1、劉東劉東掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM)Scanning Electron Microscope 電子束與固體樣品作用時產生的信號電子束與固體樣品作用時產生的信號 掃描電子顯微鏡的構造和工作原理掃描電子顯微鏡的構造和工作原理 掃描電子顯微鏡的主要性能掃描電子顯微鏡的主要性能 表面形貌襯度原理及其應用表面形貌襯度原理及其應用 原子序數襯度原理及其應用原子序數襯度原理及其應用 電子探針電子探針X射線顯微分析射線顯微分析掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM)Scanning Electron Microscope1理解掃描電子顯微鏡的工作原理、結構與組成，理解掃描電子顯微鏡的工作原理、結構與組

2、成，掌握表征儀器性能的主要技術指標。掌握表征儀器性能的主要技術指標。2熟悉掃描電子顯微鏡的樣品制備方法。熟悉掃描電子顯微鏡的樣品制備方法。3掌握二次電子像、背散射電子像的像襯原理、掌握二次電子像、背散射電子像的像襯原理、特點、分析方法及應用；了解其它電子像的像襯特點、分析方法及應用；了解其它電子像的像襯原理、特點、分析方法及應用。原理、特點、分析方法及應用。4了解波譜儀和能譜儀的工作原理，掌握它們的了解波譜儀和能譜儀的工作原理，掌握它們的應用特點。應用特點。5電子探針的點分析、線分析和面分析的應用電子探針的點分析、線分析和面分析的應用本章要求本章要求高分子物理近代研究方法，張俐娜等編，武漢大學

3、高分子物理近代研究方法，張俐娜等編，武漢大學出版社，出版社，2003。掃描電子顯微鏡分析技術，杜學禮等編，化學工業掃描電子顯微鏡分析技術，杜學禮等編，化學工業出版社，出版社，1986。電子顯微鏡的原理和使用，張宜等編，北京大學出電子顯微鏡的原理和使用，張宜等編，北京大學出版社，版社，1983。“Electron microscopy of thin crystals”, M. A. Hirsch，Krieger Publishing Co. Huntington, 1965.“Electron microscopy and analysis”, Peter J. Goodhew, John H

4、umphreys, Richard Beanland. Taylor & Francis, 2001. 參考書參考書SEM的特點和工作原理的特點和工作原理 1965年第一臺商用年第一臺商用SEM問世問世;SEM能彌補透射電鏡樣品制備要求很高的缺點能彌補透射電鏡樣品制備要求很高的缺點; 景深大景深大; 放大倍數連續調節范圍大放大倍數連續調節范圍大; 分辨本領比較高。分辨本領比較高。為什么要發明掃描電鏡？為什么要發明掃描電鏡？透射電鏡的成像透射電鏡的成像電子束電子束穿過穿過樣品后獲得樣品樣品后獲得樣品襯度的信號（電子束強度），利用電磁透鏡（三級）襯度的信號（電子束強度），利用電磁透鏡（三級

5、）放大成像。放大成像。掃描電鏡成像掃描電鏡成像利用利用細聚焦電子束細聚焦電子束在樣品表在樣品表面掃描時激發出來的各種面掃描時激發出來的各種物理信號物理信號來調制成像的。來調制成像的。碳纖維碳纖維水泥水泥水泥熟料斷面水泥熟料斷面普通水泥漿體普通水泥漿體聚合物改性水泥漿體聚合物改性水泥漿體高分子材料制成的納米篩高分子材料制成的納米篩荷葉的自潔效應荷葉的自潔效應日本的氧化鋁粗粉日本的氧化鋁粗粉紅血球紅血球 頭發末梢的分叉頭發末梢的分叉牙斑牙斑花粉粒花粉粒用用載能粒子載能粒子作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作用后便帶有樣品的結構信息，分為吸收和發射光譜。用后便帶有樣品

6、的結構信息，分為吸收和發射光譜。所用波長應該與要分析的結構細節相應，例如要想所用波長應該與要分析的結構細節相應，例如要想分析原子排列，必須用波長接近或小于原子間距的分析原子排列，必須用波長接近或小于原子間距的入射束。入射束。電子、光子和中子是最常見的束源。電子、光子和中子是最常見的束源。入射束入射束出射束出射束 物質物質微觀結構分析基本原理微觀結構分析基本原理高能電子束與樣品作用產生各種信息：高能電子束與樣品作用產生各種信息：二次電子、背散射電子、二次電子、背散射電子、吸收電子、特征吸收電子、特征X射線、射線、俄歇電子、透射電子等俄歇電子、透射電子等。1 電子束與固體樣品作用時產生的信電子束與

7、固體樣品作用時產生的信號號 一一. 背散射電子背散射電子產生產生：背散射電子是被固體樣品中原子反彈回來的一部分：背散射電子是被固體樣品中原子反彈回來的一部分 入射電子。入射電子。 包括：包括：彈性背散射電子彈性背散射電子被樣品中被樣品中原子核原子核反彈回來的入反彈回來的入 射電子，能量基本沒有損失，能量很高。射電子，能量基本沒有損失，能量很高。 非彈性背散射電子非彈性背散射電子被樣品中被樣品中核外電子核外電子撞擊后撞擊后 產生非彈性散射的入射電子，方向和能量均發生改產生非彈性散射的入射電子，方向和能量均發生改 變，經多次散射后仍能反彈出樣品表面的入射電變，經多次散射后仍能反彈出樣品表面的入射電

8、 子。子。u彈性背散射電子的能量彈性背散射電子的能量為數千電子伏到數萬電子伏為數千電子伏到數萬電子伏u非彈性背散射電子的能量分布范圍很寬，非彈性背散射電子的能量分布范圍很寬，從數十電從數十電子伏到數千電子伏。子伏到數千電子伏。特點特點：背散射電子來自樣品表層：背散射電子來自樣品表層100nm到到1m的的深度范圍，其產額能隨深度范圍，其產額能隨樣品原子序數樣品原子序數的增大而增多。的增大而增多。作用作用：不僅能做形貌分析，還可定性作成分分析。不僅能做形貌分析，還可定性作成分分析。 二二. 二次電子二次電子產生產生：入射電子束轟擊出來并離開樣品表面的：入射電子束轟擊出來并離開樣品表面的 樣品中的核

9、外電子樣品中的核外電子。2. 特點特點： 能量較低（能量較低（50eV）；）； 一般在一般在表層表層510nm深度范圍內深度范圍內 發射出來，對樣品表面形貌非常敏感。發射出來，對樣品表面形貌非常敏感。3. 作用作用：樣品表面形貌分析。：樣品表面形貌分析。三三. 吸收電子吸收電子1. 產生產生：入射電子入射電子多次非彈性散射后能量消失，多次非彈性散射后能量消失， 最后被樣品吸收。最后被樣品吸收。 入射電子被樣品吸收后也會產生電流強度。入射電子被樣品吸收后也會產生電流強度。入射電子的電流強度入射電子的電流強度=（無透射電子時無透射電子時）逸出表面的背散射電子的電流強度逸出表面的背散射電子的電流強度

10、+二次電子電流強度二次電子電流強度+吸收電子的電流強度吸收電子的電流強度特點：樣品中原子序數較大的元素產生的背散射特點：樣品中原子序數較大的元素產生的背散射 電子的數目較多，相反，吸收電子的數電子的數目較多，相反，吸收電子的數量量 就較少；反之亦然。就較少；反之亦然。因此，吸收電子也因此，吸收電子也可可 反映原子序數襯度，可進行定性微區成反映原子序數襯度，可進行定性微區成分分 分析。分析。3. 作用：定性微區成分分析。作用：定性微區成分分析。 四四. 透射電子透射電子產生：如果被分析的樣品很薄，則有一部分入射產生：如果被分析的樣品很薄，則有一部分入射 電子穿過薄樣品而成為透射電子。此時，電子穿

11、過薄樣品而成為透射電子。此時， 入射電子強度（入射電子強度（i）= 背散射電子背散射電子i +二次電子強度二次電子強度i +吸收電子吸收電子i +透射電子透射電子i 特點特點： 只有樣品的厚度小于入射電子的有效只有樣品的厚度小于入射電子的有效穿入深穿入深 度時，才會產生。度時，才會產生。 隨樣品厚度增加（質量厚度隨樣品厚度增加（質量厚度t），透），透射電子數目減小，吸收電子數量增加，當樣品射電子數目減小，吸收電子數量增加，當樣品厚度超過有效穿透深度后，無透射電子。厚度超過有效穿透深度后，無透射電子。3. 作用作用：配合電子能量分析器來進行微區成分分配合電子能量分析器來進行微區成分分析。析。 五

12、五. 特征特征X射線射線產生產生：當入射電子的能量足夠大，使樣品原子的內：當入射電子的能量足夠大，使樣品原子的內 層電子被激發或電離，此時外層電子向層電子被激發或電離，此時外層電子向內層內層 躍遷以填補內層電子的空位，躍遷以填補內層電子的空位，從而輻射從而輻射出具出具 有原子序數特征的特征有原子序數特征的特征X射線射線。2. 特點特點：反映了樣品中原子序數特征。：反映了樣品中原子序數特征。3. 應用應用：微區成分分析（元素）。：微區成分分析（元素）。 六六. 俄歇電子俄歇電子產生產生：入射電子激發樣品的特征：入射電子激發樣品的特征X射線過程中，外射線過程中，外層電子向內層躍遷時輻射出來的能量不

13、是以層電子向內層躍遷時輻射出來的能量不是以X射線射線的形式發射出去，而被外層的的形式發射出去，而被外層的另一個電子吸收而擺另一個電子吸收而擺脫原子核的束縛而逃離出來脫原子核的束縛而逃離出來，這個被電離的電子稱，這個被電離的電子稱為為俄歇電子俄歇電子。特征特征： 俄歇電子能量很低，并且具有反映原子序俄歇電子能量很低，并且具有反映原子序數的特征能量；數的特征能量； 只有距離表面只有距離表面1nm左右范圍內逸出的俄歇左右范圍內逸出的俄歇電子才具備特征能量。電子才具備特征能量。作用作用：表面層成分分析。表面層成分分析。u除此之外，在固體中電子能量損失的除此之外，在固體中電子能量損失的40%80%最最終

14、轉化為熱量，還有一些其他信號產生，例如陰終轉化為熱量，還有一些其他信號產生，例如陰極熒光、電子束感生效應和電動勢等信號。極熒光、電子束感生效應和電動勢等信號。掃描電鏡（掃描電鏡（SEM）構成構成電子光學系統電子光學系統信號收集處理、圖像信號收集處理、圖像顯示和記錄系統顯示和記錄系統真空系統真空系統電源系統電源系統2 掃描電子顯微鏡構造和工作原理掃描電子顯微鏡構造和工作原理 一一. 電子光學系統（鏡筒）電子光學系統（鏡筒）1. 電子槍電子槍 功能：發射電子并加速，功能：發射電子并加速，加速電壓低于加速電壓低于TEM。2. 電磁透鏡電磁透鏡 功能：功能：只作為聚光鏡，而不能放大成像。只作為聚光鏡，

15、而不能放大成像。 將電子槍的束斑逐級聚焦縮小，使原來直徑為將電子槍的束斑逐級聚焦縮小，使原來直徑為50m的束斑縮小成只有的束斑縮小成只有數個納米數個納米的細小斑點。的細小斑點。 構成：構成：由兩級聚光鏡構成，縮小電子束光斑。由兩級聚光鏡構成，縮小電子束光斑。 照射到樣品上的照射到樣品上的電子束直徑電子束直徑決定了其分辨率。決定了其分辨率。3. 掃描線圈掃描線圈v作用作用是使電子束偏轉，并在樣品表面作有規則的掃動是使電子束偏轉，并在樣品表面作有規則的掃動。v電子束在樣品上的掃電子束在樣品上的掃描動作和顯像管上的描動作和顯像管上的掃描動作嚴格同步掃描動作嚴格同步，由同一掃描發生器控由同一掃描發生器

16、控制。制。 v掃描的兩種方式掃描的兩種方式v光柵掃描（相貌分析）光柵掃描（相貌分析） v角光柵掃描（電子通角光柵掃描（電子通道花樣分析）道花樣分析）4. 樣品室樣品室作用：作用：放置樣品，安置信號探測器。放置樣品，安置信號探測器。特點：特點：能容納較大的試樣，并在三維空間進行移動、傾斜能容納較大的試樣，并在三維空間進行移動、傾斜和旋轉和旋轉；帶有多種附件，可使樣品在樣品臺上加熱、冷卻帶有多種附件，可使樣品在樣品臺上加熱、冷卻和進行機械性能試驗，以便進行斷裂過程中的動態和進行機械性能試驗，以便進行斷裂過程中的動態原位觀察。原位觀察。 二二. 信號的收集和圖像顯示系統信號的收集和圖像顯示系統信號電

17、子信號電子進入閃爍體后轉變為進入閃爍體后轉變為可見光信號可見光信號光光電倍增器放大電倍增器放大電流信號電流信號經視頻放大器放大經視頻放大器放大調制信號調制信號顯像管成像顯像管成像樣品形貌像的形成：樣品形貌像的形成：由于鏡筒中的電子束和顯像管中由于鏡筒中的電子束和顯像管中電子束是同步掃描的，而電子束是同步掃描的，而熒光屏上的每一點的亮度是熒光屏上的每一點的亮度是根據樣品上被激發出來的信號強度來調制的根據樣品上被激發出來的信號強度來調制的，因此樣因此樣品上各點的狀態各不相同，所以接受的信號也不相同，品上各點的狀態各不相同，所以接受的信號也不相同，故可在熒光屏上看到反映試樣各點狀態的掃描電子圖故可在

18、熒光屏上看到反映試樣各點狀態的掃描電子圖像。像。 三三. 真空系統真空系統 鏡筒內要保持一定的真空度，鏡筒內要保持一定的真空度，目的是防止樣品污目的是防止樣品污染、極間放電，保證燈絲的工作壽命等等問題染、極間放電，保證燈絲的工作壽命等等問題。一般。一般情況下要求保持情況下要求保持10-410-5Torr的真空度。的真空度。四、電源系統四、電源系統作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。由穩壓、穩流及相應的安全保護電路組成。由穩壓、穩流及相應的安全保護電路組成。分辨率分辨率 電子束和固體物質作用時激發的信號電子束和固體物質作用時激發的信號有有二次電

19、子、背散射電子、吸收電子、特二次電子、背散射電子、吸收電子、特征征X射線、俄歇電子射線、俄歇電子，這些信號均可調制成這些信號均可調制成形貌像，各種信號成像時分辨率各不相同。形貌像，各種信號成像時分辨率各不相同。3 掃描電子顯微鏡的主要性能掃描電子顯微鏡的主要性能各種信號的成像分辨率（單位：各種信號的成像分辨率（單位：nm）信號信號二次電子二次電子背散射電子背散射電子分辨率分辨率51050200吸收電子吸收電子特征特征X射線射線俄歇電子俄歇電子100100010010005101. 為什么各種信號分辨率不同？為什么各種信號分辨率不同？ 因為各種信號成像的分辨率與入射電子束因為各種信號成像的分辨率

20、與入射電子束激發該信號時，在樣品中的作用（活動）體積有關，激發該信號時，在樣品中的作用（活動）體積有關，作用體積大小相當于一個成像檢測單元（即像點）。作用體積大小相當于一個成像檢測單元（即像點）。 電子束進入樣品后會造成一個滴狀作用體積，由于俄歇電子束進入樣品后會造成一個滴狀作用體積，由于俄歇電子和二次電子是在樣品淺表層內逸出，故作用體積小，分辨電子和二次電子是在樣品淺表層內逸出，故作用體積小，分辨率高。率高。 背散射電子能量較高，可從較深的部位彈射出表面，故作背散射電子能量較高，可從較深的部位彈射出表面，故作用體積較大，分辨率降低。用體積較大，分辨率降低。 特征特征X射線是在更深的部位激發出

21、來的，其作用體積更大，射線是在更深的部位激發出來的，其作用體積更大，所以分辨率比背散射電子更低。所以分辨率比背散射電子更低。2. 影響影響SEM分辨率的因素分辨率的因素u電子束束斑大小；電子束束斑大小；u檢測信號的類型；檢測信號的類型；u檢測部位的原子序數。檢測部位的原子序數。3. SEM分辨率的測定：分辨率的測定： 和和TEM類似，類似，將圖像上恰好能分辨開的兩將圖像上恰好能分辨開的兩物點距離除以放大倍數。物點距離除以放大倍數。 例如：用真空蒸鍍金膜樣品表面金顆粒的像例如：用真空蒸鍍金膜樣品表面金顆粒的像間距除以放大倍數，即為此放大倍數下的分辨間距除以放大倍數，即為此放大倍數下的分辨率。率。

22、二二. 放大倍數放大倍數 2020萬倍萬倍SEM的放大倍數為：的放大倍數為：顯像管中電子束在熒光屏上最顯像管中電子束在熒光屏上最大掃描幅度和鏡筒中電子束在試樣上最大掃描幅度大掃描幅度和鏡筒中電子束在試樣上最大掃描幅度的比值：的比值： Ac熒光屏上掃描幅度熒光屏上掃描幅度 As電子束在樣品掃過電子束在樣品掃過 的幅度的幅度2. 如何改變放大倍數如何改變放大倍數由于觀察圖像的熒光屏寬度由于觀察圖像的熒光屏寬度是固定的，只要減小電子束在樣品上掃描長度（掃是固定的，只要減小電子束在樣品上掃描長度（掃描面積為矩形），即可得到高放大倍數。描面積為矩形），即可得到高放大倍數。csAMA介于光學顯微鏡和透射電

23、鏡之間介于光學顯微鏡和透射電鏡之間u掃描電鏡的場深是指電子束在試掃描電鏡的場深是指電子束在試樣上掃描時，可獲得清晰圖像的樣上掃描時，可獲得清晰圖像的深度范圍。當一束微細的電子束深度范圍。當一束微細的電子束照射在表面粗糙的試樣上時，由照射在表面粗糙的試樣上時，由于電子束有一定發散度，發散半于電子束有一定發散度，發散半角為角為，除了焦平面處，電子束，除了焦平面處，電子束將展寬，設可獲得清晰圖像的束將展寬，設可獲得清晰圖像的束斑直徑為斑直徑為d，由圖中幾何關系可，由圖中幾何關系可得得：三三.場深場深MDmmdMdtgdD2 . 0 2 . 0d 則，區分的最小距離時，即能的大小相當于熒光屏上若四四.

24、 樣品制備樣品制備1對試樣的要求對試樣的要求u 試樣可以是塊狀或粉末顆粒試樣可以是塊狀或粉末顆粒，在真空中能保持穩定，含有水，在真空中能保持穩定，含有水分的試樣應先烘干除去水分。表面受到污染的試樣，要在不破分的試樣應先烘干除去水分。表面受到污染的試樣，要在不破壞試樣表面結構的前提下進行適當清洗，然后烘干。壞試樣表面結構的前提下進行適當清洗，然后烘干。u 新斷開的斷口或斷面，一般不需要進行處理新斷開的斷口或斷面，一般不需要進行處理，以免破壞斷口，以免破壞斷口或表面的結構狀態。有些試樣的表面、斷口需要進行適當的侵或表面的結構狀態。有些試樣的表面、斷口需要進行適當的侵蝕，才能暴露某些結構細節，則在侵

25、蝕后應將表面或斷口清洗蝕，才能暴露某些結構細節，則在侵蝕后應將表面或斷口清洗干凈，然后烘干。干凈，然后烘干。 u對磁性試樣要預先去磁對磁性試樣要預先去磁，以免觀察時電子束受到磁場的影響。，以免觀察時電子束受到磁場的影響。u 試樣大小要適合儀器。試樣大小要適合儀器。2塊狀試樣塊狀試樣 對于塊狀導電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外，對于塊狀導電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外，基本上不需要進行什么制備，用導電膠把試樣粘結在樣品座上，基本上不需要進行什么制備，用導電膠把試樣粘結在樣品座上，即可放在掃描電鏡中觀察。對于塊狀的非導電或導電性較差的即可放在掃描電鏡中觀察。對于塊狀的非導電或導電性較

26、差的材料，要先進行鍍膜處理，在材料表面形成一層導電膜。材料，要先進行鍍膜處理，在材料表面形成一層導電膜。以避以避免電荷積累，影響圖象質量免電荷積累，影響圖象質量，并可防止試樣的熱損傷。，并可防止試樣的熱損傷。3、粉末試樣的制備、粉末試樣的制備 先將導電膠或雙面膠紙粘結在樣品座上，再均勻地把粉末樣先將導電膠或雙面膠紙粘結在樣品座上，再均勻地把粉末樣撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再鍍上一層導電膜，撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再鍍上一層導電膜，即可上電鏡觀察。即可上電鏡觀察。4、鍍膜、鍍膜鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺射鍍膜鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺

27、射鍍膜。通過加熱蒸發某種物質使其沉積在固體表面，稱為蒸發鍍膜。通過加熱蒸發某種物質使其沉積在固體表面，稱為蒸發鍍膜。離子濺射鍍膜的原理是：在低氣壓系統中，氣體分子在相隔一離子濺射鍍膜的原理是：在低氣壓系統中，氣體分子在相隔一定距離的陽極和陰極之間的強電場作用下電離成正離子和電子，定距離的陽極和陰極之間的強電場作用下電離成正離子和電子，正離子飛向陰極，電子飛向陽極，二電極間形成輝光放電，在正離子飛向陰極，電子飛向陽極，二電極間形成輝光放電，在輝光放電過程中，具有一定動量的正離子撞擊陰極，使陰極表輝光放電過程中，具有一定動量的正離子撞擊陰極，使陰極表面的原子被逐出，稱為濺射面的原子被逐出，稱為濺射

28、，如果陰極表面為用來鍍膜的材料如果陰極表面為用來鍍膜的材料（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽極的樣品臺上，則被正（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽極的樣品臺上，則被正離子轟擊而濺射出來的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度離子轟擊而濺射出來的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度的鍍膜層。的鍍膜層。SEM原理與原理與TEM的主要區別的主要區別 1） 在在SEM中電子束并不像中電子束并不像TEM中一樣是靜態的中一樣是靜態的,在掃描線圈產生的電磁場的作用下，細聚焦電在掃描線圈產生的電磁場的作用下，細聚焦電子束在樣品表面掃描。子束在樣品表面掃描。 2）由于不需要穿過樣品，由于不需要穿過樣品，SEM的加速電

29、壓遠比的加速電壓遠比TEM低；在低；在SEM中加速電壓一般在中加速電壓一般在200V 到到50 kV范圍內。范圍內。 3） 樣品不需要復雜的準備過程，制樣非常簡單。樣品不需要復雜的準備過程，制樣非常簡單。 如何獲得掃描電鏡的像襯度如何獲得掃描電鏡的像襯度 ？ 主要利用樣品表面微區特征（如形貌、原子序主要利用樣品表面微區特征（如形貌、原子序數或化學成分等）的差異，在電子束的作用下產生數或化學成分等）的差異，在電子束的作用下產生的的物理信號強度不同物理信號強度不同，導致顯像管熒光屏上不同區，導致顯像管熒光屏上不同區域的亮度差異，從而獲得一定襯度的圖像。域的亮度差異，從而獲得一定襯度的圖像。4 表面

30、形貌襯度原理及其應用表面形貌襯度原理及其應用2221IIIIIC一一. 二次電子成像原理二次電子成像原理二次電子能量較低，只能從樣品表面層二次電子能量較低，只能從樣品表面層510nm深深度范圍內激發出來；度范圍內激發出來；其數量和原子序數沒有明顯的關系其數量和原子序數沒有明顯的關系，但對微區表面，但對微區表面的形狀十分敏感；如圖所示，隨入射束與試樣表面法的形狀十分敏感；如圖所示，隨入射束與試樣表面法線夾角增大，二次電子產額增大。線夾角增大，二次電子產額增大。大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次電子大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次電子數目多，數目多，在熒光屏上的亮度大在熒光屏上的亮度大

31、小的面，對應的熒光屏的亮度小小的面，對應的熒光屏的亮度小u根據上述原理畫出根據上述原理畫出二次電二次電子形貌襯度的示意圖子形貌襯度的示意圖 u對于實際樣品，表面形貌對于實際樣品，表面形貌要比上面襯度的情況復雜要比上面襯度的情況復雜得多，但形成二次電子襯得多，但形成二次電子襯度的原理是相同的。度的原理是相同的。 實際樣品中二次電子的激發過程示意圖實際樣品中二次電子的激發過程示意圖1)凸出的尖棱，小粒子以及比較陡的斜面處凸出的尖棱，小粒子以及比較陡的斜面處SE產額較多產額較多，在熒，在熒光屏上這部分的亮度較大光屏上這部分的亮度較大 2)平面上的平面上的SE產額較小，亮度較低產額較小，亮度較低。 3

32、)在在深的凹槽底部深的凹槽底部盡管能產生較多二次電子，但其不易被控制盡管能產生較多二次電子，但其不易被控制到，因此到，因此相應襯度也較暗相應襯度也較暗。二二. 二次電子形貌襯度的應用二次電子形貌襯度的應用（一）樣品表面形貌觀察（一）樣品表面形貌觀察（二）斷口分析（二）斷口分析（三）（三）材料變形與斷裂動態過程的原位觀察材料變形與斷裂動態過程的原位觀察（一）（一） 樣品表面形貌觀察樣品表面形貌觀察燒結體燒結自然表面觀察燒結體燒結自然表面觀察晶粒細小的正方相，晶粒細小的正方相， t-ZrO2晶粒尺寸較大的單相晶粒尺寸較大的單相 立方相，立方相，c-ZrO2雙向混合組織，正方雙向混合組織，正方 相晶

33、粒細小，立方相相晶粒細小，立方相 晶粒大。晶粒大。a.片狀珠光體片狀珠光體 b.回火組織回火組織+碳化物碳化物金相表面觀察金相表面觀察Al2O3+15%ZrO2復復合陶瓷燒結表面合陶瓷燒結表面Al2O3晶粒晶粒有棱角大有棱角大晶粒；晶粒；ZrO2顆粒顆粒白色白色球狀小顆粒。球狀小顆粒。（二）（二） 斷口分析斷口分析（1 1）沿晶斷口沿晶斷口 （2 2）韌窩斷口韌窩斷口（3 3）解理斷口）解理斷口（4 4）復合材料斷口）復合材料斷口（三）（三） 材料變形與斷裂動態過程的原位觀察材料變形與斷裂動態過程的原位觀察雙相鋼雙相鋼F+M雙相鋼拉伸過程的動態原位觀察：雙相鋼拉伸過程的動態原位觀察：（a）圖）

34、圖：F首先產生裂紋，首先產生裂紋，M強度高，裂紋強度高，裂紋 擴展至擴展至M受阻，加大載荷，受阻，加大載荷， M前方前方F產生裂紋；產生裂紋；（b）圖）圖：載荷進一步加大，：載荷進一步加大， M才斷裂，裂紋連接才斷裂，裂紋連接 繼續擴展。繼續擴展。 2. 復合材料復合材料 Al3Ti/（Al-Ti）復）復合材料斷裂過程原位觀合材料斷裂過程原位觀察察： Al3Ti為增強相，裂為增強相，裂紋受紋受Al3Ti顆粒時受阻而顆粒時受阻而轉向，沿著顆粒與基體轉向，沿著顆粒與基體的界面擴展，有時顆粒的界面擴展，有時顆粒也斷裂。也斷裂。背散射電子襯度原理及其應用背散射電子襯度原理及其應用5 原子序數襯度原理及

35、其應用原子序數襯度原理及其應用1、背散射電子的襯度原理及應用、背散射電子的襯度原理及應用 v背散射電子背散射電子 1）形貌分析形貌分析來自樣品表層幾百來自樣品表層幾百nm范圍范圍 2）成分分析成分分析產額與原子序數有關產額與原子序數有關 BE形貌襯度特點形貌襯度特點1）用）用BE進行形貌分進行形貌分析時，其分辨率遠析時，其分辨率遠比比SE像低。像低。2）圖象襯度很強，襯）圖象襯度很強，襯度太大會失去細節度太大會失去細節的層次。的層次。BE能量高，以能量高，以直線軌跡直線軌跡逸出樣品表面，對于逸出樣品表面，對于背向檢測器背向檢測器的樣的樣品表面，因檢測器品表面，因檢測器無法收集無法收集到到BE而

36、變成一片陰影，因此，其而變成一片陰影，因此，其圖象襯度很強，襯度太大會失去細節的層次，不利于分析。因圖象襯度很強，襯度太大會失去細節的層次，不利于分析。因此，此，BE形貌分析效果遠不及形貌分析效果遠不及SE，故一般不用，故一般不用BE信號。信號。2. 背散射電子原子序數襯度原理背散射電子原子序數襯度原理 原子序數襯度：是利用對樣品微區原子序數或化原子序數襯度：是利用對樣品微區原子序數或化 學成分變化敏感的物理信號作為調制信號得到的，學成分變化敏感的物理信號作為調制信號得到的， 表示微區化學成分差別的像襯度。表示微區化學成分差別的像襯度。對微區原子序數或化學成分的變化敏感信號：對微區原子序數或化

37、學成分的變化敏感信號： 背散射電子、吸收電子、特征背散射電子、吸收電子、特征X射線、俄歇電子等射線、俄歇電子等。 背散射電子原子序數襯度原理背散射電子原子序數襯度原理 Z40時，背散射電子的產時，背散射電子的產額隨樣品原子序數的增大而增額隨樣品原子序數的增大而增加加，因而，樣品上原子序數較，因而，樣品上原子序數較高的區域，產生較強的信號，高的區域，產生較強的信號，熒光屏上圖像較亮，這樣可以熒光屏上圖像較亮，這樣可以根據背散射電子像亮暗襯度來根據背散射電子像亮暗襯度來判斷相應區域原子序數的相對判斷相應區域原子序數的相對高低，對試樣進行化學成分的高低，對試樣進行化學成分的定性分析。定性分析。背散射

38、電子產額背散射電子產額背散射電子成像背散射電子成像ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射系耐火材料的背散射電子成分像，電子成分像，1000由于由于ZrO2相平均原子相平均原子序數遠高于序數遠高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以圖中相，所以圖中白白色相為斜鋯石色相為斜鋯石，小的白，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫色粒狀斜鋯石與灰色莫來石混合區為來石混合區為莫來石莫來石斜鋯石共析體斜鋯石共析體，基體灰，基體灰色相為莫來石。色相為莫來石。MgOMgOSrTiO3SrTiO3（a）二次電子圖像）二次電子圖像 （b）背散射電子圖像）背散射電子圖像兩種圖像的對比兩種圖像的對比 背散射電子原子序數襯

39、度分析對樣品的要求：背散射電子原子序數襯度分析對樣品的要求： 磨平拋光，但不侵蝕磨平拋光，但不侵蝕 對既要分析形貌又要分析成分的樣品：對既要分析形貌又要分析成分的樣品： 采用一對檢測器檢測同一點的背散射電子，將信采用一對檢測器檢測同一點的背散射電子，將信號處理，號處理， 兩個信號相加為成分像；兩個信號相加為成分像； 信號相減為形貌像。信號相減為形貌像。兩個信號相加為成分像；信號相減為形貌像。兩個信號相加為成分像；信號相減為形貌像。二二. 吸收電子襯度原理及應用吸收電子襯度原理及應用吸收電子原子序數襯度原理：吸收電子原子序數襯度原理： 吸收電子是被樣品吸收的入射電子，故其產吸收電子是被樣品吸收的

40、入射電子，故其產額與背散射電子相反，即：樣品原子序數越小，額與背散射電子相反，即：樣品原子序數越小，背散射電子越少，吸收電子越多，故吸收電子像背散射電子越少，吸收電子越多，故吸收電子像和背散射電子像襯度剛好相反，也可進行成分分析。和背散射電子像襯度剛好相反，也可進行成分分析。吸收電子成像吸收電子成像鐵素體基體球墨鑄鐵拉伸斷口的背散射電子像和吸收電子像鐵素體基體球墨鑄鐵拉伸斷口的背散射電子像和吸收電子像背散射電子像，黑色團狀物為石墨背散射電子像，黑色團狀物為石墨吸收電子像，白色團狀物為石墨吸收電子像，白色團狀物為石墨6.電子探針電子探針X射線顯微分析（射線顯微分析（EPMA） vEPMA的構造與

41、的構造與SEM大體相似，大體相似，只是增加了接收記只是增加了接收記錄錄X射線的譜儀射線的譜儀。vEPMA使用的使用的X射線譜儀有射線譜儀有波譜儀波譜儀和和能譜儀能譜儀兩類。兩類。 v利用利用被聚焦成小于被聚焦成小于1m的高速電子束的高速電子束轟擊樣品表面，轟擊樣品表面，由由X射線波譜儀或能譜儀檢測從試樣表面有限深度和射線波譜儀或能譜儀檢測從試樣表面有限深度和側向擴展的微區體積內產生的側向擴展的微區體積內產生的特征特征X射線的波長和強射線的波長和強度度，得到，得到1m3微區的定性或定量的微區的定性或定量的化學成分化學成分。工作原理工作原理u具有足夠能量的細電子束轟擊試樣表面，激發特征具有足夠能量

42、的細電子束轟擊試樣表面，激發特征x射線，其波長為：射線，其波長為：uK，為常數為常數， 與樣品材料的與樣品材料的Z有關，測出有關，測出 ，即，即可確定相應元素的可確定相應元素的Z 。u某種元素的某種元素的特征特征x射線強度射線強度與該元素在樣品中的濃與該元素在樣品中的濃度成比例，測出度成比例，測出x射線射線I，就可計算出該元素的相對，就可計算出該元素的相對含量。含量。)(1ZK電子探針結構示意圖電子探針結構示意圖 74 u波譜儀全稱為波長分散譜儀波譜儀全稱為波長分散譜儀(Wavelength-Dispersive Spectrometer，WDS)。u 檢測特征檢測特征X射線的波長射線的波長

43、u樣品被激發的特征樣品被激發的特征X射線射線照射到連續轉動的分光晶體照射到連續轉動的分光晶體上實現分光上實現分光(色散色散)，即不同，即不同波長的波長的X射線將在各自滿足射線將在各自滿足布拉格方程的布拉格方程的2 方向上被方向上被(與分光晶體以與分光晶體以2:1的角速度的角速度同步轉動的同步轉動的)檢測器接收。檢測器接收。 一）波譜儀一）波譜儀 當每個當每個X射線光子照到檢測器上時，將產生一個電壓脈沖，射線光子照到檢測器上時，將產生一個電壓脈沖，經放大后接至單通道分析器，篩選脈沖高度并轉化為標準脈沖，經放大后接至單通道分析器，篩選脈沖高度并轉化為標準脈沖，然后用計數器計數存于計算機中。然后用計

44、數器計數存于計算機中。波譜儀波譜儀(WDS)原理圖原理圖X射線波譜儀射線波譜儀光源、發射的光源、發射的x射線會聚焦在射線會聚焦在x射線射線探測器的接受狹縫處；聚焦圓的中探測器的接受狹縫處；聚焦圓的中心心O固定固定，通過彎晶面聚焦圓轉動通過彎晶面聚焦圓轉動來改變衍射角的大小，探測器也隨來改變衍射角的大小，探測器也隨著在聚焦圓上運動。著在聚焦圓上運動。彎晶在某一方向上做直線運動，彎晶在某一方向上做直線運動，X射線出射角不變，晶體通過自轉射線出射角不變，晶體通過自轉改變改變角光源、彎晶和接受狹縫角光源、彎晶和接受狹縫始終聚焦圓周上。始終聚焦圓周上。回轉式波譜儀回轉式波譜儀直進式波譜儀直進式波譜儀波長

45、色散譜波長色散譜波譜儀的特點波譜儀的特點u波譜儀的突出優點是波譜儀的突出優點是波長分辨率很高波長分辨率很高。如：它可將波長十分。如：它可將波長十分接近的接近的VK (0.228434nm)、CrK 1(0.228962nm)和和CrK 2(0.229351nm) 3根譜線清晰地分開。根譜線清晰地分開。u但由于結構的特點，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半但由于結構的特點，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半徑就要足夠大，這時彎晶離徑就要足夠大，這時彎晶離X射線光源的距離就會變大，它射線光源的距離就會變大，它對對X射線光源所張的立體角就會很小，因此對射線光源所張的立體角就會很小，因此對X射線光源發

46、射線光源發射的射的X射線光量子的收集率也就會很低，致使射線光量子的收集率也就會很低，致使X射線信號的射線信號的利用率極低。利用率極低。 2dsin = u此外，由于經過晶體衍射后，強度損失很大，所以，波譜儀此外，由于經過晶體衍射后，強度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發強度下使用，難以在低束流和低激發強度下使用，這是波譜儀的兩個缺點。這是波譜儀的兩個缺點。 二）能譜儀二）能譜儀 u能譜儀全稱為能量分散譜儀能譜儀全稱為能量分散譜儀(Energy Dispersive X-ray Spectrometer ，EDS, EDX)u功能：化學元素定性、定量和分布影像分析功能：化學元素定性、定量

47、和分布影像分析u每種元素具有自己特定的每種元素具有自己特定的x射線特征波長，而特征波長的大小射線特征波長，而特征波長的大小則取決于能級躍遷過程中釋放出的特征能量則取決于能級躍遷過程中釋放出的特征能量E。能譜儀就是能譜儀就是利用不同元素利用不同元素x射線光子特征能量不同這一特點來進行成分分射線光子特征能量不同這一特點來進行成分分析的，析的，其強度決定元素的含量。其強度決定元素的含量。 E=h=hc/ u通過檢測器將所有波長通過檢測器將所有波長(能量能量)的的X射線光子幾乎同時接收進來，射線光子幾乎同時接收進來，不同的不同的X射線光子能量產生的射線光子能量產生的電子電子空穴對數空穴對數不同。不同。

48、Si(Li)檢檢測器將它們接收后經過積分，再經放大整形后送入多道脈沖測器將它們接收后經過積分，再經放大整形后送入多道脈沖高度分析器，然后在熒光屏以脈沖數高度分析器，然后在熒光屏以脈沖數-脈沖高度曲線顯示，這脈沖高度曲線顯示，這就是就是X射線能譜曲線。射線能譜曲線。Elem Wt % At %- C K 0.55 1.53 O K 25.47 53.62 ClK 0.66 0.63 FeK 73.33 44.22 Total 100.00 100.00 能譜儀的主要組成部分能譜儀的主要組成部分u 鋰漂移硅固態檢測器鋰漂移硅固態檢測器Li(Si) 檢測器檢測器u預放大器預放大器u主放大器主放大器u

49、多道分析器多道分析器u數據輸出系統數據輸出系統v 以以Si(Li)檢測器為探頭的能譜儀實際上是一整套復雜的檢測器為探頭的能譜儀實際上是一整套復雜的電子學裝置。電子學裝置。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態狀態，否則晶體內，否則晶體內Li的濃度分布狀態就會因擴散而變化。的濃度分布狀態就會因擴散而變化。Si(Li)X射線能譜儀的原理射線能譜儀的原理 Si(Li)檢測器檢測器Si(Li)檢測器探頭結構示意圖檢測器探頭結構示意圖目前最常用的是目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關鍵部件是射線能譜儀，其關鍵部件是Si(Li)檢測檢測器，即器，即鋰漂移硅

50、固態鋰漂移硅固態檢測器，它實際上是一個以檢測器，它實際上是一個以Li為施主雜質為施主雜質的的n-i-p型二極管。型二極管。Si(Li)能譜儀的優點：能譜儀的優點： (1)分析速度快分析速度快 能譜儀可以同時接受和檢測所有不同能量的能譜儀可以同時接受和檢測所有不同能量的X射線光射線光子信號，故可在幾分鐘內分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹子信號，故可在幾分鐘內分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na92U，20世紀世紀80年代推向市年代推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測

51、元素以上的輕元素，探測元素的范圍為的范圍為4Be92U。 (2)靈敏度高靈敏度高 X射線收集立體角大。由于能譜儀中射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放探頭可以放在離發射源很近的地方在離發射源很近的地方(10 左右左右)，無需經過晶體衍射，信號強度，無需經過晶體衍射，信號強度幾乎沒有損失，所以靈敏度高幾乎沒有損失，所以靈敏度高(可達可達104 cps/nA，入射電子束單位強，入射電子束單位強度所產生的度所產生的X射線計數率射線計數率)。此外，能譜儀可在低入射電子束流。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11 A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。條件下工作，這有利于提高

52、分析的空間分辨率。 (3)譜線重復性好譜線重復性好 由于能譜儀沒有運動部件，穩定性好，且沒有聚焦由于能譜儀沒有運動部件，穩定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復性好且不存在失焦問題，適合于比要求，所以譜線峰值位置的重復性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。較粗糙表面的分析工作。 Si(Li)能譜儀的缺點：能譜儀的缺點： (1) 能量分辨率低，峰背比低。能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探頭直接對著樣品，所由于能譜儀的探頭直接對著樣品，所以由背散射電子或以由背散射電子或X射線所激發產生的熒光射線所激發產生的熒光X射線信號也被同時檢射線信號也被同時檢測到，從而使得測到，從而

53、使得Si(Li)檢測器檢測到的特征譜線在強度提高的同時，檢測器檢測到的特征譜線在強度提高的同時，背底也相應提高，譜線的重疊現象嚴重。故儀器分辨不同能量特背底也相應提高，譜線的重疊現象嚴重。故儀器分辨不同能量特征征X射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率(130 eV)比波譜儀的能比波譜儀的能量分辨率量分辨率(5 eV)低。低。v 峰背比的定義峰背比的定義：多道脈沖高度分析器的中間道的計數減去背底的：多道脈沖高度分析器的中間道的計數減去背底的計數，然后再除以背底的計數。背底是由峰值兩側的計數來估計計數，然后再除以背底的計數。背底是由峰值兩側的計數來估計的。的。(2)

54、 工作條件要求嚴格。工作條件要求嚴格。Si(Li)探頭必須始終保持在探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫液氦冷卻的低溫狀態狀態，即使是在不工作時也不能中斷，否則晶體內，即使是在不工作時也不能中斷，否則晶體內Li的濃度分布的濃度分布狀態就會因擴散而變化，導致探頭功能下降甚至完全被破壞。狀態就會因擴散而變化，導致探頭功能下降甚至完全被破壞。 波譜議和能譜儀比較波譜議和能譜儀比較波譜儀波譜儀能譜儀能譜儀在在SEM中用能譜儀作元素分析的優點中用能譜儀作元素分析的優點能譜分析的基本工作方式能譜分析的基本工作方式 一、一、定點分析定點分析，即對樣品表面選定微區作定點的全譜掃描，進，即對樣品表面選定微區作定點的

55、全譜掃描，進行定性或半定量分析，并對其所含元素的質量分數進行定量行定性或半定量分析，并對其所含元素的質量分數進行定量分析；分析；二、二、線掃描分析線掃描分析，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進行所，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進行所含元素質量分數的定性或半定量分析；含元素質量分數的定性或半定量分析；三、三、面掃描分析面掃描分析，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元素的定元素的X射線的信號強度調制陰極射線管熒光屏的亮度，獲射線的信號強度調制陰極射線管熒光屏的亮度，獲得該元素質量分數分布的掃描圖像。得該元素質量分數分布的掃描圖像。 u下圖給出了下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點成分分析結果，陶瓷析出相與基體定點成分分析結果，可見析出相（可見析出相（t相）相）Y2O3含量低，而