06材料的形貌分析SEM

• 因此，二次电子象的衬度信息来自与三个生成因素。
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1. 图a为入射电子束直径和主二次 电子的产生关系； 2. b则为反射电子和X射线激发产 生的二次电子区域说明图；
3. c为主二次电子，反射电子和X 射线激发产生的二次电子等三因 素的分布状态图；
4. d为发出的二次电子信息的分布 图。 5. 从图d可见，虽然反射电子和X 射线产生的二次电子信号也比较 强，因为分布平坦，可以把它当 做背底处理，这样二次电子束的 直径就很小，使得二次电子象具 有很高的分辨率。
• 表示了反射率与原子序 数的关系。 • 从图上可见，反射率随 着原子序数的增加而增 加，但不是线形关系。 • 不同的元素同样可以提 供背反射的衬度信息
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3．成分衬度 背散射电子产额与原子序数关系: 当Ep = 20keV以下，则 η = -0.0254 + 0.016Z -1.86×10－4Z2+8.3×10－7Z3 设有两平坦相邻区域，分别由Z1 和Z2 纯元素组成， 且 Z2 > Z1 则衬度 C = = S 为检测信号强度 为背散射电子强度
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二次电子电子象
• 在扫描电镜中主要利用二次电子的信息观察样品的表面 形貌。 • 二次电子的能量一般在 50eV以下，并从样品表面 5～10 纳米左右的深度范围内产生，并向样品表面的各个方向 发射出去。 • 利用附加电压集电器就可以收集从样品表面发射出来的 所有二次电子。被收集的二次电子经过加速，可以获得 10keV左右的能量。 • 可以通过闪 器把电子激发为光子，最后再通过光电倍 增管产生电信号，进行放大处理，获得与原始二次电子 信号成正比的电流信号。
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三种显微镜比较
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分辨率影响因素
• 由于电子束的波长很短，理论上电镜可以达到 很高的分辨率 ； • 在光学显微镜中决定分辨率的是光的波长 ，象 差不是主要原因； • 在电子显微镜中，波长已经不是决定性因素 ；
• 而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差 和衍射差是主要因素 ；
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入射角关系
1. 垂直于样品表面入射一次电子时，样品表面所 产生的二次电子的量最小。随着倾斜度的增加， 二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的 强度分布反映了样品表面的形貌信息。 2. 由于在样品表面存在很多的凹叠面，到处存在 30～50度的倾斜角，因此，在电镜观察时不一 定需要将样品倾斜起来。但在观察表面非常光 滑的样品时，则必须把样品倾斜起来。 3. 在扫描电镜分析时，一般倾斜角不大于45度， 过大的倾斜角会使样品的聚焦困难，并观察不 到被阴影部分遮盖的部分。
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样品成份的差异
• 二次电子的产量与样品表面 元素的原子序数有关。 • 因此，虽然样品表面很平坦， 但元素成份不同就可以产生二 次电子象的衬度。 • 因此，在观察绝缘样品时，在 样品表面蒸发一层重金属比蒸 发轻金属可获得更好的二次电 子象。 • 利用扫描电镜的景深大以及衬 度与形貌的关系，可以通过多 张照片观察样品的立体形貌。
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充电现象
1. 当样品的导电性差时，在 样品表面可以积累电荷， 使表面产生电压降，入射 电子的能量将发生变化， 同时二次电子的产率也可 以发生变化。 2. 充电过程可以在样品表面 形成电场，不仅影响电子 束的扫描过程，还会改变 图像的亮度，对二次电子 象产生严重影响。
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二次电子象的衬度
1. 二次电子象的衬度是由样品中电子束的入射 角，样品表面的化学成份以及样品和检测器 的几何位置等因素所决定的。 2. 衬度： (对比度，是得到图象的最基本要素) 3. S为检测信号强度 4. 分别介绍如下。
Smax Smin C Smax
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二次电子象的分辨率
• 在扫描电镜中形貌象的信息主要来自二次电子象。一 般来说，二次电子象的信息来自于样品表面下5～10纳 米的深度范围。 • 产生区域大小则是由辐照电子束的直径以及二次电子 能发射到表面深度下电离化区域大小所决定。 • 此外，由发射电子和X射线激发所产生的二次电子原则 上也应该包括进去。
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1. 在扫描电镜中，由电子激发产生的主要信号的信息深度： 2. 俄歇电子 1 nm (0.5-2 nm)；二次电子 5-50 nm 3. 背散射电子 50-500 nm；X射线 0.1-1μ m
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各种信息分辨率比较
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材料分析化学 第6 讲
材料的形貌分析
朱永法 清华大学化学系
形貌分析简介
• 材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主 要分析材料的几何形貌，材料的颗粒度以及颗 粒度的分布等方面。 • 扫描电子显微镜 • 透射电子显微镜 • 扫描隧道显微镜 • 原子力显微镜
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扫描电镜分析
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样品表面与检测器的位置关系
1. 因为面对检测器表面的 电子更容易被检测器检测， 因此，直接面对检测器的 样品表面的二次电子象总 是比背着检测器的表面亮。 2. 如图8所示。这也是显微 镜形成象衬度的重要因素。 3. 此外，形成象衬度的主要 因素还有样品表面电位分 布的差异等。
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吸收电子象
• 样品表面的吸收电子的电流等于入射电子电流 减去反射电子和二次电子的电流。 • 吸收电子象的衬度的明暗正好与发射电子象中 的衬度相反。 • 此外，吸收电子象中同样也包含了样品的表面 化学成份和表面形貌信息。 • 对吸收电子的检测没有专门的检测器，主要是 对流经样品中的电流进行放大测量。通过改变 透镜激磁的大小能使吸收电流在10－6～10－2A 之间变化。
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背散射电子象
• 1．形貌衬度 • △ 倾角因素： – 背散射电子产额 η=Ib/Ip – η随倾角θ增加而增加，但不精确满足正割关系 • △ 方向因素： 背散射电子在进入检测器之前方向不 入射束与背散射电子的方向关系
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原子序数影响
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二次电子象与背散射电子象的比较
二次电子象 背散射象
主要利用 收集极 分辨率
形貌衬度 +250－500V 高 无阴影 信号大，信噪比好
成分衬度 －50V 较差 有阴影
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象散主要来自于透镜磁场的不对称性。而磁场 的不对称起因主要有极 内部污染，机械不对称 性等因素，可以通过附加磁场的电磁消象散器 来矫正。 • 球差是由于电子透镜中心区域和边缘区域对电子 会聚能力不同所产生的。 • 球差与透镜的性质有关，但难以通过校准的方法 进行补偿，对分辩本领的影响最大。
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吸收电子象
• 由于样品表面的平均原子序数不同而吸收率也 不同，一般元素越轻，其图像的亮度越亮。
• 如果样品表面不平时，吸收电子象中出现明暗 不同的亮度。在凹面部分增加吸收电流，其亮 度就大。
色差
• • 色差是电子的能量不同，从而波长不一所造成的，色差则是因电子波 长差异所引起的。 电子透镜的焦距随电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿着 不同的轨道运行，产生满散的圆斑。色散斑点大小与电子的能量变化 率成正比。
•
色差主要来自加速电压的波动和非弹性散射的能量损失。使用小孔径 光阑可以屏蔽散射角大的非弹性散射电子束，减少色差。
• 对成份均匀但表面不平的样品，当AB两个信号检测器的 信号相加为零时，其信号相减信号成倍，这时获得的反 射电子象只具有形貌的信息，而不包含成份的信息，因 此可以获得形貌象。
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元素像
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形貌信息
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背反射电子象
• 反射电子象中包含有元素的化学成分和表面形 貌的信息。 • 反射电子象与样品材料的原子序数有很大关系。 由于重元素的反射率大，图像的亮度也高，反 之轻元素的发射率小，图像也就暗。 • 此外，反射电子象也与样品表面的形状有很大 关系。突起的部分就亮，凹下去的部分则由于 反射电子的数量少，呈暗影。原则上反射电子 的强度越大，则反射电子象的分辨率将降低。
• 当加速电压为100 kV时，电子的波长仅为0.0037nm ；当 E = 30KeV 时, λ≈ 0.007nm
• 电子显微镜可以获得很好的高分辨率图像，0.5nm；
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显微镜的工作原理
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基本原理
SEM是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的某种物理 信号来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成 象的显微镜。
当Z1、Z2原子序数相邻， 则衬度很低
当Z1、Z2原子序数相差 远，则衬度很高
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背反射电子象
• 一般反射电子象直接 采用二次电子象的电 子检测器，或使用p－ n结半导体器件检测器。 • 由于反射电子具有很 高的能量，因此在利 用二次电子检测器进 行检测时，不需要对 电子实行再加速。
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二次电子强度与入射角的关系
△ δ∝ 1 / cosθ θ为入射电子束与样品法线的夹角 △ 尖、棱、角处δ增加 沟、槽、孔、穴处δ减小
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二次电子信号与角度关系
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• 扫描电子显微镜是最常用的显微形貌分析仪器 之一 。 • 二次电子象 • 背散射电子象 • 吸收电流象 • 透射电子象等信息 • 粒度分布分析 • 微区元素组成分析等
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基本知识
• 由于可见光波的波长在500nm左右，其衍射效应使得光学 显微镜的分辨本领不能小于200nm。 • 显微镜的分辩本领：d＝0.61×λ/（nsinα），由此可见显 微镜的分辩本领与光的波长成正比。当光的波长越长， 其分辨率越低。只有采用比较短的波长的光线，才能获 得较高的放大倍数 • 电子波 λ＝（1.50/E）1/2 nm。
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衍射差
• 衍射差是由电子束的波动性而产生的象差，主要由透 镜的有效半径决定。 • 在电镜中对分辩本领起决定作用的是球差，象散和色 差。
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表面电子信息
• 当高速电子照射到固体 样品表面时，就可以发 生相互作用，产生一次 电子的弹性散射，二次 电子，等信息。 • 这些信息与样品表面的 几何形状以及化学成份 等有很大的关系。 • 通过这些信息的解析就 可以获得表面形貌和化 学成份的目的。
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背散射电子象
• 高能入射电子在样品表面受到弹性散射后可以 被反射出来，该电子的能量保持不变，但方向 发生了改变，该类电子称为反射电子。
• 入射电子数与发射电子数的比称为反射率。 • 进入检测器的发射电子数目还与样品表面的倾 斜角度有关。 • 反射电子象具有样品表面的化学成份和形貌的 综合信息。信息深度是0.1～1微米。
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球差原理
球差
• 球差是由于电子透镜中心区域和边缘区域对电子 会聚能力不同所产生的。
• 球差与透镜的性质有关，但难以通过校准的方法 进行补偿，对分辩本领的影响最大。
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像散
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像散原理
•
•
几何象差是由于实际电子轨道并不符合光程相 等原理所引起的。
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形貌与元素象的分离
• 利用两个p-n结器件检测器和运算电路，可以分离反射电 子的元素成份象和表面形貌象。 • 对于表面平坦而原子序数不同的样品，如果A和B检测器 的信号相减，其总信号等于零，则A和B信号相加倍增， 此时获得的反射电子象仅含有元素成份的信息，可以得 到成份象，而形貌象不出现。