电子显微镜与电子探针.ppt

第八章 扫描电子显微镜与电子探针第一节 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜由于它具有制样简单，放大倍数可调范围宽，图像的分辨率高，景深大等特点，故被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。扫描电镜在追求高分辨率、高图像质量发展的同时，也向复合型发展，即成为把扫描、透射及微区成分分析、电子背散射、衍射等结合为一体的复合型电镜，实现了表面形貌、微区成分和晶体结构等多信息同位分析。,一、电子与样品物质的交互作用 当一束高能量、细聚焦的电子束沿一定方向入射到固体样品时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子和样品物质将发生强烈的相互作用，发生弹性散射和非弹性散射。伴随着散射过程，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信息。扫描电镜、电子探针及其它许多相关的显微分析仪器通过检测这些信号对样品的微观形貌、微区成分及结构等方面进行分析。（一）电子与固体样品的相互作用区 电子与固体样品的相互作用区也称为扩散区。入射的高能电子与样品物质相互作用，发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射使入射电子运动方向发生偏离引起电子在样品中的横向扩散。非弹性散射不仅改变电子的运动方向，同时使其能量不断衰减，直至被样品吸收，从而限制了入射电子在样品中扩散范围。所谓的相互作用区就是在散射的过程中，电子在样品中穿透的深度和侧向扩散的范围。相互作用区的形状、大小主要取决于样品的原子序数，入射电子的能量和样品的倾斜角效应。,（a）,（b）,（c）,（d）,当原子序数小时 当原子序数大时图 入射电子在样品中扩散区域的示意图,1原子序数的影响 在高原子序数样品中，电子在单位距离内经历的弹性散射比低原子序数样品更多，平均散射角也较大。因此电子运动的轨迹更容易偏离起始方向，在固体中穿透深度随之减少，而在低原子序数的固体样品中，电子偏离原方向的程度较小，而穿透得较深。相互作用区的形状明显地随原子序数而改变，从低原子序数的“梨”型区变为高原子序数的近似“半球”型区。,2入射电子束能量的影响 对于同一物质的样品，作用区的尺寸正比于入射电子束的能量。入射电子束能量变化时，相互作用区的横向和纵向尺寸随之成比例地改变，其形状无明显的变化。根据Betch的关系式：可以知道，入射电子能量（E）随穿行距离（z）的损失率与其初始能量（E）成反比。即：电子束初始能量越高，电子穿过某段特定的长度后保持的能量越大，电子在样品中能够穿透的深度越大。除此之外，样品的倾斜角的大小对相互作用区的大小也有一定影响。当样品倾斜角增大时，相互作用区减小，这主要是因为电子束在任何单独散射过程中具有向前散射的趋向，也就是说电子偏离原前进方向的平均角度较小。当垂直入射时（倾斜为0），电子束向前散射的趋向使大部分电子传播到样品的较深处。当样品倾斜时，电子向前散射的趋势使其在表面附近传播，从而减小了相互作用区的深度。,（二）电子束与样品相互作用产生的信号 高能电子束入射样品后，经过多次弹性散射和非弹性散射后，在其相互作用区内将有多种电子信号与电磁波信号产生。这些信号包括二次电子、背反射电子、吸收电子、透射电子以及俄歇电子、特征X射线等。它们分别从不同侧面反映了样品的形貌、结构及成分等微观特征。,图 电子束与样品物质交互作用产生的各种物理信息,图 电子束作用下固体样品发射的电子能谱,1背散射电子（BSE）背散射电子也称初级背散射电子，是指受到固体样品原子的散射之后又被反射回来的部分入射电子，约占入射电子总数的30%。主要有两部分组成：一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，称之为弹性背散射电子，它们只改变了运动方向，本身能量没有损失，其能量等于入射电子的能量。另一部分是进入样品后的入射电子在发生多次各种非弹性散射，在方向的同时，也有能量损失。最终那些散射角累计大于90，能量大于样品表面逸出功的入射电子从样品表面发射出去，这部分入射电子称为非弹性散射电子。由于这部分入射电子遭遇散射的次数不同，各自损失的能量也不相同，因此非弹性散射电子能量分布范围很广，可从几个电子伏特到能量接近入射电子的初始能量。从电子能谱曲线上不难看出，虽然非弹性背散射电子能量分布范围宽，但能接收到的电子数量比弹性背散射电子少得多。所以，在电子显微分析仪器中利用的背散射电子信号通常是指那些能量较高，其中主要是能量等于或接近 的弹性背散射电子。,BSE对样品的原子序数Z十分敏感，当电子束垂直入射时，BSE的产额通常随Z的增加而呈单调上升。但与入射电子的能量关系不大。样品的倾斜角（即电子束入射角）的大小对背散射电子的产额有明显的影响。因为当增大时，入射电子束向前散射的趋势导致电子靠近表面传播，因而背散射机会增加，背散射电子产额值增大。,图 背散射电子和二次电子产额随原子数的变化（加速电压为30kV）,可见，背散射电子不仅能够反映样品微区成分特征（平均原子序数分布），而且也是反映形貌特征的一种物理信息。因此以BSE信号调制图像的衬度可定性地反映出样品微区的成分分布及表面形貌。,图 铁的背散射产额与倾斜角的关系（电子束能量为30keV）,由于束电子一般要穿透到固体中某个距离后才经受充分的弹性散射作用，使其穿行方向发生反转并引起背反射，因此，出射的背散射电子带有某个深度范围的样品性质的信息。取样深度没有一个明确的截至值，很大程度上取决于样品本身的性质，一般来自表层几百纳米的深度范围。,2二次电子（SE）当样品原子的核外电子受入射电子激发获得了大于临界电离的能量后，便脱离原子核的束缚，变成自由电子，其中那些处在接近样品表层而且能量大于材料逸出功的自由电子就可能从表面逸出成为真空中的自由电子，即二次电子。实验证明，高能电子束入射样品后，可以在样品中产生许多自由电子，其中价电子约占90%，因而样品上方检测到的二次电子绝大部分来自原子外层的价电子。SE的产生是高能束电子与弱结合的核外电子相互作用的结果，而且在这个相互作用的过程中入射电子只造成几个电子伏特的能量转移给核外电子，所以SE能量较低，一般小于50 eV，大部分只有几个电子伏特。从前图可看出SE的能量分布在35 eV处有一个峰值。SE的一个重要特征是它的取样深度较浅，这是因为SE能量很低，在相互作用区内产生的SE不管有多少，只有在接近表面大约10 nm内的SE才能逸出表面，成为可接受的信号。,SE对样品表面的形貌特征十分敏感，其产额 与入射束相对于样品表面的入射角 之间存在下列关系：，当 角增大时，SE产额随之增大，SE产额对样品成分的变化相当不敏感。因此SE是研究样品表面形貌最有用的工具。另外，由于SE的能量低，检测到信号强度很容易受样品处电场和磁场的影响，因此利用SE可以对磁性材料和半导体材料进行相关的研究。,3吸收电子（AE）高能电子入射比较厚的样品后，其中部分入射电子随着发生非弹性散射次数的增多，其能量不断降低，直至耗尽，这部分电子既不能穿透样品，也无力逸出样品，只能留在样品内部，即称为吸收电子。若通过一个高灵敏度的电流表把样品接地，将检测到样品对地的电流信号，这就是吸收电流或称样品电流信号。实验证明，假如入射电子束照射一个足够厚度（m数量级）没有透射电子产生的样品，那么入射电子电流强度 等于背散射电子电流强度、二次电子电流强度 和吸收电子电流强度 之和，即：对于一个多元素的平试样来说，当入射电流强度 一定，则 一定（仅与形貌有关），那么吸收电流 与背散射电流 存在互补关系，即背散射电子增多则吸收电子减少，因此吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的原子序数相关。若用吸收电子成像，同样可以定性地得到原子序数不同的元素在样品各微区的分布图。只是图像的衬度与背散射像黑白相反。,4透射电子（TE）如果样品很薄，其厚度比入射电子的有效穿透深度小得多，那么将会有相当一部分入射电子穿透样品而成为透射电子，可被安装在样品下方的电子检测器检测。TE这一信号的强度取决于微区的厚度、成份、晶体结构和晶向。TE是一种反应多种信息的信号，在SEM、TEM中利用其质厚效应、衍射效应、衍衬效应实现对样品微观形貌、晶体结构、位向缺陷等多方面分析。5特征X射线和俄歇电子 当样品中原子的内层电子受入射电子的激发电离时，原子则处于能量较高的激发态，此时，外层电子将会向内层电子的空位跃迁，并以辐射特征X射线光子或发射俄歇电子的方式（二者必居其一）释放多余能量，使原子趋向稳定状态。,二、扫描电子显微镜的原理、结构和性能（一）扫描电镜的工作原理,图 扫描电镜原理示意图,由热阴极发射出的电子聚焦、加速，在栅极与阳极之间形成一个笔尖状的具有很高能量的电子束斑（交叉斑），称之为电子源。这个电子束斑再经聚光镜（磁透镜）压缩，会聚成极细的电子束聚焦在样品表面上，这个高能量细聚焦的电子束在扫描线圈作用下，在样品表面上扫描，与样品相互作用，激发产生各种物理信号。,各种信号的强度与样品的表面特征（形貌、成分、结构等）相关，可以用不同的探测器分别对其检测、放大、成像，用于各种微观分析，扫描电子显微镜主要收集的信号是二次电子和背散射电子。扫描电镜采用的是逐点成像的图像分解法，与电视技术相似，可以把样品被观察区划分成许多小单元，称为象元，在电子束对样品表面作光栅扫描时，可以逐点逐行地依次从各象元检测出信号，并按顺序成比例地转换为视频信号，再经视频放大和信号处理将其一一送到有电子束同步扫描的荧光屏的栅极，用来调制阴极射线管（CRT）的电子束的强度，即显像管的亮度。因为电镜中的电子束对样品的扫描与显像管中电子束的扫描保持严格同步，所以显像管荧光屏上的图像就是样品上被扫描区域表面特征的放大像。,（二）扫描电镜的结构 扫描电镜一般由电子光学系统、扫描系统、信号的检测及放大系统、图像的显示与记录系统、真空系统和电源系统组成。1电子光学系统 电子光学系统主要由电子枪、电磁聚光镜、光阑、等组成。它不是用来成像而仅仅是用此获得一束高能量细聚焦的电子束作为使样品产生各种信号的激发源。（1）电子枪 它的作用就是提供一个连续不断的稳定的电子源，以形成电子束。扫描电镜的电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径，因为这直接关系到在样品上所获得 的信号强度，关系到图像的质量和分辨率（尤其是SE像），而束斑的尺寸及亮度与电子枪的设计类型有直接关系，目前商用SEM使用的电子枪基本可分两种类型，即：热发射（热阴极）三级电子枪和场发射电子枪。,热发射三极电子枪 普通热发射（钨灯丝）电子枪电子源的电流密度一般为10 A/cm2左右。交叉斑直径为2050 m。用钨灯丝作为阴极的热发射电子枪其优点是价格便宜，对仪器的真空度要求不高（10-5Pa），但由于钨阴极发射效率低，电子束亮度不高，要获得足够的亮度，就需要较大的发射截面，这就使得发射源直径增大，使仪器的分辨率受到限制。六硼化镧（LaB6）阴极电子枪与钨灯丝电子枪一样也属热发射电子枪。由于六硼化镧作为阴极材料，其功函数比钨低得多，因此其发射率比钨高得多。LaB6亮度是钨丝亮度的2倍。另外，LaB6阴极尖端的曲率半径可以加工到很小（1020 m），因而能在相同束流时获得比钨阴极更亮更细的电子源（510 m），从而提高了仪器的分辨率。LaB6电子枪要求仪器的真空度高（小于100 Pa），而且LaB6难以加工，故成本高，使其使用受到限制。,场发射电子枪 场发射电子枪是利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子，所以叫场致发射电子枪，简称场发射电子枪。场发射分为热场和冷场，一般扫描电镜多采用冷场。阴极是由一个选定取向的钨单晶制成，其尖端曲率半径为100500 nm（发射截面）。束斑直径为10 nm，远远小于LaB6、钨灯丝电子枪提供的电子源直径。此外，场发射电子枪的亮度非常高，它所提供的电子束的亮度热钨丝阴极高出三个数量级，比LaB6阴极高出二个数量级。场发射电子枪最终得到电子束斑非常细，亮度非常高，因此场发射扫描电镜分辨率非常高，冷场的最高可达0.5 nm。,场发射电子枪是扫描电镜获得高分辨率、高质量图像较为理想的电子枪。而且电子枪的使用寿命长。所以场发射扫描电镜已成为许多研究领域，尤其是在纳米级微观分析研究方面更是非常有效的手段。由于场发射电子源尺寸小，尖端输出的总电流有限，在要求电子束斑直径、束流变化范围大的其它应用中，场发射电子枪受到了限制，如：冷场场发射电镜无法满足波谱仪（WDS）工作所需要的较大束流，所以在冷场电镜上只能配以能谱仪（EDS）。热场场发射电镜可提供较大的束流，故可以加装WDS、EDS、EBSD等，但热场的分辨率不如冷场的高，阴极寿命比冷场的低。,表 几种类型电子枪性能比较,（2）电磁透镜（电磁聚光镜）电磁透镜是扫描电镜光学系统中的重要组件，一般由三个电磁透镜组成，即第一聚光镜、第二聚光镜和末级聚光镜（即物镜）。其主要功能是依靠透镜的电磁场与运动电子的相互作用将电子枪中交叉斑处形成的电子源逐级会聚成为在样品上扫描的极细电子束（电子探针）。如果说交叉斑处电子源的直径已经由电子枪的设计确定了，那么到达样品表面的电子束的直径大小则取决于三级聚光镜的压缩程度。若电子源直径为d0三级聚光镜的压缩率分别为M1、M2、M3，则最终电子束斑的直径d=d0 M1 M2 M3，可见三级电磁透镜是决定SEM分辨率的重要部件。一般的钨丝热发射电子枪电子源直径为2050 m，最终电子探针可达3.56 nm，缩小率为几千分之一，甚至是万分之一。,末级透镜也叫物镜，除了会聚功能外，它还起到使电子束聚焦于样品表面的作用。因此出于功能的特殊要求，其结构也较特殊。其结构功能特点有三：首先，透镜内腔应有足够空间以容纳扫描线圈和消像散器等组件；其次，样品必须置于物镜焦点附近。因像差随焦距的增加而增加，所以为了实现高分辨率，透镜焦距应尽可能短些，故样品应直接放在透镜极靴以下；第三，有效收集二次电子。二次电子的能量仅为数eV，所以样品必须处于弱磁场区，即物镜磁场在极靴孔以下应迅速减弱，探测器必须对准和靠近样品，以提高二次电子的采样率。为实现这一目标，扫描电镜的物镜采用非对称型场结构，以避免磁场对二次电子轨迹的干扰。末级透镜下方紧连样品室，扫描电镜样品室比较大，样品台在样品室内可在三维空间移动、倾斜、旋转。样品室设有多个窗口，可供安装不同的探测器。,2扫描系统 扫描系统其作用是使入射电子束在样品表面上与阴极射线管电子束在荧光屏上能够同步扫描，改变入射电子束在样品表面上的扫描振幅，以获得所需放大倍数的图像。扫描系统是扫描电镜一个独特的结构，它主要由扫描发生器、扫描线圈、放大倍率变换器组成。扫描信号发生器能够产生其强度随时间线性改变的锯齿波电流，并把它送入扫描线圈上，扫描线圈产生横向磁场，使电子束在样品上作光栅扫描即：有x方向扫描（行扫）和y方向的扫描（帧扫）。锯齿波的周期对应一次行扫或帧扫，显然行扫的频率比帧扫的频率高得多，两者比值决定了扫描光栅的线数。扫描发生器产生的锯齿波电流信号同时送入镜筒中和显示系统阴极射线管（CRT）的扫描线圈中，保证二者的扫描严格同步，所以CRT上显示的图像就是试样被扫描区域的放大像。,扫描电镜图像的放大倍率变化也是由扫描系统来实现的。若显示图像的CRT宽度为b，样品上被扫描区域宽度为B，则放大倍率M=b/B，因b是定值，故改变样品上被扫描区域的宽度B就改变了放大倍数，而样品上被扫描区域的宽度取决于电子束扫描时的偏转角，偏转角的大小取决于加到扫描线圈上的电流的大小。因CRT宽度一定，故实际上加到CRT扫描线圈上的电流保持定值。因此扫描电镜的放大倍数基本取决于显像管扫描线圈电流与镜筒中扫描线圈电流强度之比。因为扫描电流值较小，且可灵活改变，故可方便地调节放大倍率。一般的扫描电镜的放大倍数可从几倍或十几倍至几十万倍连续可调。,3信号的检测及放大系统 样品表面产生的各种物理信号被检测并经转换放大成用以调制图像或作其它分析的信号。对于不同的物理信号要用不同的检测器来检测，目前扫描电镜常用的检测器主要是电子检测器、X射线检测器。SEM上的电子检测器通常采用闪烁计数器，它可用来检测SE、BSE、TE等电子信号。闪烁计数器是闪烁体与光电倍增管的组合体。它的探头是涂有超短余辉的荧光粉的塑料闪烁体，其接收端加工成半球形，并镀有,图 电子检测器,一层几十纳米的铝膜作为反射层，既可阻挡杂散光的干扰，又可作为高压极，闪烁体的另一端与光导管相接，光导管再与镜筒外面的光电倍增管连接，闪烁体探头周围有金属屏蔽罩，其前端是栅网收集极。,当用来检测SE时，栅网上加250500 V正偏压，这对低能二次电子起加速作用，增大了检测的有效立体角，吸引样品上发射的SE飞向探头。探头铝膜上施加+10 kV+12 kv的高压使二次电子加速轰击闪烁体上的荧光粉发光，产生光子，使SE转换成了光信号，经光导管送到光电倍增管，加以放大并转换成电信号。从这里输出电流信号约012 A左右，再经前置放大视频放大变成几个伏特的电压信号，以此来调制荧光屏的亮度。用这种检测系统在很宽的信号范围内具有正比于原始信号的输出，具有很宽的频带（10Hz1 MHz）和很高的增益（108），而且噪音很小。用闪烁体计数器检测BSE，则需在栅网上加50V的负偏压，以阻止SE到达检测器，但用这种检测器检测BSE，存在许多明显的不足，目前，BSE电子检测器多采用半导体探测器或罗宾逊探头。将闪烁体计数器放在样品下方就可以检测TE。X射线检测器一般采用分光晶体或Si(Li)探头。,（三）扫描电镜的主要性能 1分辨率 分辨率是扫描电镜最主要的一项性能指标，通常是测量在特定条件下拍摄的图像上两亮点（区）之间最小暗间隙的宽度，除以放大倍数，即可得出扫描电镜的分辨率。它与许多因素有关，其主要影响因素有：A 扫描电子束斑直径 一般认为，即使在理想的情况下，扫描电镜的分辨率也不可能小于扫描电子束斑直径。故束斑直径越细，电镜的分辨本领则越高。束斑直径的大小主要取决于电子光学系统，电子枪类型和性能的影响尤为突出，钨灯丝电子枪的SEM分辨率为3.56 nm；LaB6的为3 nm；场发射（冷场）一般为1 nm左右，最好的可达到0.5 nm。,B 入射电子束在样品中的扩展效应 高能电子入射样品，产生散射，使电子束在向前运动的同时，向周围扩散，从而形成了一相互作用区。无论是轻元素样品的“梨”型区，还是重元素样品的“半球”型区，其范围远远大于电子束束斑直径，若检测来自作用区内的信号并用以成像，其分辨率肯定超出了电子束斑的直径尺寸。改变电子束的能量只能引起作用区体积的大小变化，而不会显著的改变其形状。因此，提高入射电子的能量对提高分辨率不利。值得注意的是，这种扩展效应对SE分辨率影响不大，因为SE主要来自样品表面，即入射电子束还未侧向扩展的表层区域。C 成像所用信号的种类 成像操作所用检测信号的种类不同，分辨率有着明显的差别，造成这种差别的原因主要与信号本身的能量和信号取样的区域范围有关。,由于二次电子能量低（50 eV），在固体样品中自由程很短，仅为110 nm，所以从样品上方检测到的SE，主要来自样品表面510 nm的薄层内。在理想的情况下，这个深度范围内入射电子束无明显的扩展。因而空间分辨率与入射电子束斑直径相当，故SE具有较高的分辨率。通常所说的扫描电镜的分辨率就是指SE像的分辨率。其分辨率是衡量SEM的主要指标。,图 滴状作用体积,由于SEM所检测到的背散射电子绝大部分能量较高，产生在样品较深层的扩展区。这个区域范围远远大于入射电子束斑的尺寸，故背散射电子像的空间分辨率比SE像的低得多，一般为50200 nm。至于吸收电子、X射线等信号均来自整个电子束散射区域，故所得的扫描图像分辨率都比较低，一般在1001000 nm以上。此外，信噪比，磁场条件，机械震动引起的束流漂移，对分辨率也都将产生影响。,2景深 扫描电镜景深大，成像富有很强的立体感，是SEM的一大特点。1000倍下景深最大约为100 m，比光学显微镜高出100倍（见表），故特别适合粗糙表面（断口等）的观察和成像。,表 扫描电子显微镜的景深,3放大倍率 扫描电镜的放大倍率变化范围宽，可从几倍到几十万倍，填补了光学显微镜和透射电镜之间的空隙。放大倍率的改变是通过调节控制镜筒中电子束偏转角度的扫描线圈中的电流实现的，故放大倍数连续可调，操作快速、容易，对试样的观察非常方便。目前，使用的普通扫描电镜的放大倍率多为20倍20万倍左右，有的最低可到5倍。场发射扫描电镜具有更高的放大倍率，一般可达到60万80万倍，最高达2106倍（S-5200型），这样宽的放大倍率可以满足各种样品观察的需要。,（四）扫描电镜的试样制备 扫描电镜对样品的适应性大，所有的固态样品块状的、粉末的、金属的、非金属的、有机的、无机的都可以观察。而且样品的制备相对简单。但仍有一定的技术要求，一般的扫描电镜对样品的要求主要有：1）适当的大小；2）良好的导电性。扫描电镜景深长，样品室大，故样品尺寸可变化范围大，试样的大小和重量适合电镜样品室的要求即可。扫描电镜要求试样必须具有良好的导电性。要求样品表面与样品台之间要导电，否则电子束入射样品时，在样品表面上会积累电荷，产生放电现象，影响了入射电子束斑的形状，使低能的二次电子运动轨迹发生偏转，影响了图像的质量。对于导电性良好的金属样品可直接观察。,而对不导电的无机非金属材料、高分子材料等样品，所要观察的表面必须进行导电层处理。一般采用真空蒸镀膜或离子溅射膜的方法，主要使用Au、Ag、Cu、Al或碳做导电层。膜的厚度原则上是在保证导电性良好的前提下越薄越好，一般控制在520 nm左右，通常通过观察喷镀表面的颜色变化来判断。对于具有低真空功能的SEM或场发射扫描电镜，不导电的样品可以在低真空或低电压下直接观察，无需进行喷镀处理。无论是那种试样，其观察表面要真实，避免磕碰、擦伤造成的假象，要干净、干燥，否则，表面污染或试样潮湿仍有可能导致样品导电不好，无法观察。对于生物样品则须经冷冻或脱水处理，另有一套样品的制备方法。,第二节 电子图像分析 由于样品微区特征（形貌、成分、结构等等）的差别，电子束扫描样品时，各部位（象元）产生的同一种电子信号的强度各不相同。若用某种信号电子成象，那么阴极射线管CRT上相应的各部位会出现不同的亮度，各部位亮度的差别便使我们获得了具有一定衬度的某种电子图像。所谓像衬度实际上就是图像上各部位（即各象元）的信号强度相对于其平均水平强度的变化。用不同的电子信号调制CRT的亮度就会得到不同衬度的电子图像，由于各种信号电子的发射机制不同，能量大小不同，所得到的图像的衬度原理及其用途也不一样。扫描电镜中最常用的信号电子是二次电子（SE），最主要的操作模式是二次电子像（SEI），其次则是背散射电子（BSE）和背散射电子像（BSEI）。,一、二次电子像的衬度 SEI的衬度取决于试样表面各部位发射出来的二次电子的数量。SE是被入射电子激发出来的样品原子核外的价电子。能量较低，极易受电场、磁场的作用，而且自由程短，大部分来自样品表层510nm的深度范围内。SE的产额与原子序数无明显的关系，但对表面形貌却十分敏感。基于SE的发射机制和本身的特性我们可以获得多种SE像的衬度，如形貌衬度、成分衬度、电压衬度和电磁衬度等。（一）形貌衬度 SE像的形貌衬度主要有以下三种因素决定。1倾斜衬度 表面倾斜衬度是由样品表面被扫描部位（象元）的倾斜角对SE的产额的影响形成的。SE的产额随样品各部位倾斜角（即电子束入射角）的不同而变化，其关系近似为：（0为时=0的SE产额）。,角越大的部位，则越多，SE发射数量越多，该部位的图像就越亮。其原因在于：SE的角度分布随倾斜变化不大，当增大时，SE的等效发射体积增大，即增大了样品表层以下10 nm范围内所包含的作用区体积，从而增大了SE的发射数量，下图给出了不同角下SE发射体积（黑色区）示意图，显然 时比 时发射体积大。,图 不同角SE发射体积示意图,如果样品表面是由如下图所示的A、B、C、D几个小平面区域组成，B面与D面相比，其倾斜角度较小，则二次电子产额较少，检测到的SE强度 较弱，故亮度较低。而D面倾斜角度最大，故亮度也最大。2阴影衬度：二次电子信号对样品表面法线的方位角（相对于探测器的方位）有依赖关系，表面突起物背后处或孔洞内象元的SE信号将受到抑制，这就是所谓的阴影衬度。,图 二次电子像的形貌衬度原理,比较图中C和D区，C区的倾射角虽较A大，但其相对于探测器的方位不利，故检测到的二次电子强度 很小。D区不仅样品倾角大，且面向探测器，绝大部分二次电子都能被检测到，因此 很强。但是，由于二次电子的能量很低，其轨迹易受探测器和样品之间所加电场的影响，所以即使处于不利方位发射的二次电子也有一部分仍可经过弯曲的路径到达探测器，使处于不利方位的区域的形貌细节也可以比较清晰地显现，故二次电子像显示出较柔和的立体衬度。,3漫射衬度 漫散射电子通过样品表面积增大区（如突起物边缘等）可使BSE和由BSE激发的SE增多，这就是与背散射有关的漫射衬度。在样品表面上突起物或台阶边缘处表现出明显的漫射衬度。设样品上颗粒球的半径为r，电子在该样品中的射程为R。如下图所示，当 时，二次电子强度在颗粒中心区和平坦表面区中大致相近，而颗粒的边缘区信号较强；当 时，颗粒整个表面区可散射得较多二次电子，而尤以其中心区为最多。因此可以看出，,图 样品表面的漫射衬度,同是颗粒，有时表现为中心较暗边缘亮，有时却成中心最亮的颗粒。从图还可看出，在台阶边缘处一部分不能从平坦样品逸出的漫散射电子，却可从这里逸出并产生较多二次电子和背散射电子，故图像中台阶处出现一个亮边，这就是边缘效应。亮边宽度随着入射束能量的增加而加大。,（二）成分衬度 SE本身对原子序数Z不敏感，但其产额随（BSE产额）增大而略有上升。这是因为部分SE是由背散射电子穿过样品表层（10 nm）时激发产生的，另外SE探测器在接收SE的同时，也接收到一小部分低能BSE。而背散射电子与Z关系密切。故所得的SE能反映出表面薄层中的成分变化。但SE的成分衬度很弱，远不及BSE的成分衬度像，故一般不用其来研究样品中的成分分布。此外，由于SE能量低，易受电场、磁场的作用，所以在一定的条件下，对于某些特定的样品可以得到SE的电压衬度、电磁衬度，这种衬度可用来研究材料和器件的工艺结构，材料中的磁畴、磁场等。SE电子像虽可有多种衬度，但最主要的是形貌衬度，通常状态下，形貌衬度与成分衬度同时存在，而成分衬度常常被形貌衬度淹没，故一般所说的SE像指的就是形貌衬度像。,（二）SE像形貌衬度的应用 SE形貌衬度比较真实地反映了样品表面凹凸不平的形貌特征，加之它的立体感强，分辨率高，所以SE形貌像特别适合用于粗糙表面的观察与研究，是断口分析最为有效的手段，也被广泛用于高倍金相及各种样品各种表面形貌的研究。1断口形貌的观察（1）韧窝断口 韧窝是典型的韧性断裂的断口形貌特征，韧性断裂是一种伴随着大量塑性变形的断裂方式。试样在拉伸或剪切变形时，由于第二相粒子和基体变形的不协调性，导致在其界面处发生位错塞积，产生应力集中，进而形成显微孔洞，随着应力应变的增加，微孔不断长大并连接，直至试样最后断裂，在断口上形成许多微孔坑（韧窝）。韧窝的周边是相邻微孔连接时撕裂而形成的突起、棱边（撕裂棱）。在二次电子像中，撕裂棱亮度较高，有明显的边缘效应，韧窝底部平坦，图像亮度较低。,有些韧窝中心部位有第二相小质点，由于质点颗粒较小，这些质点往往是比较亮的（漫射衬度）。韧窝的形状与材料断裂时的受力状态有关。单轴拉伸形成等轴韧窝（图a），剪切和撕裂造成拉长或呈抛物线形的韧窝（图b）。韧窝的大小和深浅取决于材料断裂时微孔生核数量和材料本身的相对塑性。若微孔生核数量很多或材料的相对塑性较低，则韧窝的尺寸较小或较浅；反之，尺寸较大或较深。,（a）等轴韧窝（1000）（b）剪切韧窝（1000）图 铝合金韧窝断口形貌（SEI）,（2）沿晶断口 沿晶断裂是材料沿晶粒界面开裂的一种脆性断裂方式。高温回火、应力腐蚀、蠕变、焊接热裂纹等等都常常导致晶界弱化，引发沿晶断裂。沿晶断的起因不同，其断口的微观形貌也不尽相同，多呈现类似冰糖块状的晶粒多面体形态并常常伴有沿晶的二次裂纹，也有的在晶粒界面上可看到一些小的浅韧窝，表明断裂过程中微观上有少量的塑性变形。,（a）ZrO2陶瓷断口形貌（4000）（b）30CrMnSi应力腐蚀开裂断口形貌（800）图 沿晶断口形貌（SEI）,（3）解理与准解理断口 解理是材料在正应力作用下沿着某特定的结晶学平面发生的一种穿晶断裂的方式，解理断裂属脆性断裂。金属解理断口的典型微观特征为河流花样（见图）。这是由于解理往往是沿着相互平行的许多晶面以不连续的方式开裂。不同平面上的裂纹在向前扩展时，通过二次解理或与螺型位错相交产生解理台阶，它们在裂纹扩展中逐渐汇合，直至最后断裂。河流花样就是裂纹扩展中的解理阶在图像上的表现。,低碳钢低温脆断断口：解理河流花样（900）,台阶的一侧较亮另一侧较暗，这是由于台阶的侧面相对于探测器的位向不同所致。从图中还可以清楚地看到，在晶界处河流骤增或骤减，这是由于相邻晶粒的位向不同，当解理裂纹从一个晶粒内向另一个晶粒内扩展时（过界扩展），河流的多少、走向将发生变化。,45钢低温冲击断口：准解理（1800）,解理断裂的裂纹源常常在晶界处，顺流方向为裂纹扩展方向。解理断口还可能具有解理舌、扇形扩展、羽毛花样等特征。准解理也是一种脆性的穿晶断口，其微观形貌如图所示。断裂沿一定的结晶面扩展，也有河流花样，与解理没有本质区别。但其河流一般是从小平面中心向四周发散的（断裂起源于晶粒内的碳化物或夹杂物处），形状短而弯曲，支流少，并形成撕裂岭。准解理断口常出现于具有回火马氏体组织的碳钢及合金钢中，尤其是在低温冲击试验时。,（4）疲劳断口 材料因周期性交变应力载荷引起的断裂称为疲劳断裂。疲劳断口由疲劳裂纹源区、扩展区（简称疲劳区）和瞬时断裂区组成。疲劳断口微观上典型形貌特征是扩展区的疲劳条带（疲劳条纹），疲劳条带略带弯曲但大致相互平行且与裂纹扩展方向垂直，条带间距取决于应力循环的振幅，代表着裂纹在一次循环载荷作用下扩展的距离。材料不同，产生疲劳的条件不同，疲劳条带的形态不一样。,（a）铝合金拉-拉疲劳断口扩展区形貌（1200）（b）铝合金旋转疲劳断口扩展区形貌（480）疲劳辉纹（疲劳条带）轮胎花样（疲劳条带）图 疲劳断口形貌（SEI）,2高倍金相组织的观察 扫描电镜的分辨率高，放大倍率大，景深长，可以使在光学显微镜下无法分辨出的金相组织中的细节，在扫描电镜中用二次电子像清楚地显示出来。图（a）为奥贝球铁经等温淬火得到的下贝氏体组织；（b）为Ti6Al4V表面激光熔敷FeNiWC粉末改性层的枝晶形态。在多相结构材料中，特别是某些共晶材料和复合材料的显微组织，采用深侵蚀的方法，利用SE的形貌衬度，可以得到非常清晰的三维的立体形态。,（a）奥贝球铁的下贝氏体组织（3000）（b）FeNiWC合金粉末激光熔敷层组织（1200）图 高倍金相组织（SEI）,3高分子复合材料及无机非金属材料方面的应用 图（a）为玻纤增强酚醛树脂复合材料的拉伸断口照片。断口有许多玻纤拔出。这是由于玻纤的强度高于基体，承载时，基体首先开裂，此时玻纤还没有断裂，仍能承受载荷，随着载荷增大，基体和玻纤界面脱粘。当载荷达到玻纤断裂强度时，玻纤断裂。一些玻纤与基体脱开后，断裂位置在基体中，所以断口上有露头的拔出纤维，同时还可以看到玻纤拔出后留下的孔洞。,（a）玻纤增强酚醛树脂复合材料断口（500）,（d）阳极氧化膜（Al2O3）表面形貌（45000）,4动态研究中的应用 可在SEM中借用拉伸、压缩或弯曲等微动装置，利用SE的形貌衬度像，直接原位跟踪观察在应力作用下材料的变形，裂纹的萌生、连接与扩展直到断裂这一全过程与组织的关系，为材料的变形、断裂机制的研究提供直接依据。下图是Ti-1023（组织为）原位拉伸的照片，由此可以看出，在拉应力作用下，两相不同的变形行为（变形以 相为主）、主裂纹前端区域微裂纹萌生的位置（多为相界）以及随载荷的增加裂纹扩展的方式与路径。,（a）裂纹萌生（1000）（b）裂纹扩展（1000）图 Ti-1023原位拉伸照片（SEI）,二、背散射电子像的衬度（一）背散电子像衬度原理 根据背散射电子发射的机制和特点，BSE可形成多种衬度的像，如：成分衬度、形貌衬度、磁衬度、衍射衬度、通道花样等等。1成分衬度 背散射电子产额对原子序数Z的变化特别敏感，随Z的增加而增大，尤其是当 的元素，这种变化更为明显，因此背散射电子像有很好的成分衬度。样品表面上平均原子序数较高的区域，背散射电子信号较强，其图像上相应的部位就较亮；反之，则较暗。这样就获得了BSE的成分衬度。2形貌衬度 背散射电子的发射不仅与原子序数有着密切的关系，样品表面的形貌对其也有一定的影响。,第一，样品表面不同的倾斜角会引起发射BSE数量的不同，尤其当30至90时，这种变化非常明显。此外，即使倾角一定，高度有突变，背散射电子发射的数量也会改变。第二，由于样品表面各个微区相对于探测器的方位不同，使收集到的背散射电子数目不同。因为背散射电子能量高，离开样品后沿直线轨迹运动，检测器只能检测到直接射向检测器的背散射电子（见图），有效收集的立体角小，信号强度较低，那些背向检测器的部位所产生的背散射电子就无法到达检测器，在图象上形成了阴影，图象上衬度很大，失去很多细节的层次。无论是分辨率还是立体感以及反映形貌的真实程度，背散射形貌像远不及二次电子像。,（c）背散射电子像（d）二次电子像图 背散射电子和二次电子成像对比,背散射电子像同二次电子像一样，其成分衬度与形貌衬度常常同时存在，粗糙表面的成分衬度往往被形貌衬度所掩盖，所以为避免形貌衬度的干扰，用来显示成分衬度的样品，一般只需抛光，不必侵蚀。对那些既要分析形貌又要研究成分的样品，可以采用新型的双探头检测系统。下图是一对半导体晶体组成的双探头检测器及信号处理的原理图，图中A，B表示一对半导体检测器，接受的是样品同一部位的背散射电子信号，对于原子序数效应而言，A，B所接收到的背散射电子信号强度是一样的，而就形貌而言，其BSE信号强度是互补的。两个检测器收集到的信号分别输入到放大器，然后通过计算机进行信号加、减法分离处理，对信号相加，便使与原子序数有关的信号放大，消除形貌的影响，得到了成分像；若对信号相减，则消除了原子序数的影响，使与形貌有关的信号放大，得到了样品表面的形貌象。这种检测系统，不仅适用于显示抛光样品的原子序数衬度，也适用于同时显示粗糙样品的形貌衬度和原子序数衬度。,（a）成分有差别，形貌无差别（b）形貌有差别，成分无差别图 硅半导体对背散射电子探测器及信号处理原理,（二）背散射电子像衬度的应用 背散射电子像衬度应用最广泛的是它的成分衬度像，与二次电子的形貌像（或BSE形貌相）相配合，根据BSE的原子序数衬度，可以很方便地研究元素在样品中的分布状态，根据原始资料及形貌特点，定性地分析判断样品中的物相。下图（a）图是Ni基高温合金的金相组织。材料中的高原子序数元素Hf明显地偏析到晶界上的共晶相中，用EDS进一步分析得到了证实。（b）图是NiTiSi激光熔铸金相组织。从图中不难看出，该材料中的成分不是均匀分布的，根据衬度的差别，可初步判定其组织大致有三种成分不同的相组成，黑色的枝晶是由材料中的低原子序数元素组成（Ti、Si），共晶相中的Ni含量相对于初生相要高一些。利用新型的BSE探测器获得的BSE成分衬度像，目前最好的原子序数分辨率可以达到0.1（平均原子序数），显然，这对于区分材料中具有一定成分差别的相及显示成分的偏析是一种有效的手段。,（a）Ni基高温合金金相组织（b）NiTiSi激光熔铸金相组织图 背散射电子像,第三节 电子探针的工作原理与结构 电子探针X射线显微分析仪简称电子探针，是在电子光学和X射线光谱原理的基础上发展起来的一种微区成分分析的仪器。检测的信号是特征X射线。高能电子束入射样品表面激发产生的特征X射线具有特征波长和特征能量，其波长的大小、能量的高低遵循莫塞莱（Mosely）定律，即：,特征X射线的波长（能量）取决于元素的原子序数，只要知道样品中激发出的特征X射线的波长（能量）就可确定试样中待测元素，元素含量越多，激发出的特征X射线强度