现代材料检测8章SE.ppt

第八章 扫描电子显微分析,History of SEM,1935：德国的Knoll卡诺尔提出扫描电镜的设计思想和工作原理。1942：剑桥大学的马伦首次制成世界第一台扫描电镜。,Features of SEM,广泛的放大倍率,1.扫描电子显微镜的构造,2扫描电子显微镜的工作原理,2扫描电子显微镜的工作原理 扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗粒 由电子枪发射的能量为535keV的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生随试样表面形貌而变化物理信号（二次电子、背散射电子或吸收电子等，二次电子是最主要的成像信号），这些电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的特征电子图像。,扫描电镜的主要结构电子光学系统获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径电子枪1.热发射电子枪：W丝阴极：20-50um；LaB6阴极：20um 2.场发射电子枪：冷场致发射和热场致发射：10-20nm聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜）物镜光阑,扫描系统扫描信号发生器扫描放大控制器扫描偏转线圈,信号探测放大系统检测样品在入射电子作用下产生的二次电子、背散射电子等电子信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号，由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。图象显示和记录系统：显象管、照相机等真空系统：真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa0.001Pa，通常用机械泵油扩散泵抽真空。电源系统,3.扫描电镜的工作内容,二次电子像：微观形貌像-得到物质表面形貌反差的信息。背散射电子像：组成分布像-可得到不同区域内平均原子序数差别的信息。,微区形貌观测,二次电子产额与二次电子束与试样表面法向夹角有关，1/cos。角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感因为随着角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多；其次随角的增加，总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多。,3.1 二次电子像,3.1、二次电子像 二次电子是被入射电子轰出的试样原子的核外电子，其主要特点是：（l）能量小于50eV，主要反映试样表面10nm层内的状态，成像分辨率高。（2）二次电子发射系数与入射束的能量有关。随着入射束能量增加，二次电子发射系数减小,（3）二次电子发射系数和试样表面倾角有如下关系：1/cos,（a）陶瓷烧结体的表面图像（b）多孔硅的剖面图,二次电子像,3.2 背散射电子像,背散射电子既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。1.形貌衬度 用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。因为背反射电子时来自一个较大的作用体积。此外，背反射电子能量较高，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，因检测器无法收集到背反射电子，而掩盖了许多有用的细节。2.成分衬度 背散射电子发射系数可表示为样品中重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。利用原子序数造成的衬度变化可以对各种合金进行定性分析。背反射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。,2、背散射电子像 背散射电子是由样品反射出来的入射电子，其主要特点是：能量很高，有相当部分接近入射电子能量E0，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。背散射电子发射系数随原子序数增大而增大（图2-75）。作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数变化不大（图2-75）。,两种图像的对比,锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像,扫描电镜图象及其衬度,背散射电子像分辨率低，因此一般不用它来观察表面形貌，而主要用来初步判断试样表面不同原子序数成分的分布状况。对有些既要进行形貌观察又要进行成分分析的样品，将左右两个检测器各自得到的电信号进行电路上的信号相加，便能得到反映样品原子序数的信息；相减能得到形貌信息。,扫描电镜图象及其衬度,ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子成分像，1000,ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子像。由于ZrO2相平均原子序数远高于Al2O3相和SiO2 相，所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石斜锆石共析体，基体灰色相为莫来石。,3.扫描电镜的主要特征,(1)放大倍数 荧光屏上的扫描振幅 电子束在样品上的扫描振幅 放大倍数与扫描面积的关系：(若荧光屏画面面积为1010cm2)放大倍数 扫描面积 10(1cm)2 100(1mm)2 1,000(100m)2 10,000(10m)2 100,000(1m)2,(2)分辨率分辨率指能分辨的两点之间的最小距离。分辨率d可以用贝克公式表示：d=0.61/nsin。影响分辨率的主要因素：初级束斑：分辨率不可能小于初级束斑 入射电子在样品中的散射效应 对比度SEM是用电子束照射样品，电子束是一种De Broglie波，具有波粒二相性，12.26/V0.5(伏)，如果V20kV时，则0.0085nm。目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm-6nm,场发射源SEM分辨率可达到1nm。高分辨率的电子束直径要小，分辨率与电子束直径近似相等。,光学显微镜分辨率 d0.5，可见光波长范围为：400nm-700nm，所以d 200nm,(3)景深大,景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口样品观察需要大景深的SEM。SEM的景深f可以用如下公式表示：,f=,式中D为工作距离，a为物镜光阑孔径，M为放大倍率，d为电子束直径。可以看出，长工作距离、小物镜光阑、低放大倍率能得到大景深图像。,一般情况下，SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜（OM）大100倍。,(4)保真度好,样品通常不需要作任何处理即可以直接进行观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析特别重要。,(5)样品制备简单,样品可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光片，对不导电的样品如塑料、矿物只需蒸镀一层20nm的导电膜。通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层.另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。,1.镀膜 镀膜的方法有两种，一是真空镀膜，另一种是离子溅射镀膜。,离子溅射镀膜的原理是：在低气压系统中，气体分子在相隔一定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子，正离子飞向阴极，电子飞向阳极，二电极间形成辉光放电，在辉光放电过程中，具有一定动量的正离子撞击阴极，使阴极表面的原子被逐出，称为溅射，如果阴极表面为用来镀膜的材料（靶材），需要镀膜的样品放在作为阳极的样品台上，则被正离子轰击而溅射出来的靶材原子沉积在试样上，形成一定厚度的镀膜层。,离子溅射镀膜优点是：（1）装置结构简单，使用方便，溅射一次只需几分钟，而真空镀膜则要半个小时以上。（2）消耗贵金属少，每次仅约几毫克。（3）对同一种镀膜材料，离子溅射镀膜质量较好，能形成颗粒更细、更致密、更均匀、附着力更强的膜。,2.粉体样品,粉体可以直接撒在样品座的双面碳导电胶上，用平的表面物体，例如玻璃板压紧，然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒也可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后，进行粗磨、细磨及抛光方法制备,3.块状样品,对尺寸小的块状样品可以用环氧树脂等镶嵌后，进行研磨和抛光。较大的块状样品也可以直接研磨和抛光，抛光以后必须把抛光粉等污染物用超声波清洗机清洗干净对不导电的样品，最好在样品加工完毕后，立即蒸镀金或者碳等导电膜，镀膜后应马上分析，避免表面污染和导电膜脱落。一般形貌观察时，蒸镀金导电膜，金导电膜导电性好，二次电子发射率高，可以拍摄出质量好的图象,4.扫描电镜应用实例,断口形貌分析纳米材料形貌分析在微电子工业方面的应用,典型的功能陶瓷沿晶断口的二次电子像，断裂均沿晶界发生，有晶粒拔出现象，晶粒表面光滑，还可以看到明显的晶界相。,4.1 断口形貌分析,ZnO纳米线的二次电子图像,多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像,4.2纳米材料形貌分析,粉体形貌观察,Al203团聚体(a)和 团聚体内部的一次粒子结构形态(b),(a)300(b)6000,（a）芯片导线的表面形貌图，（b）CCD相机的光电二极管剖面图。,4.3 在微电子工业方面的应用,SEM与TEM的主要区别,在原理上 SEM不是用透射电子成像，而是用二次电子加背景散射电子成像。在仪器构造上 光源、真空系统相似，检测系统完全不同。,本节重点,扫描电镜的工作原理扫描电镜衬度像（二次电子像、背散射电子像）,SEM+(WDS+EDS),2.X 射线谱仪,X射线谱仪的的作用是测量电子与试样相互作用产生的X 射线波长和强度。X射线谱仪分为二类:波长色散谱仪(WDS)能量色散谱仪(EDS),众所周知，X射线是一种电磁辐射，具有波粒二象性，因此可以用二种方式对它进行描述。如果把它视为连续的电磁波，那么特征X 射线就能看成具有固定波长的电磁波，不同元素就对应不同的特征X 射线波长。,从试样激发的X射线,选用已知晶面间距d的合适晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角2，就可以求出其波长，根据以上原理制成的谱仪称为波长色散谱仪(WDS)。波长和原子序数之间的关系符合莫塞莱定律：,（a）波长色散谱仪利用单晶对X射线的衍射来测量波长,K和是常数,X 射线分光原理,以R为半径的圆称为罗兰圆Rowlend 圆，也称聚焦圆(对X射线聚焦)。电子束入射到样品S 表面时，会产生反应样品成分的特征X 射线，特征X 射线经晶体分光聚焦后，被X 射线计数管接收。,用X射线波长色散谱仪(WDS)测量电子激发样品所产生的特征X 射线波长的种类，即可确定样品中所存在元素的种类，这就是定性分析的基本原理,不同X射线入射到晶体上，就会产生衍射根据Bragg公式：,聚焦圆的中心O固定，分光晶体和检测器在圆周上以1：2的角速度运动来满足布拉格衍射条件。这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而使X射线出射方向变化很大，在样品表面不平度较大的情况下，由于X射线在样品内行进的路线不同，往往会造成分析上的误差。,波谱仪模式,回转式模式,回转式波谱仪,直进式模式,波谱仪模式,如果样品照射点到晶体的距离为L，则L=2Rsin,再由Bragg 公式2dsin=n则得,d(分光晶体面间距)和R(罗兰圆半径),晶体沿L直线运动时(L 改变)就可以测出不同元素所产生的特征X 射线波长,不同波长的X射线要用不同晶面间距的晶体进行分光，电子探针通常使用的四种晶体面间距及波长检测范围见表,分光晶体及波长范围,表中STEPb(C18H35O2)2为硬脂酸铅，TAP(C8H5O4TI)为邻苯二甲酸氢铊，PET(C5H12O4)为异戊四醇，LiF为氟化锂晶体。,（b）能量色散谱仪EDS-Energy Dispersive Spectrometry,如果把X射线看成由一些不连续的光子组成，光子的能量为 E，为普朗克常数，为光子振动频率。不同元素发出的特征X射线具有不同频率，即具有不同能量，当不同能量的X射线光子进入锂漂移硅Si(Li)探测器后，在Si(Li)晶体内将产生电子空穴对，在低温（如液氮冷却探测器）条件下，产生一个电子空穴对平均消耗能量为3.8eV。能量为E 的X 射线光子进入Si(Li)晶体激发的电子空穴对NE/,入射光子的能量不同，所激发出的电子空穴对数目也不同，例如，Mn K能量为5.895keV,形成的电子空穴对为1550 个。,能谱仪,探测器输出的电压脉冲高度，由电子空穴对的数目N 决定，由于电压脉冲信号非常小，为了降低噪音，探测器用液氮冷却，然后用前置放大器对信号放大，放大后的信号进入多道脉冲高度分析器，把不同能量的X射线光子分开来，并在输出设备（如显像管）上显示出脉冲数脉冲高度曲线，纵坐标是脉冲数，即入射X 射线光子数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X 射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。,EDS-Energy Dispersive Spectrometry,单通道分析器：电子束扫描，显示某种成分象 多通道分析器：显示微区X射线能谱 某种元素 面分布,某微区元素分布,最终得到以能量为横坐标、强度为纵坐标的X射线能量色散谱，并显示于显像管荧光屏上。图为NaCl的扫描形貌像及其能量色散谱。,能谱分析和波谱分析特点,能谱仪70 年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达到130eV左右，以前Be窗口能谱仪分析元素范围从11Na92U，现在用新型有机膜超薄窗口，分析元素可从4Be92U。元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元素定量分析准确度已接近波谱。能谱使用时加液氮，不使用时不加液氮。能谱仪不用晶体展谱,氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X 射线，所以无法进行电子探针成分分析。锂(Li)虽然能产生X 射线，但产生的特征X 射线波长太长，通常无法进行检测,能谱有许多优点，例如，元素分析时能谱是同时测量所有元素，而波谱要一个一个元素测量，所以分析速度远比波谱快。能谱探头紧靠试样，使X 射线收集效率提高，这有利于试样表面光洁度不好及粉体试样的元素定性、定量分析。另外，能谱分析时所需探针电流小，对电子束照射后易损伤的试样，例如生物试样、快离子导体试样等损伤小。但能谱也有缺点，如分辨率差，谱峰重叠严重，定量分析结果一般不如波谱等。现在大部分扫描电镜、电子探针及透射电镜都配能谱仪，使成分分析更方便。,能谱和波谱主要性能的比较,分析方法,1.点分析,将电子探针固定在试样感兴趣的点上，进行定性或定量分析。该方法用于显微结构的成份分析，例如，对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相及非化学计量材料的组成等研究。,MgO/Mg 复合材料,2.线分析,电子束沿一条分析线进行扫描(或试样扫描)时，能获得元素含量变化的线分布曲线。如果和试样形貌像(二次电子像或背散射电子像)对照分析,能直观地获得元素在不同相或区域内的分布。,MgO/Mg镁基金属复合材料,3.面分析,将电子束在试样表面扫描时，元素在试样表面的分布能在CRT 上以亮度分布显示出来（定性分析）。,C Al X射线像 1000图,a 背散射电子成分像 1000图,b Mg X射线像 1000图,图 a 中的黑色相比基体ZrO2相的平均原子序数低，从b 和c 图可以看出，黑色相富铝和富镁。,镁铝尖晶石,