第13章材料分析方法

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第二篇 材料电子显微分析,第八章 电子光学基础,第九章 透射电子显微镜,第十章 电子衍射,第十一章 晶体薄膜衍衬成像分析,第十二章 高分辨透射电子显微术,第十三章 扫描电子显微镜,第十四章 电子背散射衍射分析技术,第十五章 电子探针显微分析,第十六章 其他显微结构分析方法,2,扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜完全不同，不是利用电磁透镜聚焦成像，而是利用细聚焦电子束在样品表面扫描，用探测器接收被激发的各种物理信号调制成像,目前，扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于,3nm,，高性能的场发射枪扫描电子显微镜的分辨率已达到,1nm,左右，相应的放大倍数可高达,30,万倍,与光学显微镜相比，扫描电子显微镜不仅图像分辨率高，而且景深大，因此在断口分析方面显示出十分明显的优势,扫描电子显微镜开始发展于,20,世纪,60,年代，随其性能不断提高和功能逐渐完善，目前在一台扫描电镜上可同时实现组织形貌、微区成分和晶体结构的同位分析，现已成为材料科学等研究领域不可缺少的分析工具,第十三章 扫描电子显微镜,3,第十三章 扫描电子显微镜,本章主要内容,第一节 电子束与固体样品作用时产,生的信号,第二节 扫描电子显微镜的构造和工,作原理,第三节 扫描电子显微镜的主要性能,第四节 表面形貌衬度原理及其应用,第五节 原子序数衬度原理及其应用,4,第一节,电子束与样品相互作用产生的信号,样品对入射电子束的作用主要是散射，其中包括弹性散,射和非弹性散射。这一过程产生的信号主要有，背散射电子、,吸收电子和透射电子，还有韧致辐射,(,连续,X,射线,),入射电子对样品的作用主要是原子电离，这一作用产生的信,号主要有，二次电子、特,征,X,射线和俄歇电子，此,外还有阴极荧光等信号,以下将分别介绍各种物理,信号及其特点，以及所反,映的样品性质和用途,图,13-1,所示为电子束与样,品作用产生的主要信号,图,13-1,电子束与固体样品作用产生的信号,5,一、背散射电子,被样品原子散射，散射角大于,90,而散射到样品表面以外,的一部分,入射电子称为背散射电子，包括弹性背散射电子和,非弹性散射背散射电子,产生于样品,表层几百纳米的深度范围,能量范围较宽，从,几十到几万电子伏特,产额随样品平均原子序数增大而增大,，所以背散射电子像的,衬度可反映对应样品位置的平均原子序数,背散射电子像主要用于,定性分析材料的成分分布,和,显示相的,形状和分布,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,6,二、吸收电子,入射电子进入样品后，经多次非弹性,散射使其能量消耗,殆尽，最后被样品吸收，这部分,入射电子称吸收电子,产生于样品,表层约,1,微米的深度范围,产额随样品平均原子序数增大而减小,。因为，在入射电子束,强度一定的情况下，对应背散射电子产额大的区域吸收电子,就少，所以吸收电子像也可提供,原子序数衬度,吸收电子像主要也用于,定性分析材料的成分分布,和,显示相的,形状和分布,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,7,三、透射电子,若入射电子能量很高，且样品很薄，则会有一部分电子,穿过样品，,这部分,入射电子称透射电子,透射电子中除了能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还,有不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些电子的能量损,失具有特征值，称为,特征能量损失电子,特征能量损失电子的,能量与样品中元素的原子序数有对应关,系,，其,强度随对应元素的含量增大而增大,利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失电子信号，可进行,微区成分的定性和定量分析,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,8,四、二次电子,在入射电子作用下，使样品原子的外层价电子或自由电,子被击出样品表面，称为二次电子,产生于,样品表层,510nm,的深度范围,能量较低，,一般不超过,50eV,，,大多数均小于,10eV,其产额对样品表面形貌非常敏感，因此二次电子像可提供,表,面形貌衬度,二次电子像主要用于,断口分析、显微组织分析,和,原始表面形,貌观察,等,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,9,电子信号强度的关系,如果使样品接地，上述四种电子信号强度与入射电子强,度,(,i,0,),之间应满足,i,b,+,i,s,+,i,a,+,i,t,=,i,0,(13-1),式中，,i,b,、,i,s,、,i,a,和,i,t,分别为,背散射电子、二次电子、吸收,电子和透射电子信号强度。上,式两端除以,i,0,得,+,+,+,=,1,(13-2),式中，,、,、,和,分别为背,散射、发射、吸收和透射系数,上述四个系数与 样品质量厚度,的关系如图,13-2,所示,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,图,13-2,铜样品,、,、,及,与,t,的关系,(,入射电子能量,E,0,=,10keV),10,五、特征,X,射线,如前,(,第一章,),所述，当入射电子能量足以使样品原子的,内层电子击出时，原子处于能量较高的激发态，外层电子将,向内层跃迁填补内层空位，发射,特征,X,射线,释放多余的能量,产生于,样品表层约,1,m,的深度范围,其,能量或波长与样品中元素的原子序数有对应关系,其,强度随对应元素含量增多而增大,特征,X,射线主要用于材料,微区成分定性和定量分析,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,11,六、俄歇电子,处于能量较高的激发态原子，外层电子将向内层跃迁填,补内层空位时，不以发射特征,X,射线的形式释放多余的能量，,而是向外发射外层的另一个电子，称为,俄歇电子,产生于样,品表层约,1,nm,的深度范围,其,能量,与样品中元素的原子序数存在对应关系，能量较低，,一般在,501500eV,范围内,其,强度随对应元素含量增多而增大,俄歇电子主要用于,材料极表层的成分定性和定量分析,第一节 电子束与样品相互作用产生的信号,12,第二节,扫描电镜的构造和工作原理,如图,13-3,所示，扫描电子显微镜由电子光学系统，信号,收集和图像显示记录系统，真空系统三个基本部分组成,图,13-3,扫描电子显微镜的结构原理图,13,一、电子光学系统,(,镜筒,),1.,电子枪,扫描电镜中的电子枪与透射电镜基本相同，也有热发射和场,发射两种，只是,加速电压,较低，一般,最高为,30kV,2.,电磁透镜,扫描电镜中的电磁透镜并,不用于聚焦成像,，而均为聚光镜，,它们的,作用是把电子束斑尺寸逐级聚焦缩小,，从电子枪的束,斑,50,m,缩小为几个纳米的电子束,扫描电镜一般配有三个聚光镜，前两级聚光镜为强磁透镜；,末级透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距，习惯上称之为物镜。,扫描电镜,束斑尺寸约为,35nm,，,场发射扫描电镜可小至,1nm,第二节 扫描电镜的构造和工作原理,14,一、电子光学系统,3.,扫描线圈,扫描线圈的作用是使,电子束偏转,，并在样品表面作有规则的,扫描，两种方式见图,13-4,表面形貌分析时，采用,光栅,扫描,方式，电子束在样品表,面扫描出方形区域,电子通道花样分析时，采用,角光栅,(,摇摆,),扫描,方式,扫描线圈,同步控制,电子束在,样品表面的扫描和显像管的,扫描,图,13-4,电子束的扫描方式,a),光栅扫描,b),角光栅扫描,第二节 扫描电镜的构造和工作原理,15,一、电子光学系统,4),样品室,样品室位于镜筒的最下方，除了放置样品外，还要在合,适位置安放各种信号探测器,样品台是一个复杂而精密的组件，应能可靠地承载或夹持样,品，并使样品能够实现平移、倾斜和旋转等动作，以便对样,品上每一特定位置或特定方位进行分析,新式扫描电镜的样品室相当于一个微型试验室，附有多种控,制功能，如可使样品进行加热、冷却、拉伸、弯曲等试验,样品室一般设置为,高真空,状态。目前有些扫描电镜，可根据,分析需要，将样品室设置为,低真空,或,环境真空,第二节 扫描电镜的构造和工作原理,16,二、信号收集和图像显示记录系统,1),信号收集,二次电子、背散射电子等信号，采用闪烁计数器检测。电子,信号进入闪烁体后即引起电离，离子和自由电子复合后产生,可见光，可见光信号进入光电倍增管，光信号放大又转化为,电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后成为调制信号,2),图像显示,样品上入射电子束和显像管中的电子同步扫描，荧光屏上每,一像点的亮度，对应于样品相应位置的信号强度。因此若样,品上各点的状态不同，接收到的信号强度也不同，对应于荧,光屏上像点的亮度就不同，所以在荧光屏上显示出反映样品,表面状态的图像,第二节 扫描电镜的构造和工作原理,17,三、真空系统,为保证扫描电子显微镜正常工作，对镜筒内的真空度有,一定要求,一般情况下，若镜筒真空度达,到,1.33,10,-2,1.33,10,-3,Pa,，就,可防止电子枪极间放电和样品,污染，对于场发射枪则需要更,高的真空度,图,13-5,为扫描电子显微镜的实,物照片,图,13-5 S-3000N,型,扫描电镜外观图,第二节 扫描电镜的构造和工作原理,18,第三节,扫描电子显微镜的主要性能,一、分辨率,扫描电镜的分辨率的高低和检测的信号种类有关，因为,不同信号产生于样品的深度范围不同，见表,13-1,由表,13-1,可见，,产生俄歇电子的样品深度最小,，其次为二次,电子，,吸收电子和特征,X,射线产生的样品深度范围最大,如图,13-6,，电子束在样品中一般扩展成一个滴状区域，其扩,展区域深度和形状受加速电压和样品原子序数的影响，,扩展,区域随加速电压升高而增大，随样品原子序数增大而减小,信 号,二次电子,背散射电子,吸收电子,特征,X,射线,俄歇电子,深度范围,510,50200,1001000,1001000,0.52,表,13-1,各种信号来自样品表面的深度范围,(nm),19,一、分辨率,下图所示为在不同加速电压下，电子束在样品中扩展区,域的计算机模拟结果,25 kV,15 kV,5 kV,加速电压对电子束的扩展区域的影响,第三节 扫描电子显微镜的主要性能,20,一、分辨率,下图所示为加速电压一定时，电子束在不同样品中扩展,区域的计算机模拟结果,Ag,47,C,6,Fe,26,样品原子序数对电子束的扩展区域的影响,第三节 扫描电子显微镜的主要性能,21,第三节,扫描电子显微镜的主要性能,一、分辨率,由图,13-6,可知，各种信号成像分辨率将随着信号产生的,深度范围增大而下降。因为随着深度距离增大，电子束横向,扩展范围也增大,因电子的平均自由程很短，而,二次,电子,的能量很低，较深范围产生的,二次电子不能逸出表面；较深范围,产生的,俄歇电子,因受样品非弹性散,射而失去特征能量,由于,产生二次电子的样品区域小,，,因此,二次电子图像分辨率高,图,13-6,电子束的扩展区域,22,一、分辨率,因,产生背散射电子的深度范围较大,，电子束在此深度的横向,扩展范围也变大，所以,背散射电子像的分辨率低于二次电子,像,；而产生,吸收电子深度范围更,大,，因此相应的,图像分辨率更低,因二次电子像的分辨率最高，习,惯,用二次电子像分辨率作为扫描,电镜分辨率指标,特征,X,射线和俄歇电子用于成分,分析，通常把产生这些信号的样,品区域，称作为微区成分析的,空,间分辨率,第三节 扫描电子显微镜的主要性能,图,13-6,电子束的扩展区域,23,一、分辨率,如图,13-7,所示，通常采用真空蒸镀的金膜颗粒样品，测,定扫描电镜的分辨率。在照片中测出颗粒的最小间距在处以,放大倍数即为扫描电镜的图像分辨率,如在照片中测出颗粒的最小间,距,0.30mm,，照片的放大倍数,为,30,万倍，则分辨率为,1nm,；,二次电子像,分辨率将随加速电,压减小而下降,图,13-7,二次电子像分辨率的测定,第三节 扫描电子显微镜的主要性能,24,二、,放大倍数,入射电子束在样品表面扫描的幅度为,A,s,，相应地在荧光,屏上阴极射线同步扫描的幅度为,A,c,，,A,c,和,A,s,的比值即为,扫描,电镜放大倍数,由于扫描电镜荧光屏尺寸固定不变，因此只需改变电子束在,样品上的扫