2014现代仪器分析 SEM-EDS

ZB
荧光X射线 RB RX RF
21
样品电子发射的能量谱
Quantity of Electrons
Secondary Electrons
Backscattered Electrons
1
100
10,000
Energy of Electron (eV)
(Incident beam energy : 10,000eV)
31
EDS简介
16
SEM简介
• 电子束与物质相互作用
当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于受到固体物 质中晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变，这 种现象称为散射。 （1）弹性散射。如果在散射过程中入射电子只改变方向，但其 总动能基本上无变化，则这种散射称为弹性散射。弹性散射的电 子符合布拉格定律，携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度 等信息，在电子显微镜中用于分析材料的结构。 （2）非弹性散射。如果在散射过程中入射电子的方向和动能都 发生改变，则这种散射称为非弹性散射。在非弹性散射情况下， 入射电子会损失一部分能量，并伴有各种信息的产生。非弹性散 射电子：损失了部分能量，方向也有微小变化。用于电子能量损 失谱，提供成分和化学信息。也能用于特殊成像或衍射模式。
貌要比上面衬度的情况复杂得多， 实际样品中二次电子的激发过程示意图
理是相同的。
激发过程示意图
多孔SiC陶瓷的二次电子像
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SEM简介 • 如何获得清晰的表面形貌像？
1、对准物体 与 照 相 类 似 聚焦
2、聚焦 3、拍照
加速电压 对比度
加速电压
20 Resolution (nm) 10 Vacc : 15kV
V2 PG1 V8 RP2 V7 V1 DP V6
V3 V4 V9 RP1
9
电子源：灯丝
Tungsten Filament FE Tip
750μm Electron Source Tungsten Filament Type of Emission Thermonic Operating Vacum (Pa) 10-5 Brightness (A/cm ･str) 5x105 Source Size (μm) 30 Energy Spred (eV) 2.0 Life Time (h) 50
2
Field Emission Cold FE ～10-8 108 0.01 0.2 2000
10
场发射的种类
Filament Current Control
Flashing Voltage
Filament V1 Wehnelt Bias Voltage Control 1st Anode Anode 2nd Anode (～ 6.5kV)
1）凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE产额较多，在荧光屏上这 对于实际样品，表面形貌要比上面衬度的情 部分的亮度较大。 3）在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，但其不易被收集到，因此 相应衬度也较暗。 实际样品中二次电子的激发过程示意图
2）平面上的SE产额较小，亮度较低。 但形成二次电子衬度的原理是相同的。
High Voltage
Electron Gun Anode
Condenser Lens
Deflection Coils Objective Lens Specimen Chamber
Specimen Vacuum Pump
SE Detector
Amplifier
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SEM简介
• 结构原理
High Vacuum Condition
Electron Secondary Electron Detector
Specimen Current
Electron Beam Induced Current
Transmitted Electron Transmitted (Scattered) Electron
电子束与样品相互作用产生的信号
X-ray产生机理
SE 和BSE电子数量较多
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样品电子发射的能量谱
成分 分析 形貌 分析
Z>20, 随 原子序数 变化明显
Z>20, 随原 子序数变 化不明显
信号强度与Z的关系
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SEM简介
• 形貌图像解释
明暗代表什么？
如何获ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ清晰的表面形貌像？
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SEM简介
• 明暗代表什么？（衬度）
电子束与样品表 面作用产生的二 次电子数目不同 产生 二次 电子 的规 律？
V0
V0
Electron Beam Electron Beam V0:Accelerating voltage V1: Extraction voltage
热场发射
冷场发射
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探测器的位置
Primary beam
SE Detector
Lens Specimen
１)Conventional type(Out-Lens)
• 二次电子：由样品中原 子外壳层释放出来，在 扫描电子显微术中反映 样品上表面的形貌特征。 • X射线：入射电子在样 品原子激发内层电子后 外层电子跃迁至内层时 发出的光子。
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SEM中的三种主要信号
穿透深度
Primary Electron Beam d SE BSE ZX ZF 特征X射线 Specimen 俄歇电子
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电子束与物质相互作用
Primary Electron Beam Characteristic X-Ray Backscattered Electron Cathodeluminescence
↓ ↓ ↓
Secondary Electron Secondary
Electron Detector
~10nm (Excitation Volume for
3
发展历史
显微镜 光 源
波长更短的光源 改变方向、发生 折射和聚焦成象
电 子 波
波长：<1nm 分辨率：0.5波长 聚焦：电磁线圈
4
发展历史
• 电子显微镜
1924 Louis de Broglie 提出电子本身具有波动的 1986 Nobel Prize winners 物理特性， 进一步提供电子显微镜的理论基础。 1926 Busch 发现电子可偏折一般， 由电磁场的改 变而偏折。 1931德国物理学家Knoll 及Ruska 首先发展出穿透 式电子显微镜原型机。 1937 首部商业原型机制造成功（Metropolitan Vickers 牌）。 1938 第一部扫描电子显微镜由Von Ardenne 发展 成功。 1938～39 穿透式电子显微镜正式上市（西门子公 司，50KV~100KV，解像力20~30&Aring；）。 1940～41 RCA 公司推出美国第一部穿透式电子 显微镜（50 nm）。 1960 Everhart and Thornley 发明二次电子侦测器。 1965 第一部商用SEM出现（Cambridge)
真空系统
Filament Condenser Lens aperture Orifice BSE detector PG2
V5 NV
Vacuum condition preset
Vacuum controller (Real-time)
Specimen Low Vacuum Condition
Vacuum Gauge
SE Detector (Upper)
Primary beam
SE Detector Primary beam Lens
SE Detector (Lower) Specimen
Lens
Specimen
２)Snokel type
３)In-lens type
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探测器的结构
Al Coating Layer Primary Electron Beam Phosphors
EDS简介

基本原理和基本原则 基本分析方法
应用实例
2
发展历史
• 光学显微镜
早期显微镜 现代显微镜
还能放的更大吗？
光源：390~760nm 分辨率：0.5波长 早期的显微镜用玻璃镜片作透 镜，用可见光作为光源，因此 称为光学显微镜。 最好的光学显微 镜可以达到 1500 倍的放大倍数 波长更短的光源
2. 样品必须有导电性。
3. 常规则信号探头使用光
电倍增管放大原始成像 信号，它对光、热非常
敏感，因此不能观察发
光或高温样品。
4. 样品对电子束不敏感
EDS简介
• 基本原理和原则
Primary Electron Beam Characteristic X-Ray ↓ ↓ Backscattered Electron Cathodeluminescence ~10nm ↓Secondary
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SEM简介
SEM的主要特点
分辨率高 放大倍數高
SEM
景深較大
試樣准備簡單
真 空 系 统

供 电 系 统

信 号 接 收 系 统

电 子 光 学 系 统
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SEM简介
熒 光
閃爍体
光電倍增管
放大器
CRT
SEM结构示意图
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SEM简介
• 结构原理 电子光学系统、信号接受系统
Camera
Filament Wehnelt CRT Mag. Control Deflection Amplifier Scanning Electron Beam Image Signal Deflection Coils
二次电子 的 分 布
30° 60° 90°
明暗
0° 30° 60° 90° 试样 接收的二次电子 10 8 6 4 2 0 20 40 60 80
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二次电子产额强烈依 赖于入射束与试样表 面法线间的夹角

二次电子的实际收得 率是呈角分布的
• 明暗代表什么？（衬度）
对于实际样品，表面形貌要比上面衬度的情况复杂得多。
扫描电子显微镜和能量色散X射线谱
Scanning electron microscope (SEM) and Energy Dispersive Spectrometer(EDS)
2014-3-19
提
发展历史 SEM简介

纲
结构原理 分辨率和放大倍数 电子束与试样相互作用 形貌象解释
Scintillator
Photomultiplier Photo Multiplier Tube
Secondary Electron
Photons
Light Guide
+10kV
Signal
Specimen
CRT
SE探测系统
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探测器的结构
Primary Electron Beam Objective Lens
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二、放大倍数 扫描电镜的放大倍率M取决于显像管荧光屏尺 寸L和入射束在试样表面扫描距离I之比。
Scanning Electron Beam of CRT Scanning Electron Probe Scanning (X) L
Scanning(Y)
l Pixel
Specimen
CRT
Magnification :( M)=L / l
形貌分析 元素分析
特征X-射线 俄歇电子
结晶分析
化学态分析 电磁性质
背散射电子 二次电子
俄歇电子 特征X-射线
透射电子
背散射电子 二次电子 吸收电子
透射电子
SEM中的三种主要信号
• 背散射电子：入射电子 在样品中经散射后再从 上表面射出来的电子。 反映样品表面不同取向、 不同平均原子量的区域 差别。
Secondary Electron Emission)
Specimen Current Transmitted Electron Transmitted (Scattered) Electron
Electron Beam Induced Current
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电子波信号提供信息
用 途 电 子波信 号 二次电子 透射电子 背散射电子 背散射电子
BSE Detector
e
＋
e
Ｍ
＋
－ － － － － － Non Conductive Specimen
BSE探测器位置在样品正上方
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SEM简介 一、分辨率 扫描电镜的分辨率有两重意义：对微区成分而 言，它是指能分析的最小区域；对成像而言， 它是指能分辨两点之间的最小距离。这两者主 要决定入射电子束的直径，但并不直接等于直 径。二是由所接收信号的激发区域半径决定。
W filament SEM
1.0 0.5 0.5 1.0 10 Acc.(kV)
Out lens FE-SEM
Vacc : 1.0kV
In-Lens FE-SEM 30
加速电压与分辨率（理论）
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对比度
对比度、放大 率、聚焦联合 调试最终获得 想要的图像
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扫描电镜的局限性
1. 样品必须干净、干燥。