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1、扫描电子显微镜 SEM,（Scanning Electron Microscope）,材料科学与工程学院,2014-12,1.SEM发展史,2.电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号,3.SEM的结构和工作原理,4.SEM的主要性能参数,6.样品的常规处理方法,7.扫描电镜的优点,5.图像衬度,SEM是继TEM之后发展起来的一种电子显微镜，电镜发展史，是以透射电镜为主线，扫描电镜为辐助，因此扫描电镜的发展阶段和透射电镜有许多相同重合之处。,1.SEM发展史,SEM发展史,光学显微镜发展史,TEM发展史,需要知道的几个重要的分辩率,1.人眼：,2.光学显微镜：0.2m,3.电子显微镜：0.2
2、nm,在25cm明视距离内，可分辨相距0.2mm的两个物体。,光学显微镜发展简史,单式镜,放大率几十倍,物镜镜口角,要想提高放大率，镜片焦距必须很短，镜片必须很小。,镜片直径2-4mm,放大100-300倍,复式显微镜,用两片镜片排成一列，逐次放大物体的方法，因为用到多个透镜，所以叫“复式”。,伽利略显微镜,物镜结构,放大倍数越高，视野越暗,1878年 阿贝-瑞利指出光学显微镜分辨本领受到光波衍射的限制，给出了光学显微镜分辨本领极限公式。,光学显微镜的放大倍数可以无限地增大？,D为恰能分辨两个物点的距离，为波长，N为物质间介质的折射系数，物镜镜口角。,可见光的波长范围：390760nm相应的光
3、色：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。,点光源经过光学仪器的小圆孔后，由于衍射的影响，所成的像不是一个点，而是一个明暗相间的衍射图样，中央为爱里斑。,光学显微镜的放大倍数也已达到了理论的极限，显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半自然光的平均波长为0.55m，所以分辨率能达到0.275 m，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。,若想继续提高光学显微镜的分辨率，必须缩短光波的波长，唯一的办法是让光跑得更快 这显然不可能。,质的飞跃发生在1924年。32岁的德布罗意证明任何粒子在高速运动的时候都会发射一定波长的电磁辐射，其辐射波的波长与粒子的质量和运动速度成反比，公式表示如下：,如果
4、高速运动的粒子是电子，那么，电子在真空中的运动速度和加速电压有关，根据能量守恒定律，可以得到：,电子波长与加速电压V对应表：,这种随加速电压改变的电子波长叫做德布罗意波，为电镜的研制打下基础。,5年后，为他赢得了诺贝尔物理学奖，自此开创博士论文获得诺奖的先河；而它对显微镜最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子为何能像光子一样做显微镜的“光源”；利用德布罗意公式可以算出，电子的速度能被电场加到特别大时，其波长能缩小到可见光波长的1/100000。如果用电子做“光源”，那么显微镜分辨率则可以本质性地提高。,但仅有电子流辐射波还不行，因为没有解决电子流聚焦成像的问题。,1926年，德国科学家G
5、arbor和Busch发现用铁壳封闭的铜线圈对电子流能折射聚焦，即可以作为电子束的透镜。,图为一台1933年制作的电镜，电子在1米多高的金属柱中加速，继而被汇聚在一些小网格样品上，将小格放大了14.4倍。,它却标志人类首次以电代光“照”出了物体的影像。,执行这项工程的德国科学家卢斯卡也因此在55年后被颁予诺贝尔奖。,透射电镜的工作原理图,电子透镜起到了和光学透镜相似的作用，将电子聚集成电子束。,在研究透射电镜的同时，人们发现，高速的电子束打到物体上时，会产生各种与试样性质相关的电子信号，收集处理这些电子信号成像，就得到了SEM图像。,SEM的成像原理和光学显微镜或透射电子显微镜是不同的，,2.
6、电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号,SEM的成像信息来自电子与物质的相互作用而产生的各种信号，因此首先讨论电子与物质的相互作用。,具有高能量的入射电子束与固体物质表面的原子核或核外电子发生作用，产生如图所示的物理信号。,2.1背散射电子（Backscattered Electron，BE）,背散射电子指被固体样品中原子核“反弹”回来的一部分入射电子。背散射电子来自样品表层几百nm的深度范围，由于它的产额随原子序数的增加而增加，所以BSE图像不仅可作形貌分析，而且可定性地用作成分分析。,背散射电子主要用于扫描电镜成像，其特点：1.对样品物质的原子序数敏感 2.分辨率及信号收集率较低,由背
7、散射电子作为信号所成的扫描电镜图像，其特点：1.对样品物质的原子序数敏感 2.分辨率及信号收集率较低,2.2二次电子(secondary electron,SE),二次电子是指被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，因此，外层的电子比较容易和原子脱离。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，即二次电子。,二次电子来自固体表面5-10nm的区域。它对试样表面状态非常敏感，即二次电子的数量与电子束与表面的夹角有关，如果表面凹凸不平，就会产生不同的二次电子数量，二次电子的数量不同，在荧光屏上黑白程度是不同的，从而造成反差(衬度)，
8、能有效地显示试样表面的微观形貌。所以二次电子是扫描电镜的成像的主要信号。,二次电子的分辨率较高。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，所以利用二次电子成像虽具有较高的分辩率，但不能对物质做定性分析。,2.3 特征X射线（charactreristic X-ray）,从原子物理学知道，原子内的电子按鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），依次记为：K、L。越靠近原子核，能量越低，稳定性也越强（电子束缚能越高）。,当外来电子的能量足够高（如大于K层电子的电子束缚能），则K层的一个电子被击飞，从而使原子处于不稳定状态（激发态）。,激发态是不稳定态
9、，必然自发地向稳定态过渡。,方法之一：较高能量的L层电子向K层跃迁。,=hc/E,在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于K层与L层的能级差 即：EELEKh,方法之二：更高能级的M层向K层跃迁。,EEMEKh=hc/E,显然,由于K层电子缺失，电子跃迁形成的X射线称K系X射线，即K。,X射线的波长为：,对于每一元素，EK EL都有确定的特征值，所以发射的X射线波长也有特征值，这种X射线被称为特征X射线。,X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：,可以看出原子序数和特征能量之间是有对应关系的，利用这一对应关系可以进行成分分析。,这就是X能谱分析（Energy Dispersive Sp
10、ectrometer,EDS）的理论基础。,2.4俄歇电子（Auger electron）,如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离电子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。,俄歇电子的能量为几百eV至几个keV，它们只能从很靠近表面的地方逸出，故俄歇电子能给出表面的化学信息.利用俄歇电子做表面分析的仪器称为俄歇电子谱仪（AES）。表面的氧化与污染会妨碍俄歇电子谱的分析，AES必须在超高真空（UHV）下工作.,俄歇电子的能量与电子所处的壳层有关，故俄歇电子也能给出元素的信息，俄歇电子对轻元素敏感（X射线对重元素敏感）,特点 1.适
11、用于分析轻元素及超轻元素 2.适用于表面薄层分析,除了以上常见的四种信号外，固体样品还会产生阴极荧光、吸收电子、透射电子、电子速感应效应和电动势等信号，这些信号经调制后也可以用于专门的分析。,各种信号产生的深度：,二次电子成像的特点：,1.分辩率和信号收集率高，其分辩率可达到5-10 nm.,2.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.,3.通常不包含与元素有关的信息,3 SEM的结构和工作原理,3.1 SEM的结构,电子光学系统,信号收集与显示系统,真空与电源系统,（1）电子光学系统（镜筒）,（2）信号收集和显示系统,（3）真空系统和电源系统,电子枪,其作用就是利用阴极与阳极
12、灯丝间的高压，产生高能量的电子束。相当于照明光源。,W灯丝作为电子源，其电子束相干性差，交叉点尺寸大，照明亮度弱。LaB6 电子束相干性差和照明亮度大大优于W灯丝,作为电子源的材料主要有W灯丝、LaB6、和场发射电子枪（FEG）,将细钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧，热电子会汇集成电子束流向阳极，若在阳极板中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出。,电子枪是电子束的产生系统,(a)W灯丝电子枪示意图,电子交叉点也就是光源尺寸越小越好，场致发射电子交叉点尺寸远远小于W灯丝或LaB6电子枪。,(b)场致发射电子枪示意图,电磁透镜,其作用是把电
13、子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来直径约50微米的束斑缩小至一个只有数nm的细小束斑。,一般由三个聚光镜组成，前两个是强透镜，用来缩小数斑直径。第三个是弱透镜，具有较长的焦距，便于是样品室中放入大的物体。,扫描线圈,作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。,样品室,不同的机器型号，样品室的大小不一样。,样品放置在样品台上，根据需要，样品台可沿X、Y及Z三个方向平移，以及在水平面内旋转或沿水平轴倾斜。,样品室内除了放置样品外，还放置各种信号检测器，信号的收集效率与检测器的安放位置有很大关系，如放置不当，就可能收不到信号或收集效率不高。,X,Y,Z,水平旋转,倾
14、斜,（2）信号收集和显示系统,二次电子或背散射电子等可以用闪烁计数器进行检测。闪烁计数器由闪烁体、光导管和光电倍增管组成，当信号电子进入闪烁体时，产生光子，光子沿没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大，后又转化成电流信号输出。,由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，而检测器接收的信号强度随样品表面状态不同而变化，从而，由信号检测系统输出的反映样品表面状态特征的调制信号在图像显示系统中，转化成一幅与样品表面特征一致的扫描图像。,（3）真空和电源系统,真空泵有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置
15、钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。,之所以要用真空，主要基于以下两点原因：1.电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效2.避免空气中气体分子和高速电子碰撞，影响电子束形状。,3.2 工作原理,由最上边电子枪发射出的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，经电磁透镜会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。电子束在扫描线圈控制下在样品表面扫描，电子束与样品作用产生的各种信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。,由接收器上接收的电流与显像管相应的亮度一一对应，也就是说电子束打到样品上一点时，在显像管荧光
16、屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是采用这种逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，转化成为放大的视频信号，完成扫描图像。,4 像衬（图像衬度）,图像衬度主要基于样品微区诸如表面形貌、原子序数、晶体结构等存在差异，入射电子与之相互作用，产生各种特征信号，其强度存在着差异，最后反映到显像荧光屏上的图像就有一定的区别。正是由于图像上不同区域衬度的差别，才使得材料微观形貌分析成为可能。,不同的电子信号，其衬度特点是不一样的。,二次电子的图像衬度：主要是表面形貌衬度,背散射电子的图像衬度：主要是原子序数衬度,表面形貌衬度,由于二次电子的发射是入射电子碰撞样品的核外电子，使原子外层电子受激发而电离出来的电子，
17、且电子在逸出样品表面之前又和样品进行多次散射，所以只有在样品浅层几纳米到几十纳米左右深度的区域产生的二次电子才能逸出表面，被探测器收集到。因此，电子束的入射角将影响二次电子图像衬度。,垂直时二次电子逸出区域最小，二次电子发生量最少（最暗）。,倾斜角越大，二次电子逸出区域越大，二次电子量越多（亮度大）。,为什么SEM图像中，样品的边缘、突起的部分很亮，而凹坑的区域很暗？,即二次电子的产率主要取决于电子束的入射角,原子序数衬度,原子序数高的元素被激发的背散射电子多，原子序数低的元素相对则少，因此，在同等条件下，前者图像明亮，这种现象称为原子序数效应。,5 SEM的主要性能参数,5.1放大倍数（ma
18、gnification）,入射电子束做光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度为As，在显光屏上阴极射线同步扫描的幅度为Ac，则放大倍数表示为：,目前商品化的SEM的放大倍数可以从20倍到20万倍之间连续调节。,荧光屏的尺寸 是不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在样品表面的扫描幅度As来实现。,5.2 分辨率(resolution),分辨率是SEM最主要的性能指标。对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离,SEM的分辨率取决于入射电子束直径，直径越小，分辨率越高，但分辨率并不直接等于入射电子束直径。因为电子束在样品内的有效激发范围大大超过入射电子束直径。,SEM的分辨率除受电子束直
19、径和调制信号类型影响外，还受样品原子序数、杂散磁场、机械震动等因素的影响。,5.3 景深(depth of field/depth of focus),景深是指透镜对高低不平的样品各部位能同时聚焦成像的能力范围，这个范围用一段距离表示。,如果景深为Ds，只要样品表面高低范围值小于Ds，则在荧光屏上就能清晰地反映出样品的表面形貌。,如果景深大，则图像的立体感强。,6.样品的常规处理方法,应用SEM观察各种材料的微细结构和形貌，已成为各信领域研究工作的重要手段，要取得满意的观察效果，除了要熟练掌握仪器操作技术外，还必须了解样品的性质、特点，掌握样品的制备技术。,SEM应用的学科广泛，样品种类多，其
20、制备方法差异很大。,取样,清洗,干燥,固定,表面处理,对待测试样品的要求,6.1 研究样品必须彻底干燥,SEM必须在真空状态下才能正常工作，含水量高的样品在真空的镜筒中将造成以下结果：,（1）水蒸气遇高能电子流，产生电离而放电，引起束流大幅波动，使图像模糊，出现雾状，甚至不能成像。,（2）造成物镜、镜头、光阑等的污染,（3）损坏灯丝,灯丝温度高达2800K，碰到水蒸气而氧化变质甚至熔断,（4）大多数含水样品在高真空中，因水分的挥发，易发生形态损伤，使研究特征皱缩、变形。,必须对样品进行彻底干燥，在干燥中要尽可能减小样品表面形貌的变形，这是一项极其困难的工作。,其干燥方法不断改进，原始的：自然干
21、燥，烘干干燥，冷冻干燥，真空干燥，到现代的临界点干燥。其目的：除去水分，将变形控制在一定的范围内。,临界点干燥的原理图,在密闭容器中的液体在临界温度以上时，有气液界面消失的现象，临界点干燥就是利用这种现象。,6.2样品表面导电,电子束打在样品表面，如果样品不导电或导电性较差，会在样品上聚集电荷，产生放电，不能成像或损伤样品。,对不能导电的样品必须进行导电处理：即给样品喷镀一层金属膜。,需喷金处理是否会掩盖样品表面形貌？,关键在于膜的厚度：太厚会影响微细结构的分辨；太薄，达不到喷金效果。一般膜的厚度控制在1020nm之间。,在实际操作中，不仅导电性不好的样需喷金处理，一些样品是由碳、氢、氧、氮、
22、钾、钠等原子序数较低的元素组成的，这些样品在测试前也需喷金处理。因为这些轻元素组成的样品不易被激发出二次电子，其成像的质量较差。,金属镀膜的方法有多种，而最常见是离子溅射喷镀,离子溅射仪：,离子溅射仪的工作原理：,在低气压系统中，气体分子强电场作用下电离成正离子和电子。正离子飞向阴极，电子飞向阳极，二电极之间形成辉光放电。,在辉光放电过程中，具有一定动能的正离子撞向阴极，使阴极表面的原子被逐出，称为溅射。,拟喷镀的金属板为阴极，样品台为阳极，在一定真空条件下，加高电压，两极间形成等离子区，正离子轰击阴极溅射出的金属粒子，由于金属粒子的弹出方向是随意的，它和残余气体分子碰撞，从各个方向均匀地落到
23、样品表面上，完成镀膜过程。,离子溅射喷镀的优点：,（1）气体离子撞击下的金属颗粒小，镀膜细腻。,（2）阴极撞击出的金属粒子带负电荷，置于阳极上的样品表面各部位正电位相同，所以镀膜均匀，没有死角。,（3）镀膜的厚度容易控制。通过控制喷镀的电流强度，喷镀的时间长短来控制膜的厚度。,镀膜材料的选择：,在SEM中最常用的镀膜材料是金，其理由：,（1）金的化学稳定性好，不易发氧化；喷镀到样品表面也不易和样品材料发生反应。,（2）金的二次电子发射效率高。,SEM中另一种常用的镀膜材料是合金，如Au-Pd合金。,实践证明，金镀膜厚度超过10nm时，会形成数十纳米尺寸的粒状结构，这种人为结构会影响材料的真实形貌观察。而靶材选用合金Au-Pd可以克服上述缺点。,7 扫描电镜的优点,（1）仪器分辨本领高。二次电子像分辨本领可达7-10nm。,（2）放大倍数变化范围大，从几十倍到几十万倍且连续可调。,（3）图像景深大，富有立体感。可直接观察样品的粗糙表面。,（4）试样制备简单。,（5）可做综合分析。如SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称波谱仪）或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称能谱仪）后，在观察表面图像的同时，可对试样微区进行元素分析。特别是在加装不同类型的样品台后，还可观察样品在不同环境（加热、拉伸、冷却）中，样品形貌的动态变化过程。,
