1、掃描電子顯微鏡基礎(chǔ)課 “材料人”系列講座第一講 2017年10月22日,1.SEM的相關(guān)應(yīng)用 2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語 3.SEM成像機(jī)理 4.陰極熒光光譜及能譜 5.SEM前景分析,目錄,1.SEM的相關(guān)應(yīng)用,陶瓷、高分子、 粉末、金屬、 夾雜物、環(huán)氧樹脂,熱蒸發(fā)SiO粉末生長 的二氧化硅納米線,水稻根毛生長過程（用冷凍臺技術(shù) -180）,氧化錫納米棒 ESEM,硫 化 鉍,方解石,光子 禁帶,共晶組織,陶 瓷 多 晶,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語,人眼,目鏡,物鏡,聚光鏡,照明光源,樣品,聚光鏡,樣品,物鏡,投影鏡,燈絲,熒光板圖像,燈絲,聚光鏡,偏轉(zhuǎn)器,物鏡,探測器,樣品,視

2、屏圖像,OM,TEM,SEM,1942年 第一臺掃描電子顯微鏡 60年代 分辨率和圖像質(zhì)量的大大的改善 80年代 廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域 90年代 高分辨型掃描電鏡的分辨率0.2nm,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語,飛納,蔡司,菲利普,日立,日立 S-4800 場發(fā)射掃描電子顯微鏡,主要性能： 二次電子像分辨率： 1.0nm(15kv)；1.4nm(1kv,減速模式)； 2.0nm (1kV)普通模式 加速電壓：0.5 30kV 放大倍率：20 800,000 束流強(qiáng)度：1pA2nA 物鏡光欄：加熱自清潔式、四孔、可移動物鏡光欄 樣品室和樣品臺：移動范圍：X：050mm；Y：05mm；

3、Z：1.530mm； T：-5700旋轉(zhuǎn)R：3600，最大樣品尺寸：100mm 探測器: 高位探頭可選擇接受二次電子像或背散射像，并混合INCA Energy 350 X射線能譜儀 技術(shù)指標(biāo)： X-sight Si(Li) 探測器 (專利)，SuperATW 窗口 30mm2 活區(qū)，分辨 率優(yōu)于133eV (MnK處,計(jì)數(shù)率為4000cps)，分析元素范圍：Be4-U92,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語,成像原理：利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面掃描時激發(fā)出來的各種物理信號調(diào)制成像。類似電視攝影顯像的方式。 SEM的樣品室附近可以裝入多個探測器。目前的掃描電子顯微鏡可以進(jìn)行形貌、微區(qū)成分和晶體結(jié)構(gòu)

4、等多種微觀組織結(jié)構(gòu)信息的同位分析。,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語工作原理,SED：二次電子探測儀 BSD：背散射電子探測儀 EDS：能譜儀 WDS：波譜儀 EBSD：電子背散射衍射 VPSED：可變壓力探測儀,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語工作原理,1.電子光學(xué)系統(tǒng)：電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室 作用是將來自電子槍的電子束聚焦成亮度高、直徑小來轟擊樣品，使之產(chǎn)生各種物理信號,發(fā)夾形鎢陰極、Y2O3-Ir陰極、LaB6陰極、場發(fā)射陰極,信號收集及顯示系統(tǒng),電子光學(xué)系統(tǒng),真空系統(tǒng),束斑大 束流密度小,束斑小 束流密度大,束斑最小 束流密度最大,束斑較小 束流密度較小,2.信號收集及顯示

5、系統(tǒng)：不同信號探測器，掃描系統(tǒng)，增益放大，顯示屏 作用是將信號通過探測器接收，經(jīng)放大器傳輸?shù)斤@示屏，進(jìn)而得到圖像，輸入到計(jì)算機(jī)。,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語工作原理,樣品空間,顯示空間,掃描電鏡的成像是通過掃描完成的 同步掃描：掃描發(fā)生器同時控制高能電子束和熒光屏中的電子束 樣品上的點(diǎn)與顯示空間的點(diǎn)一一對應(yīng),掃描方向,圖示方向,3.真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。 真空柱是一個密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。有機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及渦輪分子泵三大類。 作用：防止電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，平時還需要以純

6、氮?dú)饣蚨栊詺怏w充滿整個真空柱。,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語工作原理,鏡筒和樣品室都是處于 高真空狀態(tài)下工作，由渦輪分子泵抽高真空，外接的機(jī)械泵與分子泵串連，是前級泵，抽低真空。高低真空度分 別由潘寧規(guī)和皮拉尼規(guī)測量。 有的電鏡有低真空操作功能，樣品室可以通 入適量氣體或水蒸氣，直接觀察不導(dǎo)電或含水樣品。,蔡司EVO系列,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語放大倍數(shù),放大倍率M定義：M = A / a A：熒光屏寬度，a：電子束在樣品上的掃描寬度,低倍像意味著樣品上的掃描面積大，適于大范圍觀察；高倍像意味著掃描面積小，適于觀察局部細(xì)節(jié)。照片為鐵氧體的高倍和低倍圖像。,鐵氧體 10kV 1k,鐵

7、氧體 10kV 10k,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語景深,樣品表面高低不平，利用掃描電鏡成像，可以看清楚的高點(diǎn)F1和低點(diǎn)F3之間的距離稱為景深。掃描電鏡的景深優(yōu)于光鏡和透射電鏡。用一個比喻，光鏡景深若為1，掃描電鏡景深則是其300倍。特別適合觀察粗糙面樣品或材料斷口。 為提高景深，可以選用較小的放大倍率，或者拉遠(yuǎn)樣品到物鏡下表面的距離，這稱為工作距離（WD），從左圖可見，由于WD2WD1，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3幾個不同高度部位在圖像中均清晰。,燈絲 10kV 400 WD=6mm,燈絲 10kV 400 WD=21mm,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語分辨率,分辨率 ：樣品上可以分辨的兩個鄰近的

8、質(zhì)點(diǎn)或線條間的距離。 如何測量：拍攝圖象上，亮區(qū)間最小暗間隙寬度除以放大倍數(shù)。 影響SEM圖像分辨率的主要因素有： 掃描電子束斑直徑 ； 檢測信號類型； 檢測部位原子序數(shù)； 機(jī)械振動及雜散磁場； 操作方式； 信噪比等,2.SEM儀器工作原理及相關(guān)術(shù)語加速電壓,加速電壓 ：掃描電鏡的加速電壓可影響電子束入射樣品的深度，對成像產(chǎn)生明顯影響。 低電壓對應(yīng)較淺的入射深度和作用區(qū)域；高電壓對應(yīng)較深的入射深度和作用區(qū)域。,加速電壓,高分辨率,低分辨率,相對較清晰的表面精細(xì)結(jié)構(gòu) 更小的邊緣效應(yīng) 更小的電荷積累 更小的輻射損傷,相對不清晰的表面精細(xì)結(jié)構(gòu) 更大的邊緣效應(yīng) 更大的電荷積累 更大的輻射損傷,21,可

9、編輯,3.SEM成像機(jī)理,電子束與樣品之間的作用,產(chǎn)生深度和寬度,在接收探測器上加正電壓吸引電子 采用光電倍增管放大信號,3.SEM成像機(jī)理信號檢測,彈性散射 BSE Z襯度 電子束 樣品 非彈性散射 SE 形貌襯度 非彈性散射 X-Ray 元素分析 透射電子 TEM STEM 吸收電子,背散射電子是固體樣品中的原子核反彈回來的部分入射電子，它來自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)增大而增大，所以不僅能用做形貌分析，而且可以用來顯示原子序數(shù)的襯度，定性地用做成分分析。 二次電子是在入射電子束作用下被轟擊出來離開樣品表面的核外電子。它來自表層510nm的深度范圍內(nèi)，它對樣品

10、表面形貌十分敏感，能用來非常有效的顯示樣品的表面形貌。 特征X射線由樣品原子內(nèi)層電子被入射電子激發(fā)或電離而成，可以用來判定微區(qū)存在的元素。,3.SEM成像機(jī)理信號產(chǎn)額,二次電子： 高分辨率的樣品表面形貌 樣品的電壓襯度 樣品的磁襯度和磁疇顯示 背散射電子： 表面形貌 原子序數(shù)襯度 晶體取向襯度 提供電子通道花樣，確定晶體取向 特征X射線： 任何部位的元素分析和元素分布圖,3.SEM成像機(jī)理形貌襯度,實(shí)際樣品中表面起伏： 入射電子束與樣品夾角不同時采集到二次電子信號亮度不同，從而形成襯度 朝向探測器的方位信號強(qiáng)得多 樣品表面的尖端、邊沿信號很強(qiáng)邊緣效應(yīng) 小粒子的二次電子產(chǎn)額較高,3.SEM成像機(jī)

11、理原子序數(shù)襯度,它的產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)增大而增大，所以不僅能用做形貌分析，而且可以用來顯示原子序數(shù)的襯度，定性地用做成分分析。,3.SEM成像機(jī)理電壓襯度,圖 試樣上添加合適的偏置電壓及襯度對比,二次電子能量低，30eV，其產(chǎn)額和運(yùn)動軌跡受試樣表面存在的電位影響明顯。能直觀地反映試樣表面相對電位分布的情況。,SED 150V,10V,0V,襯度機(jī)理：反向偏置電壓10V，試樣N區(qū)的二次電子能量大于10eV才能被激發(fā)，小于等于10eV的電子沒法逃逸，這樣N區(qū)的二次電子產(chǎn)量比P的少； 另外，如果SED系統(tǒng)柵電位為150V，對N和P的電位差分別為140和150V，電場作用力P較大，此時假設(shè)兩區(qū)發(fā)射的

12、電子相同，SED對P的收集率要高于N區(qū)。,電子束 掃描方向,3.SEM成像機(jī)理磁襯度,利用SEM觀察磁疇可分為兩種方法，即利用二次電子和利用背散射電子。電子束投射到物體表面后，一部分電子從物體表面散射，其中經(jīng)非彈性散射離開物體表面的慢速電子稱為二次電子。另一部分較深入樣品的入射電子經(jīng)受某種散射后，再從表面逸出。 二次電子從入射位置發(fā)出，二次電子受到樣品表面 散磁場的洛侖茲力作用，F(xiàn)=evB，電子軌道方向 彎曲。而散磁場是由樣品表面磁疇結(jié)構(gòu)決定的， 相鄰磁疇在表面產(chǎn)生的散磁場方向不同，因而造成 二次電子象的磁反差。,材料在自發(fā)磁化、熱處理、機(jī)加工、燒結(jié)等過程中為降低靜磁能而產(chǎn)生分化的方向各異的小

13、型磁化區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)部包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區(qū)域之間原子磁矩排列的方向不同磁疇,怎么判斷信號對應(yīng)的形貌是不是為磁疇？,4.陰極熒光光譜及能譜陰極熒光光譜,陰極熒光（CL）是由加速電子撞擊材料表面所放出的光子（Photon）信號。當(dāng)加速電子撞擊材料，將價帶（value band）中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶（conduction band），產(chǎn)生電子空穴對（electron-hole），之后由于導(dǎo)帶能量高不穩(wěn)定，被激發(fā)電子又重新跳回價帶，電子-空穴會發(fā)生復(fù)合，并釋放出能量EEg(能隙)的特征熒光譜。通常用于研究半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特征。,掃描電子顯微鏡(SEM)的

14、附件，可以在SEM測試樣品表面形貌的同時，進(jìn)行CL測試，得到樣品的雜質(zhì)、缺陷等信息。,電子激發(fā)產(chǎn)生陰極熒光有三種形式，一種是帶間激發(fā)(圖(a)，即受入射電子的激發(fā)，價帶中的電子能夠獲得能量進(jìn)入導(dǎo)帶，使原子處于激發(fā)狀態(tài),去激過程導(dǎo)帶電子躍回價帶釋放能量(h)，形成帶間激發(fā)。帶間激發(fā)可以表征所測礦物的特性，另一種是缺陷激發(fā)(圖(b)，由于帶間存在缺陷，去激過程發(fā)生在缺陷能級中。第三種是雜質(zhì)激發(fā)(圖(c),由于材料中雜質(zhì)的存在,在帶間存在雜質(zhì)能級，因此，去激過程發(fā)生在雜質(zhì)能級中。,4.陰極熒光光譜及能譜陰極熒光光譜,陰極熒光成像主要應(yīng)用： 研究3和5族化合物半導(dǎo)體材料中晶體的缺陷、位錯、自由電子和摻

15、雜濃度的變化：GaAs、GaN、GaSb 根據(jù)熒光材料的發(fā)光情況，研究其材料的均勻性和夾雜物的分布及種類。 研究礦物的生長條件、晶體生長過程和礦床成因的類型 確定試樣中某些微量元素的存在，特別是能譜儀難以檢測的元素 印泥鑒別、射擊殘留物、指紋顯像、毒品來源及生產(chǎn)工藝,目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是Si(Li)檢測器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測器，它實(shí)際上是一個以Li為施主雜質(zhì)的P-I-N型二極管。,4.陰極熒光光譜及能譜能譜儀,冷阱,FET場效應(yīng)管,在Si(Li)晶體兩端偏壓來收集電子空穴對（前置放大器）轉(zhuǎn)換成電流脈沖（主放大器）轉(zhuǎn)換成電壓脈沖（后進(jìn)入）多通脈沖高度分析器，按高度

16、把脈沖分類，并計(jì)數(shù)，從而描繪圖譜。,Si(Li)能譜儀系統(tǒng)方框圖,P-I-N型Si二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu),例1：Mn K能量為5.895KeV，最多形成電子-空穴對個數(shù)？ 例2：Ca K能量為3.7KeV，能產(chǎn)生多少電子-空穴對？,Si(Li)能譜儀的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： (1)定性分析速度快 可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的幾乎所有元素。 鈹窗口：11Na92U，新型材料窗口：4Be92U (2)靈敏度高 X射線收集立體角大，空間分辨率高。 (3)譜線重復(fù)性好 適合于表面比較粗糙的分析工作。 缺點(diǎn)： (1)能量分辨率低，峰背比低。能譜儀的能量分辨率(130eV)比波譜儀的能量分辨率(5eV)低。 (2)工

17、作條件要求嚴(yán)格。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)。 (3)定量分析精度不如波譜儀。,定點(diǎn)分析： 將電子束固定在要分析的微區(qū)上用能譜儀分析時，調(diào)整好束流，即可得到分析點(diǎn)的X射線譜線；用能譜儀分析時，幾分鐘內(nèi)即可直接從熒光屏（或計(jì)算機(jī)）上得到微區(qū)內(nèi)全部元素的譜線 線掃描分析：將譜儀（波、能）固定在所要測量的某一元素特征X射線信號（波長或能量）的位置，把電子束沿著指定的方向作直線軌跡掃描，便可得到這一元素沿直線的濃度分布情況。 面掃描分析（ X射線成像 ）：電子束在樣品表面作光柵掃描，將譜儀（波、能）固定在所要測量的某一元素特征X射線信號（波長或能量）的位置，此時，在熒光屏上得到該元素的面分布圖像。,4.陰極熒光光譜及能譜電子探針,SEM,EDS,5.