行磨平和抛光，但不能浸蚀。
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背散射电子像衬度
• BE的产额（电子信号强度）随着Z↗而 ↗ • <40的元素，随变化较为明显 • 样品表面平均Z较高的区域，产生较强的 信号，图像上相应的像区较亮。
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煤灰
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水泥水化产物
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SEI vs. BSEI: different image information
玻璃纤维增强橡胶
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环境扫描电镜(ESEM)
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What is ESEM (环境扫描电镜)
• 样品室真空度和气氛可以控制 • 在低真空模式下观察样品的二次电子象、 背散射电子象，进行微区分析 • 对任何样品、无需进行任何处理 进行观察 和分析 • 具有普通高真空扫描电镜的所有功能 • 进行动态的过程分析
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SEM光源的要求
• SEM图象影响主要因素: – 入射电子束的束斑大小(决定了观察的分辨率) – 入射电子束的亮度(决定了图象的信噪比) • 从SEM诞生之日起, 科学家就盼望束斑更小, 亮度更 大的电子枪 • 目前SEM可使用3种电子枪: W灯丝、LaB6和场发射
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电子枪特性比较
W灯丝 LaB6灯丝
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形貌衬度
• SE像分辨率高、场深大、立体感强，为 主要成像方式。 • BE像的分辨率不如SE像，一般不用它观 察形貌。
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材料表面形貌
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断口形貌
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纳米结构材料形态
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原子序数衬度（化学成分衬度）
• 由于试样表面物质化学成分差异而形成 的衬度。 • 利用对样品微区Z或化学成分变化敏感的 信号作为显像管的调制信号，得到显示 微区化学成分差异的像衬度。 • 主要信号有：BE、AE、特征X射线。
信箱 materialseu@gmail.com 密码 southeastuniversity
材料分析技术
主讲 东南大学材料科学与工程学院
万克树
副教授
材料学院： Room 515 答疑时间：单周周一上午 keshuwan@seu.edu.cn 电话 52090670 2016年8月18日
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第二章 电子束分析
<104V/cm 107~108V/cm 106~107V/cm
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W灯丝 LaB6灯丝
亮度 <105 <106
冷场
107~109
Schottky
5x108
1nm束斑电流
最大束流 能量分辨率(最小)
0.1 pA
1000 nA 1.5 eV
1 pA
1000 nA 0.8 eV
100~1000 pA
3 nA 0.26 eV
I0 Ib I s Ia It
I 0 －入射电子强度 式中：
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成像的物理信号
信号 二次电子 背散射电子 吸收电子 透射电子 X射线 俄歇电子 xy分辨率(nm) 5~10 50~200 100~1000 0.5~10 100~1000 5~10 z发射深度(nm) 5~50 100~1000