第13章扫描电镜

1、 131 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 132 扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜的构造和工作原理 133 扫描电子显微镜的主要性能扫描电子显微镜的主要性能 134 表面形貌衬度原理及其应用表面形貌衬度原理及其应用 135 原子序数衬度原理及其应用原子序数衬度原理及其应用透射电镜的成像透射电镜的成像电子束穿过样品后获得样品电子束穿过样品后获得样品衬度的信号（电子束强度），利用电磁透镜（三级）衬度的信号（电子束强度），利用电磁透镜（三级）放大成像。放大成像。扫描电镜成像扫描电镜成像利用细聚焦电子束在样品表面利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各

2、种扫描时激发出来的各种物理信号物理信号来调制成像的。来调制成像的。 扫描电镜（扫描电镜（SEM）的用途：）的用途： 断口形貌分析、金相表面形貌观察；断口形貌分析、金相表面形貌观察； 微区成分定性分析（和电子探针结合）；微区成分定性分析（和电子探针结合）； 材料变形与断裂动态过程原位观察。材料变形与断裂动态过程原位观察。 分辨率：分辨率：1nm以下（二次电子像）；以下（二次电子像）； 放大倍数放大倍数：数倍：数倍20万倍左右。万倍左右。高能电子束与样品作用产生各种信息：高能电子束与样品作用产生各种信息：二次电子、背散射电子、二次电子、背散射电子、吸收电子、特征吸收电子、特征X射线、射线、俄歇电子

3、、透射电子等俄歇电子、透射电子等。 一一. 背散射电子背散射电子 产生产生：背散射电子是被固体样品中原子反弹：背散射电子是被固体样品中原子反弹回来的一部分入射电子。回来的一部分入射电子。 包括包括：弹性背散射电子弹性背散射电子被样品中被样品中原子原子核核反弹回来的入射电子，能量基本没有损失，反弹回来的入射电子，能量基本没有损失，能量很高。能量很高。 非弹性背散射电子非弹性背散射电子被样品中被样品中核外核外电子电子撞击后产生非弹性散射的入射电子，方撞击后产生非弹性散射的入射电子，方向和能量均发生改变，经多次散射后仍能反向和能量均发生改变，经多次散射后仍能反弹出样品表面的入射电子。弹出样品表面的入

4、射电子。 特点特点：背散射电子来自样品表层：背散射电子来自样品表层几百纳米几百纳米的的深度范围，其产额能随样品原子序数的增大深度范围，其产额能随样品原子序数的增大而增多。而增多。 作用作用：不仅能做形貌分析，还可定性作成分：不仅能做形貌分析，还可定性作成分分析。分析。 二二. 二次电子二次电子产生产生：入射电子束轰击出来并离开样品表面的：入射电子束轰击出来并离开样品表面的 样品中的核外电子样品中的核外电子。2. 特点特点： 能量较低（能量较低（50eV）；）； 一般在一般在表层表层510nm深度范围内深度范围内 发射出来，对样品表面形貌非常敏感。发射出来，对样品表面形貌非常敏感。3. 作用作用

5、：样品表面形貌分析。：样品表面形貌分析。 三三. 吸收电子吸收电子1. 产生产生：入射电子入射电子多次非弹性散射后能量消失，多次非弹性散射后能量消失， 最后被样品吸收。最后被样品吸收。 入射电子被样品吸收后也会产生电流强度。入射电子被样品吸收后也会产生电流强度。入射电子的电流强度入射电子的电流强度=（无透射电子时无透射电子时）逸出表面的背散射电子的电流逸出表面的背散射电子的电流强度强度+二次电子电流强度二次电子电流强度+吸收电子的电流强度吸收电子的电流强度特点特点：样品中原子序数较大的元素产生的背散射：样品中原子序数较大的元素产生的背散射 电子的数目较多，相反，吸收电子的电子的数目较多，相反，

6、吸收电子的数量数量 就较少；反之亦然。就较少；反之亦然。因此，吸收电子因此，吸收电子也可也可 反映原子序数衬度，可进行定性微区反映原子序数衬度，可进行定性微区成分成分 分析。分析。3. 作用作用：定性微区成分分析。：定性微区成分分析。 四四. 透射电子透射电子产生产生：如果被分析的样品很薄，则有一部分入射：如果被分析的样品很薄，则有一部分入射 电子穿过薄样品而成为透射电子。此时，电子穿过薄样品而成为透射电子。此时， 入射电子强度（入射电子强度（i）=背散射电子背散射电子i+二次电子强度二次电子强度i+吸收电子吸收电子i+透射电子透射电子i 特点特点： 只有样品的厚度小于入射电子的有效只有样品的

7、厚度小于入射电子的有效穿入深穿入深 度时，才会产生。度时，才会产生。 随样品厚度增加（质量厚度随样品厚度增加（质量厚度t），透），透射电子数目减小，吸收电子数量增加，当样品射电子数目减小，吸收电子数量增加，当样品厚度超过有效穿透深度后，无透射电子。厚度超过有效穿透深度后，无透射电子。3. 作用作用：配合电子能量分析器来进行微区成分分配合电子能量分析器来进行微区成分分析。析。 五五. 特征特征X射线射线产生产生：当入射电子的能量足够大，使样品原子的内：当入射电子的能量足够大，使样品原子的内 层电子被激发或电离，此时外层电子向层电子被激发或电离，此时外层电子向内层内层 跃迁以填补内层电子的空位，从

8、而辐射跃迁以填补内层电子的空位，从而辐射出具出具 有原子序数特征的特征有原子序数特征的特征X射线。射线。2. 特点特点：反映了样品中原子序数特征。：反映了样品中原子序数特征。3. 应用应用：微区成分分析（元素）。：微区成分分析（元素）。 六六. 俄歇电子俄歇电子产生产生：入射电子激发样品的特征：入射电子激发样品的特征X射线过程中，外射线过程中，外层电子向内层跃迁时辐射出来的能量不是以层电子向内层跃迁时辐射出来的能量不是以X射线射线的形式发射出去，而被外层的另一个电子吸收而摆的形式发射出去，而被外层的另一个电子吸收而摆脱原子核的束缚而逃离出来，这个被电离的电子称脱原子核的束缚而逃离出来，这个被电

9、离的电子称为俄歇电子。为俄歇电子。特征特征： 俄歇电子能量很低，并且具有反映原子序俄歇电子能量很低，并且具有反映原子序数的特征能量；数的特征能量； 只有距离表面只有距离表面1nm左右范围内逸出的俄左右范围内逸出的俄歇电子才具备特征能量。歇电子才具备特征能量。（原因？）（原因？）3. 作用作用：表面层成分分析。：表面层成分分析。 除此之外，在固体中电子能量损失的除此之外，在固体中电子能量损失的 40%80%最终转化为热量，还有一些其他信最终转化为热量，还有一些其他信号产生。号产生。扫描电镜（扫描电镜（SEM） 构成构成电子光学系统电子光学系统信号收集处理、图信号收集处理、图像显示和记录系统像显示

10、和记录系统真空系统真空系统 一一. 电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）1. 1. 电子枪电子枪 功能：功能：发射电子并加速，加速电压低于发射电子并加速，加速电压低于TEMTEM。2. 2. 电磁透镜电磁透镜 功能：功能：只作为聚光镜，而不能放大成像。只作为聚光镜，而不能放大成像。 将电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径为将电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径为50m50m的束斑缩小成只有的束斑缩小成只有数个纳米数个纳米的细小斑点。的细小斑点。 构成：构成：由三级聚光镜构成，缩小电子束光斑由三级聚光镜构成，缩小电子束光斑。 照射到样品上的电子束直径决定了其分辨率。照射到样品上的电子束直径决

11、定了其分辨率。3. 扫描线圈扫描线圈 作用：作用：使电子束偏转，并在样品表面作有使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动。电子束在样品表面上的扫描动作规则的扫动。电子束在样品表面上的扫描动作和和显像管上的扫描动作保持严格同步。显像管上的扫描动作保持严格同步。样品形貌像的形成：样品形貌像的形成：当电子束在样品表面扫描当电子束在样品表面扫描出方形区域，相应地在显像管荧光屏上画出一出方形区域，相应地在显像管荧光屏上画出一帧比例图像。样品上各点受电子束轰击时发出帧比例图像。样品上各点受电子束轰击时发出的信号可由信号探测器接受，并通过显示系统的信号可由信号探测器接受，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度

12、描绘出来。在显像管荧光屏上按强度描绘出来。 扫描方式扫描方式光栅扫描方式：光栅扫描方式：电子束进入上偏转线圈，方向发生电子束进入上偏转线圈，方向发生转折，随后由下偏转线圈使电子束方向发生第二次转折，随后由下偏转线圈使电子束方向发生第二次转折，发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心转折，发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面，电子束发生偏转的过程中还带有逐射到样品表面，电子束发生偏转的过程中还带有逐步扫描动作。步扫描动作。应用：应用：形貌分析。形貌分析。角光栅扫描（摇摆扫描）角光栅扫描（摇摆扫描）：如果电子束经上偏转线：如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级

13、圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度扫描或摇摆扫描。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摆动的角度也越大。越大，则电子束在入射点上摆动的角度也越大。应用：应用：进行电子通道花样分析。进行电子通道花样分析。4. 样品室样品室作用：作用：放置样品，安置信号探测器。放置样品，安置信号探测器。特点：特点：能容纳较大的试样，并在三维空间进行移动、倾能容纳较大的试样，并在三维空间进行移动、倾斜和旋转；斜和旋转；带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却

14、带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验，以便进行断裂过程中的动态和进行机械性能试验，以便进行断裂过程中的动态原位观察。原位观察。 二二. 信号的收集和图像显示系统信号的收集和图像显示系统信号电子信号电子进入闪烁体后转变为进入闪烁体后转变为可见光信号可见光信号光光电倍增器放大电倍增器放大电流信号电流信号经视频放大器放大经视频放大器放大调制信号调制信号显像管成像显像管成像样品形貌像的形成：样品形貌像的形成：由于镜筒中的电子束和显像管中由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上的每一点的亮度是电子束是同步扫描的，而荧光屏上的每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信

15、号强度来调制的，因此样根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接受的信号也不相同，品上各点的状态各不相同，所以接受的信号也不相同，故可在荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图故可在荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图像。像。 三三. 真空系统真空系统 镜筒内要保持一定的真空度，镜筒内要保持一定的真空度，目的是目的是防止样品污染、极间放电等问题。防止样品污染、极间放电等问题。分辨率分辨率 电子束和固体物质作用时激发电子束和固体物质作用时激发的信号有的信号有二次电子、背散射电子、吸二次电子、背散射电子、吸收电子、特征收电子、特征X射线、俄歇电子，射线、俄歇电

16、子，这这些信号均可调制成形貌像，各种信号些信号均可调制成形貌像，各种信号成像时分辨率各不相同。成像时分辨率各不相同。各种信号的成像分辨率（单位：各种信号的成像分辨率（单位：nm）信号信号二次电子二次电子背散射电子背散射电子分辨率分辨率5 510105050200200吸收电子吸收电子特征特征X X射线射线俄歇电子俄歇电子10010010001000100100100010005 510101. 为什么各种信号分辨率不同？为什么各种信号分辨率不同？轻元素：轻元素： 因为各种信号成像的分辨率与入射电子束激发该信号因为各种信号成像的分辨率与入射电子束激发该信号时，在样品中的作用（活动）体积有关，作用

17、体积大小相当时，在样品中的作用（活动）体积有关，作用体积大小相当于一个成像检测单元（即像点）。于一个成像检测单元（即像点）。 电子束进入轻元素样品后会造成一个滴状作用体积，电子束进入轻元素样品后会造成一个滴状作用体积，由于俄歇电子和二次电子是在样品浅表层内逸出，故作用体由于俄歇电子和二次电子是在样品浅表层内逸出，故作用体积小，分辨率高。积小，分辨率高。 背散射电子能量较高，可从较深的部位弹射出表面，背散射电子能量较高，可从较深的部位弹射出表面，故作用体积较大，分辨率降低。故作用体积较大，分辨率降低。 特征特征X射线是在更深的部位激发出来的，其作用体积射线是在更深的部位激发出来的，其作用体积更大

18、，所以分辨率比背散射电子更低。更大，所以分辨率比背散射电子更低。 对于重元素样品，电子束射入后，作用体积为对于重元素样品，电子束射入后，作用体积为半球状，电子束进入表面后立即横向扩展。因此，半球状，电子束进入表面后立即横向扩展。因此，即使电子束的束斑很小，也不能达到很高的分辨即使电子束的束斑很小，也不能达到很高的分辨率，且背散射和二次电子之间的分辨率明显减小。率，且背散射和二次电子之间的分辨率明显减小。重元素：重元素：2.2.影响分辨率的因素影响分辨率的因素o电子束束斑大小；电子束束斑大小；o检测信号的类型；检测信号的类型；o检测部位的原子序数。检测部位的原子序数。3. SEM分辨率的测定：分

19、辨率的测定： 和和TEM类似，将图像上恰好能分辨开的两类似，将图像上恰好能分辨开的两物点距离除以放大倍数。物点距离除以放大倍数。 例如用真空蒸镀金膜样品表面金颗粒的像间例如用真空蒸镀金膜样品表面金颗粒的像间距除以放大倍数，即为此放大倍数下的分辨率。距除以放大倍数，即为此放大倍数下的分辨率。点分辨率测定照片点分辨率测定照片二二. 放大倍数放大倍数可达可达80万倍万倍 SEMSEM的放大倍数为：的放大倍数为：显像管中电子束在荧光屏上最显像管中电子束在荧光屏上最大扫描幅度和镜筒中电子束在试样上最大扫描幅大扫描幅度和镜筒中电子束在试样上最大扫描幅度的比值：度的比值： Ac荧光屏上扫描荧光屏上扫描幅度幅

20、度 As电子束在样品扫过电子束在样品扫过 的幅度的幅度2. 如何改变放大倍数如何改变放大倍数由于观察图像的荧光屏宽由于观察图像的荧光屏宽度是固定的，只要减小电子束在样品上扫描长度度是固定的，只要减小电子束在样品上扫描长度（扫描面积为矩形），即可得到高放大倍数。（扫描面积为矩形），即可得到高放大倍数。csAMA三三. 样品制备样品制备 1. 对导电材料对导电材料，除了几何尺寸和重量外几乎没，除了几何尺寸和重量外几乎没有任何要求，不同型号的扫描电镜对样品尺寸和重量有任何要求，不同型号的扫描电镜对样品尺寸和重量有不同的要求。有不同的要求。 2. 导电性较差或绝缘的样品导电性较差或绝缘的样品，必须通过

21、喷镀，必须通过喷镀金、银等重金属或碳真空蒸镀等手段进行导电性处金、银等重金属或碳真空蒸镀等手段进行导电性处理。理。 3. 所有样品均需无油污、无腐蚀所有样品均需无油污、无腐蚀，以免对镜筒和，以免对镜筒和探测器污染。探测器污染。如何获得扫描电镜的像衬度如何获得扫描电镜的像衬度 ？ 主要利用样品表面微区特征（如形貌、主要利用样品表面微区特征（如形貌、原子序数或化学成分等）的差异，在电子束原子序数或化学成分等）的差异，在电子束的作用下产生的作用下产生的的物理信号强度不同物理信号强度不同，导致显，导致显像管荧光屏上不同区域的亮度差异，从而获像管荧光屏上不同区域的亮度差异，从而获得一定衬度的图像得一定衬

22、度的图像。一一. 二次电子形貌衬度原二次电子形貌衬度原理理二次电子能量较低，只能从样品表面层二次电子能量较低，只能从样品表面层510nm深深度范围内激发出来；度范围内激发出来；其数量和原子序数没有明显的关系，但对微区表面其数量和原子序数没有明显的关系，但对微区表面的形状十分敏感；的形状十分敏感；样品上凸出的尖棱、小粒子以及比较陡的斜面处二样品上凸出的尖棱、小粒子以及比较陡的斜面处二次电子的产额较多，在荧光屏上亮度较大，平面上二次电子的产额较多，在荧光屏上亮度较大，平面上二次电子产额较小，亮度较低；在深的凹槽底部虽然也次电子产额较小，亮度较低；在深的凹槽底部虽然也能产生较多的二次电子，但这些二次

23、电子不易被检测能产生较多的二次电子，但这些二次电子不易被检测器收集到，因此槽底较暗。器收集到，因此槽底较暗。 二二. 二次电子形貌衬度的应用二次电子形貌衬度的应用 可用于断口分析、金相分析及烧结样品的自然表可用于断口分析、金相分析及烧结样品的自然表面分析、断裂过程的动态原位分析。面分析、断裂过程的动态原位分析。 断口分析断口分析由于由于SEM景深较大，特别适合粗糙景深较大，特别适合粗糙 样品表面观察分析样品表面观察分析 通过断口分析可以揭示断裂机理、判断裂纹性质通过断口分析可以揭示断裂机理、判断裂纹性质及原因、裂纹源及走向，从而对分析断裂原因具有决及原因、裂纹源及走向，从而对分析断裂原因具有决

24、定性作用。定性作用。金属材料的断口分类：金属材料的断口分类： 按断裂性质分按断裂性质分 脆性断口脆性断口断前无明显塑变（沿晶断口、解理断断前无明显塑变（沿晶断口、解理断 口，冰糖状）口，冰糖状） 韧性断口韧性断口断前有明显塑变（韧窝断口）断前有明显塑变（韧窝断口） 疲劳断口疲劳断口周期重复载荷引起（有疲劳条纹）周期重复载荷引起（有疲劳条纹） 环境因素断口环境因素断口应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化等应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化等 （沿晶断口或穿晶断口）（沿晶断口或穿晶断口） 按断裂途径分按断裂途径分： 沿晶断口、穿晶断口、混合断口沿晶断口、穿晶断口、混合断口30CrMnSi 钢沿晶断裂二次电子像钢

25、沿晶断裂二次电子像37SiMnCrMoV 钢韧窝断口的二次电子像钢韧窝断口的二次电子像 低碳钢冷脆解理断口的二次电子像低碳钢冷脆解理断口的二次电子像碳纤维增强陶瓷复合材料断口的二次电子像碳纤维增强陶瓷复合材料断口的二次电子像 样品表面形貌观察样品表面形貌观察烧结体烧结自然表面观察烧结体烧结自然表面观察晶粒细小的正方相，晶粒细小的正方相， t-ZrO2晶粒尺寸较大的单相晶粒尺寸较大的单相 立方相，立方相，c-ZrO2双向混合组织，正方双向混合组织，正方 相晶粒细小，立方相相晶粒细小，立方相 晶粒大。晶粒大。Al2O3+15%ZrO2复复合陶瓷烧结表面合陶瓷烧结表面Al2O3晶粒晶粒有棱有棱角大晶

26、粒；角大晶粒；ZrO2颗粒颗粒白色白色球状小颗粒。球状小颗粒。金相表面观察金相表面观察 a.片状珠光体片状珠光体 b.回火组织回火组织+碳化物碳化物 材料变形与断裂动态过程的原位观察材料变形与断裂动态过程的原位观察双相钢双相钢F+M双相钢拉伸过程的动态原位观察：双相钢拉伸过程的动态原位观察：（a）图：）图：F首先产生裂纹，首先产生裂纹，M强度高，裂纹强度高，裂纹 扩展至扩展至M受阻，加大载荷，受阻，加大载荷， M前方前方F产生裂纹；产生裂纹；（b）图：）图：载荷进一步加大，载荷进一步加大， M才断裂，裂纹连才断裂，裂纹连接接 继续扩展。继续扩展。 2. 复合材料复合材料 Al3Ti/（Al-T

27、i）复）复合材料断裂过程原位观合材料断裂过程原位观察察： Al3Ti为增强相，裂为增强相，裂纹受纹受Al3Ti颗粒时受阻而颗粒时受阻而转向，沿着颗粒与基体转向，沿着颗粒与基体的界面扩展，有时颗粒的界面扩展，有时颗粒也断裂。也断裂。背散射电子衬度原理及其应用背散射电子衬度原理及其应用背散射电子形貌衬度特点（与二次电子形貌背散射电子形貌衬度特点（与二次电子形貌像的区别）像的区别） 由于在较大的作用体积内激发出，分辨率远由于在较大的作用体积内激发出，分辨率远比二次电子低；比二次电子低； 背散射电子的能量较高，它们以直线轨迹逸出背散射电子的能量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子而变成了一片阴影，测器无法收集到背散射电子而变成了一片阴影，图像衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。图像衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。二次电子能量低，可利用检测器收集栅上加一定正二次电子能量低，可利用检测器收集栅上加一定正电压来吸引能量较低的二次电子，使它们以弧形路线电压来吸引能量较低的二次电子，使它们以弧形路线进入闪烁体，使背向检测器的背位逸出的电子也能对进入闪烁体，使背向检测器的背位逸出的电子也能对成像有贡献，使图像层次增加，细节