扫描电镜-课件

扫描电镜扫描电镜简单介绍扫描电镜简单介绍目目 录录 SEM的操作 SEM的相关对比 SEM的应用举例一、SEM的操作1、参数概念2、操作流程SEM的分辨率主要受到电子束直径的限制，电子束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。相同条件下，电子束直径越小，越得到好的分辨效果。在显像管中电子束在荧光屏上最大扫描距离和在镜筒中电子束针在试样上最大扫描距离的比值。放大倍数放大倍数分辨率分辨率 1、参数概念有效放大倍数有效放大倍数M有效有效M有效人眼分辨率有效人眼分辨率/SEM分辨率分辨率从物镜到样品最高点的垂直距离。如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。工作距离工作距离像的衬度像的衬度表面形貌衬度表面形貌衬度原子序数衬度原子序数衬度像的衬度像的衬度：像的各部分：像的各部分(即各像元即各像元)强度相对于其平均强度的变化。强度相对于其平均强度的变化。光栅扫描光栅扫描 光栅扫描显示器显示图形时，电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去，直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。SEM的焦深是较好光学显微镑的300600倍。焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦。焦深焦深 F焦深；焦深；d 电子束直径；电子束直径；2a物镜的孔径角物镜的孔径角高低电压应用时优缺点比较优点缺点高电压（10 kV以上）分辨率高电子束能量高，穿透样品较深，得到的不是样品真实的表面信息；对于不耐电子束的样品如有机材料损伤较大；对于导电性不好的样品，表面积累电荷造成荷电和样品漂移，严重影响观察。低电压(1kV以下)可以有效地减少对样品的损伤和荷电效应，对于不导电的样品可以直接观察分辨率低，所以要求电镜的枪有足够的亮度以及观察时要减小工作距离，甚至把样品升到物镜下极靴面，使物镜激励增强，焦距变短，像差减小，以提高分辨率注意1、观测容易受到热损伤的试样采用低压，缩短照射时间，凃导电层2、对于凹凸不平的样品，会存在边缘效应，降低电压可以抑制入射电子束进入边缘内部3、电压高，分辨率高，但是要综合考虑电子束损伤、边缘效应SEM的基本原理扫扫描描电电镜镜原原理理示示意意图图 2、操作流程二次电子二次电子 如果入射如果入射电子撞子撞击样品表面原子品表面原子5-10nm的外的外层电子，把它激子，把它激发出来，就形成出来，就形成低能量的二次低能量的二次电子子，在，在电场的作用下它可呈曲的作用下它可呈曲线运运动，翻越，翻越障碍障碍进入入检测器，使表面凹凸的各个部分都能器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成像。清晰成像。二次二次电子的子的强强度度主要与主要与样品品表面形貌表面形貌有关。有关。二次二次电子和背景散射子和背景散射电子共同用于子共同用于扫描描电镜(SEM)的成像。的成像。当探当探针很很细，分辨高，分辨高时，基本收集的是二次，基本收集的是二次电子而背景子而背景电子很少，称子很少，称为二次二次电子成像子成像(SEI)背散射背散射电子是子是发射射电子被子被样品品弹性碰撞性碰撞弹回来的回来的,所以原子序数大的原子越大所以原子序数大的原子越大,弹性碰撞性碰撞的概率越大的概率越大,所以原子序数大的背散射所以原子序数大的背散射电子子强强度的大；二次度的大；二次电子是从子是从样品表面品表面发射的射的电子子,跟原子序数没关系跟原子序数没关系,跟跟样品的表面形品的表面形态有关有关,因因为撞撞击角度角度90度是二次度是二次电子基本么有子基本么有,倾斜装斜装机的二次机的二次电子子产率就很高了率就很高了,所以二次所以二次电子像子像是跟是跟样品品观察角度有关的。察角度有关的。背散射电子背散射电子14 二次电子运动轨迹二次电子运动轨迹背散射电子运动轨迹背散射电子运动轨迹二次电子像的分辨率高、景深大，为什么？二次电子像的分辨率高、景深大，为什么？二、SEM的相关对比1、SEM原理与TEM的比较2、同类仪器的比较 1）在在SEM中电子束并不像中电子束并不像TEM中一样是静态的：在扫描线圈产中一样是静态的：在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。2）由于不需要穿过样品，）由于不需要穿过样品，SEM的加速电压远比的加速电压远比TEM低；在低；在SEM中加速电压一般在中加速电压一般在200V 到到50 kV范围内。范围内。3）SEM样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。1、SEM原理与原理与TEM的主要区别：的主要区别：美美.FEI .FEI 德德.ZEISSZEISS 日日.HITACHI.HITACHI日日.JEOL.JEOL 2、同类产品对比：韩韩.COXEM荷荷.PHENOM中中.KYKY电镜型号参数FEI-Quanta600EVO-MA15HITACHISU1510JEOLJSM-IT300分辨率1.0 nm2.0 nm3.0nm3.0nm放大倍数6x1,000,000 x5x-100,000 x5x-300,000 x5x300,000 x加速电压200 V-30 kV200v-30kv（连续可调）（连续可调）0.3kv-30kv0.3kV-30kV光源发夹式钨灯丝四级电子枪单元钨灯丝LaB6预对中钨灯丝钨灯丝真空系统涡轮分子泵涡轮分子泵机械泵+涡轮分子泵+涡轮分子泵隔膜泵+转子泵 价格25万美金以上20万美金以上100-150万四种扫描电镜主要参数比较电镜型号型号参数参数COXEM-EM-30Phenom ProXKYKY-2800B分辨率8.0nm 30KV SE优于14nm4.5nm 放大倍数20 x-100,000 x20 x-130,000 x15X-250,000X 加速电压1kv-30kv5kv-15kv（连续可调）（连续可调）0.1kV-30kV 光源自动控制，钨丝阴极，预对中灯丝CeB6钨灯丝真空系统机械泵+涡轮分子泵+涡轮分子泵隔膜泵机械泵+压缩机价格50-100万50-100万80万三种扫描电镜主要参数比较 2、国内高校应用：北京大学名称场发射扫描电镜环境扫描电镜场发射扫描电镜场发射扫描电镜冷场发射扫描电镜扫描电镜场发射扫描电镜场发射环境扫描电镜场发射扫描电镜高分辨冷场扫描电镜扫描电子显微镜热场发射扫描电镜制造商国别美国美国美国日本日本日本美国美国日本日本日本美国型号AMRAY1910FEFEIQuanta200FEGFEINov,a-NanoSEM430S-4800HitachiS-4800JEOLJSM-5600LVFEIXL30SFEGFEIQuanta600JEOLJSM-7500FHitachiS-4800IIJEOLJSM-6610FEIQuanta650FEG应用领域用于纳米材料精细形貌的观察 用于物理、导体、半导体等领域适用于纳米材料精细形貌的观察主要研究有机太阳能电池领域主要研究纳米材料的表针主要研究锂电池二次电池材料应用主要应用于纳米材料和纳米器件材料表针微电子领域的微纳结构细胞周期调控研究生物样品表面形貌地球生物学、沉积学等名称场发射扫描电镜 穿透及式电子显微镜热场发射扫描电镜制造商国别日本日本日本 型号JEOLJEM-ARM200FTH HitachiS-4700JEOLJSM-7610F应用领域 生物学领域用于纳米材料精细形貌的观察清华大学（对外开放）浙江大学名称场发射扫描电镜台式扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电镜场发射扫描电镜环境扫描电镜制造商国别日本日立日本德国美国荷兰型号HitachiS4800HitachiTM-1000JEOLJSM-6390ACambridge S260 FEISIRION200 PHILIPSXL30-ESEM应用领域材料,生物医学,医药,石油化工,地质矿产,轻工,有机化学 材料,地质矿产,珠宝首饰,海洋 农业 生物医学 农业,农产品和食品,材料,生物医学,医药 农业,农产品和食品,材料,生物医学,医药南京大学名称扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜 扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜扫描式电子显微镜制造商国别日本日本美国 美国美国日本日本美国美国型号岛津 SSX550 日本精工SPA300HV/0.1nm-150Mm FEINova NanoSEM230 UnisocuUSM-1300S3He veeco multimode FEIXL-30 JEOLJSM-6490 Hitachi3400N FEIPhenomG2FEIQUANTA200应用领域表面围观扫描，元素分析 利用针尖与样品表面原子间的微弱作用来作为反馈信号，从而得知样品表面高低起伏。材料的微纳形貌表征、微区元素成分的定性分析材料的高精度原子显微镜和隧道谱研究 生物医药材料 材料 材料上用于观察分析各种固态样品的表面形态及化学成分 省内高校（部分）名称中国科学技术大学中国科学技术大学安徽大学安徽大学合肥工业大学合肥工业大学场发射扫描电镜场发射扫描电子显微镜场发射透射电子显微镜扫描式电子显微镜场发射扫描电子显微镜钨灯丝扫描电子显微镜制造商国别美国日本日本日本日本日本型号 FEISirion200JEOLJSM6700F日本电子株式会社JEM-2100F HitachiS-4800 HitachiSU8020JEOLJSM-6490LV应用领域扫描电镜主要用于观察材料表面的微细形貌、断口及内部组织，并对材料表面微区成分进行定性和定量分析。观察陶瓷、混凝土、生物、高分子、矿物、纤维等无机或有机固体材料等领域表面的形貌 材料微观组织、形貌、尺度等显微结构观察和分析；物相晶体结构、缺陷及取向关系检测和分析；材料微区化学元素组成和分布检测和分析 扫描电镜主要用于观察材料表面的微细形貌、断口及内部组织，并对材料表面微区成分进行定性和定量分析。用于材料的微观表面观察与成分分析主要用于观察材料表面的微细组织等二、SEM的应用举例1、粒度分布测量2、粉体流动性测试3、SEM与EDS的联用 廖乾初等用廖乾初等用SEMSEM测量测定粉体颗粒粒度。测量的粒度范围可以从几十测量测定粉体颗粒粒度。测量的粒度范围可以从几十纳米到几个毫米。指出尤其当分析样品的粒度小于纳米到几个毫米。指出尤其当分析样品的粒度小于3um3um时，超细颗粒极易时，超细颗粒极易聚集、团聚（如下图）、在水中特别难于分散的特性，传统的湿法粒度分聚集、团聚（如下图）、在水中特别难于分散的特性，传统的湿法粒度分析（例如：激光散射法、动态光子相关法）就无法得到真实的粒度结果。析（例如：激光散射法、动态光子相关法）就无法得到真实的粒度结果。而扫描电镜粒度分析法（简称而扫描电镜粒度分析法（简称SEMSEM法）却不受这些限制，比较灵活，完全法）却不受这些限制，比较灵活，完全能适应这些特殊样品的粒度分析。超细粉体样品一般制备在铜柱表面上，能适应这些特殊样品的粒度分析。超细粉体样品一般制备在铜柱表面上，希望颗粒单层均匀分散、彼此不粘连。这样，在不同倍数下得到照片，便希望颗粒单层均匀分散、彼此不粘连。这样，在不同倍数下得到照片，便于图象处理和分析功能自动完成。于图象处理和分析功能自动完成。图图4.28堆积荧光蓝粉颗粒的粒度测量堆积荧光蓝粉颗粒的粒度测量 2000X 图图4.29 聚集的超细银粉聚集的超细银粉 1、粒度分布测试：下表是荧光蓝粉（形状近似球体）的下表是荧光蓝粉（形状近似球体）的SEM粒度测量结果与激光衍射法、电导法测粒度测量结果与激光衍射法、电导法测量结果的比较。从表中可以看出，它们的测量结果比较一致，证明量结果的比较。从表中可以看出，它们的测量结果比较一致，证明SEM法的粒度法的粒度测量结果是可靠的。测量结果是可靠的。不同粒度测量方法所得结果比较不同粒度测量方法所得结果比较 （m）SEMSEM粒度测量法粒度测量法 MSMS激光激光粒度仪粒度仪（英国（英国MalvernMalvern）CoulterCoulter粒度仪粒度仪（美国）（美国）1 1千倍，千倍，2 2千千倍，倍，10741074个个颗粒颗粒1 1千倍，千倍，824824个个2 2千倍千倍 205205个个体均粒度体均粒度v v7.907.907.917.917.857.857.607.607.747.74数均粒度数均粒度n n5.575.575.615.615.435.43中位粒度中位粒度50507.657.657.697.697.767.767.377.377.317.31图像？数学模型数学模型电子探针电子探针 可对可对试样试样进行微小区域成分进行微小区域成分分析分析。除。除H H、HeHe、LiLi、BeBe等几个较轻等几个较轻元素元素外，都可进行外，都可进行定性定性和和定量定量分析。电子探针分析。电子探针 的大批量是利用经过的大批量是利用经过加速加速和聚焦的极窄的电子束为和聚焦的极窄的电子束为探针探针，激发试样中某，激发试样中某一一 微小区域，使其发出特征微小区域，使其发出特征X X射线，测定该射线，测定该X X射线的波长和强度，即可对该射线的波长和强度，即可对该 微区的元素作定性或定量分析。将微区的元素作定性或定量分析。将扫描电子显微镜扫描电子显微镜和电子探针结合，在和电子探针结合，在显显 微镜微镜下把观察到的下把观察到的显微组织显微组织和元素成分联系起来，解决和元素成分联系起来，解决材料材料显微不均匀显微不均匀性性 的问题，成为研究的问题，成为研究亚微观结构亚微观结构的有力的有力工具工具。电子探针有三种基本电子探针有三种基本工作方式工作方式：一、一、点分析点分析用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对用于选定点的全谱定性分析或定量分析，以及对 其中所含元素进行定量分析；其中所含元素进行定量分析；二、二、线分析线分析用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；用于显示元素沿选定直线方向上的浓度变化；三、三、面分析面分析用于观察元素在选定微区用于观察元素在选定微区内浓度分布。内浓度分布。3、SEM与EDS的联用：定性分析与定量分析定性分析与定量分析现以某型号现以某型号EDS分析实例，样品：钢管表面。分析实例，样品：钢管表面。能谱图的横坐标为元素的特征能谱图的横坐标为元素的特征x射线峰的特征能量，单位射线峰的特征能量，单位kev，也为脉冲高度，也为脉冲高度，与元素种类有关与元素种类有关;纵坐标为脉冲数，单位为纵坐标为脉冲数，单位为CP，即收集的，即收集的X-射线光子数，谱峰的高射线光子数，谱峰的高度与分析的元素含量有关，但是，非正比关系。上能谱图中显示出的谱峰是铁的度与分析的元素含量有关，但是，非正比关系。上能谱图中显示出的谱峰是铁的K、K、L线，线，C、O、Si、S、Ca、Cr、Mn的的K线。这样，定性分析就得到线。这样，定性分析就得到样品中所含元素的种类和与含量有关的数据。样品中所含元素的种类和与含量有关的数据。定量分析结果如下定量分析结果如下:其中其中Element/Line为元素为元素/线系线系;Wt%为质量为质量(重量百分数重量百分数);At%为原子百分数为原子百分数.Element/LineWt%At%C K8.2227.11O K3.889.62Si K0.801.13Ca K1.041.02Cr K1.010.77Mn K1.100.79Fe K83.9559.56Total100.00100.00EDS分析中分析中,样品成分含量常用的名词样品成分含量常用的名词:“主要主要”成分，指元素含量成分，指元素含量 10%wt;“次要次要”或或“少量少量”成分，指含量为成分，指含量为0.510%wt;“微量微量”成分指少成分指少于于o.5%wt。这里，。这里，“主要主要”、“少量少量”、“微量微量”的说法并不严格，的说法并不严格，多少有些主观。多少有些主观。EDS定点分析示例定点分析示例：钢中夹杂物的分析，将试样表面抛光，用被散射电子像观察，找到夹杂物，然后用EDS的定点分析法检测它的元素组分。下面是一个钢件的夹杂物照片。在照片上选做了2个点，得到的X-射线能谱图如下，由能谱图可以知道，夹杂物为O、Mg、Al、Ca元素，化合物应该为Mg、Al、Ca的氧化物。点点1谱图谱图 点点2谱图谱图 背散射电子像背散射电子像 250X EDS定点分析示例：定点分析示例：石油输送钢管壁的石油输送钢管壁的C浓度分布（使用浓度分布（使用OXFORD公司公司ISIS-200型分析）。样件如下图所示。将径向断面抛光，从电镜照片测量出管型分析）。样件如下图所示。将径向断面抛光，从电镜照片测量出管壁厚，从管外壁到内壁等间隔的选取壁厚，从管外壁到内壁等间隔的选取10个点进行个点进行X射线定点分析，得到结果如射线定点分析，得到结果如表，用此结果手工绘制表，用此结果手工绘制C浓度分布曲线，如图浓度分布曲线，如图 所示。从所示。从C浓度分布曲线，明显浓度分布曲线，明显看出看出C元素的分布规律：元素的分布规律：C从钢管外壁到内壁的含量逐渐减小，到第从钢管外壁到内壁的含量逐渐减小，到第6个点位时个点位时发生转折，发生转折，C含量又缓慢增加。含量又缓慢增加。图图 管壁断面图管壁断面图 图图 C浓度分布曲线浓度分布曲线表表 C C浓度分布度分布 点序号点序号1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010C C原子原子24.8024.801818232311.8711.8710.2310.234 482821 191913 359593 363637 743437 718184.4.6 EDS线分析（线扫描）线分析（线扫描）使电子束沿样品上指定的一条线扫描，就能得到使电子束沿样品上指定的一条线扫描，就能得到这条线上感兴趣元素含量的变化曲线。线分析是一这条线上感兴趣元素含量的变化曲线。线分析是一种定性分析，有二次电子或背散射电子像对照分析，种定性分析，有二次电子或背散射电子像对照分析，能直观地获得元素在不同相或区域内的分布状态。能直观地获得元素在不同相或区域内的分布状态。它常用于材料表面改性（涂层、包覆层、渗它常用于材料表面改性（涂层、包覆层、渗C、渗、渗N）、催化剂研究等。）、催化剂研究等。例例1 Mg-Zn-Y合金的线分析合金的线分析 例例2 钴标样线分析钴标样线分析下面是下面是Mg-Zn-Y合金、钴标样和焊缝的线分析示例：合金、钴标样和焊缝的线分析示例：EDS面分析（面扫描）面分析（面扫描）面扫描是使电子束在试样表面扫描是使电子束在试样表面观察区扫描，所定义的感面观察区扫描，所定义的感兴趣元素在显示器上以不同兴趣元素在显示器上以不同颜色的点分别显示出分布图颜色的点分别显示出分布图像，并且与采集的二次电子像，并且与采集的二次电子图象相对应，直观明了，点图象相对应，直观明了，点越多、亮度越亮，说明元素越多、亮度越亮，说明元素含量越高。它常用于材料中含量越高。它常用于材料中异物杂质、相分布和元素偏异物杂质、相分布和元素偏析快速检验。右图是析快速检验。右图是Mg-Zn-Y合金、碳复合材料的合金、碳复合材料的面分析结果。面分析结果。Mg-Zn-Y合金元素的面分布图合金元素的面分布图