扫描电镜概述(1)

透射电子显微镜则是将透过薄试样后的、带有试样形貌 或结构信息的弹性散射电子、经多次聚焦放大，最后在镜简 下方的荧光屏上一次直接成像，成像过程示意图如下：
TEM的分辨率可达0.1nm左右，放大倍数为100倍～100万 倍，可配备EDS和EELS（电子能量损失谱），能够在原子尺 度上直接观察材料的内部结构、相组成、相分布及晶体位错、 晶界、晶体缺陷等，这种细微物质结构用普通SEM是不能分 辨的。它使用的加速电压为200KV～500KV，对有机物样品有 破坏作用。
2 电子显微镜的种类
2.1电子显微镜的种类：按结构和用途分,目前常见到的有以下6种： （1） 透射电子显微镜（TEM） （2） 扫描电子显微镜（SEM） （3） 场发射电子显微镜（FEM） （4） 电子探针显微分析仪(EPMA) （5） 扫描隧道显微镜（STM） （6） 原子力显微镜（AFM）
（1） 透射电子显微镜（TEM）
进入90年代，SEM和EDS与最新的计算机技术相结合，推出 数字化的SEM，所有操作简化为只使用计算机键盘和鼠标；图像 照片的显示使用高分辨率的显示器，取代了只有在黑暗房间才能 观察的阴极显像管；数字化的图像照片、图形和数据结果由计算 机采集, 去掉了照相机，免除了照片的冲印，大大提高照片的质 量。 与此同时，EDS的探测器也有很大进步，其窗口由Be改用超 薄有机高分子膜，除检测Na以后的重元素外，还能检测轻元素 Be、B、C、N、O、F。探测器的冷却，也有由原来的始终加液 氮方式变成用时加、不用时不加的方式。
另外，它们配置的背散射探头，可提供多种图像: 成分像、 形貌像和立体像。2003年刚刚进入中国市场的捷克TESCAN公司 的SEM，具有独特的电子光学系统设计，有多种成像模式，高 清晰度、超大景深的图像质量非同一般，自动化操作功能与其他 公司相同，属于高档SEM产品。 购置SEM时，一般都要配置EDS，以便进行化学元素的定 性、定量分析。现在进入中国的EDS厂家主要有：美国的 NORAN公司和EDAX公司，英国的OXFORD公司，德国 BRUKE公司等。
但二者也有明显的区别：EPMA以成分分析为主，主要使 用WDS，定性分析的灵敏度、定量分析的准确度都比较高，这 是由於它的电子束比一般的扫描电镜稳定得多的缘故。EPMA 的真空度可以达到10-7 torr，要比SEM的真空度高得多，因此电 子束也稳定得多。正由于波谱分析需要极稳定的电子束，所以， 这也是为什么一般的SEM 不配备波谱议的原因。 EPMA是较SEM 高端的产品。现在，成分定量分析要求较 高的材料科学、冶金、地质等领域一般都选配它。SEM即使配 备了WDS ，成分定量分析结果也不如EPMA，还无法代替 EPMA。EPMA缺点是成像特性、图像质量不如SEM，价格要 比SEM高得多（3～4倍），操作、维护要求高，使用范围要比 SEM小得多。
近几年，硅漂移SDD探测器的成熟使用，EDS的探头的致 冷可采用电制冷， 完全不用液氮。EDS可对SEM进行控制和所 有电子信号采集：2次电子、背散射电子、特征X-射线等，并以 数字化信息存盘。 近几年英国牛津公司对超轻元素分析（ Be4～U92元素）， 提出了新的修正函数及新的质量吸收系数，EDS采用XPP定量分 析程序，提高了分析结果的准确度。它还把EDS、WDS及EBSD （电子背散射衍射仪）集成为一体，安装在SEM上，可以同时 完成成分分析、显微织构分析及晶体结构分析。
扫描电镜概述
四川理工学院扫描电镜实验室 2010年10月
主 要 内 容
1 扫描电子显微分析技术的进展 2 电子显微镜的种类 2.1 电子显微镜的种类 2.2 SEM和EDS生产厂家 3 检测原理 4 各种分析功能及其应用 4.1 表面形貌观察和照相 4.1.1 试样要求与制备 4.1.2 分辨率和放大倍数 4.1.3 典型的形貌像（二次电子像） 4.2 背散射电子像观察 4.3 粒度分布测量 4.4 样品成分的定性、定量分析 4.4.1 试样要求 4.4.2 EDS分辨率 4.4.3 定性、定量分析 4.4.4 定性、定量分析示例 4.4.5 EDS定点分析 4.4.6 EDS线分析（线扫描） 4.4.7 EDS面分析（面扫描）
（6）原子力显微镜（AFM）
AFM的工作原理是将一个对微弱力极为敏感的微悬 臂一端固定，另一端的微小针尖与试样表面接触，驱动 针尖在样品表面微区上扫描而成像。 AFM延生于1986年，空间分辨率（横向2nm，纵向 0.01nm）大大超过普通的扫描电镜，能直接观察到物质 表面的原子结构。 在上述的6种电子显微镜中，常看到它们所得照片的 只有TEM、SEM、FEM，最后2种电镜STM、AFM，由 于存在一些问题，使用还不普遍。
TEM要求很薄试样，厚度一般要小于100nm, 制备这样薄 的试样较为困难，样品制备技术要求较高，通常先将样品减 薄到80μm，再用离子减薄到合适厚度(如用离子束轰击样品)。 它的操作维护比较复杂,分析区域小，代表性差。
（2）
扫描电子显微镜（SEM）
这里指使用钨W灯丝或 六硼化镧灯丝作为阴极的扫 描电子显微镜（SEM）。它 的成像原理如前图所示。成 像过程是镜筒内的聚焦入射 电子束(简称电子探针)在试样 表面扫描，激发出各种信号 (如二次电子)，经检测、放大 后，最终在镜筒外的显示器 上形成一幅反映试样表面形 貌、组成及其它物化性能的 扫描图象。
继后，随着电子显微学、探测器技术、图像处理技术的发 展，SEM的性能指标逐渐提高，功能向着多样化趋势发展。 1968年，SEM成分分析开始采用X射线固体探测器，当时的分 辨率仅有500eV。继后它得到迅速发展，分辨率很快提高到小 于150eV。 70年代后期和80年代，SEM的分辨率达到6nm,同时都配备 EDS，对金属、合金元素定量分析的准确度有很大提高。但是 对低含量、轻元素、粗糙表面、颗粒样品成分分析的研究还在 进展中。
3 检测原理
图3.1 高能电子束与固体样品表面的作用
当高能聚焦电子束沿一定方向射入试样表面时，在原子库伦 电场作用下，与样品原子（原子核、电子）之间相互作用，入射 电子方向改变，产生弹性散射和非弹性散射。一部分人射电子从 试样弹性和非弹性反射出来，产生背散射电子信号；另一部分人 射电子激发或电离试样，产生二次电子、特征X射线等信号。如 图3.1所示，轻元素组成的试样，相互作用呈半球形；重元素组 成的试样，这种相互作用区呈梨形（液滴形）。
1 扫描电子显微分析技术的进展
该报告所讲的“扫描电子显微分析技术”，是指使用普通 扫描电子显微镜（SEM）和X-射线能谱仪（EDS）对固体试样 表面微区进行形貌观察、照相和成分分析的技术。 1925年德国物理学家德布罗意提出物质微观粒子的波动论 后， 用电子聚焦成像的学科—电子光学便得到迅速发展。1932 年德国的克诺尔（M.Knoll） 、鲁斯卡（E.Ruska）、吕赫和 约汉森在电子显微镜研制上最先获得成功。1935年克诺尔试制 出简单型的SEM,分辨率仅有100微米。1938年，第一部扫描电 子显微镜由冯.阿登纳（Von.Ardenne）发展成功。1942年兹维 礼金（Zworykin）、希利尔（Hillier）、斯奈德（Snyder）对 此进行改进，研制出分辨率为50nm的SEM。40年代，日本和 美国科学家在SEM的研制上也取得很大进展。
（5） 扫描隧道显微镜（STM）
STM是1981年发展起来，86年获诺贝尔奖。可获得物 质表面的原子实空间映像，能够观察试样表面上原子的 排列状况。其原理是用直径为几个原子的针尖在试样表 面扫描，计算机记录针尖的高低起伏，即表面原子之间 的距离及结构，然后显示出试样的表面图像。
放大倍数达1～3000万倍，纵向分辨率达0.01nm，横 向分辨率0 .1～0.2nm。试样在大气中操作，表面百度文库需处理， 可以获得样品表面的三维形貌象。用于高倍率表面形貌 观察，测量特征尺寸可以从原子间距到100微米，还能测 量表面其他性能，是nm材料研究的重要手段。它不能进 行成分分析，有假象。北京中科院化学所用STM直接观 察到DNA的多种变异结构。
（3） 场发射电子显微镜（FEM） 它与普通SEM的主要差别是产生电 子源的阴极，其它方面则完全相似。 其阴极形状为杆状（如右图所示）， 前端有直径约100nm的尖点。分辨率在 原子尺度上，一般为1～2nm，所得图 像清晰度大大优于SEM，它在高倍率 十几万倍下照相，就象普通SEM在几 千倍下照相那么容易。对于纳米材料 的研究非常方便，但是造价贵，对供 电电源、环境洁净度、真空度要求高 （10-9 ～10-10 torr），运行成本高。
2.2 SEM和EDS生产厂家
目前，进入中国市场的电镜厂家主要有：日本电子公司 JEOL、日立HITACHI。日本电子公司近几年推出的JSM6490LV， JSM6360LV高/低真空扫描电镜；FEI/PHILIPS公司的 QUANTE环境扫描电镜；日立公司 HITACHI的S3400N和岛津 公司的SSX-550扫描电镜，对非导体样品分析时，不用喷碳和溅 射金属，便可直接观察和进行能谱分析，实现了样品自然状态分 析的目标，保证了成份分析的准确性。这些扫描电镜都有大的样 品室，可对150～200MM直径的样品直接观察，使得样品在线分 析、原位分析成为可能。
1953年剑桥大学的麦克马伦（Mcmullan）制成新的SEM， 后经史密斯（K.C.A.Smith）改进，于1958年为加拿大制造出1 台高质量的SEM。自此以后，SEM才成为一种有用的研究工具。 历经30多年岁月，第一批商品化的SEM于1965年在英国剑桥仪 器公司诞生，当时分辨率为25nm，使SEM的研发达到高潮。 1966年 ，日本电子株式会社JEOL也发表了第一部商用 SEM(JSM-1)。1986年电子显微镜的创制者鲁斯卡(E.Ruska)教 授，获得了诺贝尔物理学奖。
(4) 电子探针显微分析仪(EPMA) 电子探针显微分析仪(EPMA)，也称分析电镜，六十年代便 得到迅速推广和应用。最初是以电子束为探测源来分析样品中 微区化学成分的，一般配备波谱仪（WDS）。从历史上看，它 和SEM是作为不同的仪器分别发展起来的；然而现在，从仪器 构造、分析原理和功能上讲，它们并无本质上的区别,实际上它 们很相似。 最近的发展，EPMA也具有SEM的图象观察、分析功能， 也可配备EDS；SEM配备WDS后，也具有EPMA的成分分析功 能，即在一台EPMA或SEM上，都可以同时配备WDS、EDS、 电子背散射衍射仪（EBSD）等。
目前它的分辨率约3～6nm, 放大倍数一般为几倍到几十 万倍，要求的真空度为10-5～10-6 torr，使用的加速电压为 0.2KV～30KV，可以观察固体块、粉末样品表面的形貌， 通常与 X-射线能谱仪EDS相组合，用以分析物质成分。它 的应用最为广泛，发展最为迅速。
据知，目前欧洲电镜厂家可以在SEM上配置透射电子检 测探头，从而具有TEM的功能，不过由于受加速电压的限 制（最大40KV）,这种TEM的功能仅适于生物、有机物样品。
近几年EDS探测器由锂漂移硅变为硅漂移SDD,从而探头的冷 却就可以完全不用液氮。近年来还有人对超轻元素(Z<10) 的定量 分析方法进行研究，以提高定量结果的准确度。
进入21世纪，世界上著名的SEM制造厂家，生产出的SEM全 部由微型计算机控制，实现了全自动化。同时，为了适应含水生 物样品、不导电样品的检测，又推出了环境扫描（ESEM）或可 变压力的低真空SEM，与常规SEM相比，其主要不同是样品室可 以处于低真空，使压力在一定范围内调整。 当今，扫描电子显微分析技术，使得同时进行显微组织观察、 微区成分分析和晶体学研究成为现实，所以它已成为材料表面微 区（微米或纳米范围，甚至原子尺度）分析研究的重要工具，有 人讲它是材料科学的三大支柱（电子理论，晶体缺陷理论和电子 显微分析技术）之一。
扫描电子显微分析仪器就是指将聚焦很细的电子束打到试 样待测的一个微小区域上，用不同检测器检测这些信号，加以 收集、整理和分析，得出材料的微观形貌、结构和成分等有关 信息的仪器。 二次电子：进入样品表面的部分一次电子，激发试样中原 子的外层电子，使之产生电子激发，并将其轰击出来，这些轰 击出来的电子就称为二次电子，其发射深度约为样品表面的5～ 10nm，这个发射二次电子区域和入射电子束的直径相当，样品 中入射电子的扩散对图像影响较小，所以，二次电子像（SEI） 的分辨率较高。二次电子像的衬度主要取决于样品表面的形貌 状态，二次电子的产额与表面元素组成无关。