材料导论第八章课件.ppt

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1、材料分析测试方法,新疆大学化学化工学院材料教研室,Xinjiang university,第八章 扫描电镜,8.1 扫描电镜工作原理、构造和性能 8.2 扫描电镜在材料研究中的应用 8.3 波谱仪结构及工作原理 8.4 能谱仪结构及工作原理 8.5 电子探针分析方法及微区成分分析技术,OUTLINE,扫描电镜的历史,1935年,法国的卡诺尔提出扫描电镜的设计思想和工作原理。1942年,剑桥大学的马伦首次制成世界第一台扫描电镜。,Specimen Chamber,扫描电镜照片展示,注射针头的扫描电镜照片,扫描电镜照片展示,不同倍率的果蝇扫描电镜照片,扫描电镜照片展示,可以用计算机将黑白照片处理成

2、彩色,扫描电镜照片展示,肺细支气管粘膜杯状细胞和纤毛细胞扫描电镜照片,扫描电镜照片展示,红血球,扫描电镜照片展示,培养细胞,扫描电镜的特点,高分辨率,扫描电镜的特点,很强的立体感,扫描电镜的特点,放大倍率范围广,扫描电镜的特点,样品适应性大,应用范围广,SEM & 法医,SEM & science,扫描电镜能谱仪在涉枪案件中应用的研究, 山东公安丛刊, 1996, 3: 57-58 微量金属物证的扫描电镜X射线能谱检验,刑事技术, 1997, 4: 16-17 扫描电镜能谱仪在锁具检验中应用的研究,刑事技术, 1999, 5: 25-26 导线物证的扫描电镜及能谱鉴定方法, 理化检验, 200

3、2, 38(5): 222-223 人发的扫描电镜观察及微量元素特征人发的扫描电镜观察及微量元素特征，电子显微学报，2003, 22(6): 480-481 火灾事故鉴定的扫描电镜研究, 电子显微学报, 2003, 22(6): 636-636 扫描电镜-能谱仪在毒物检验中的应用, 刑事技术, 2007, 2: 32-33,扫描电镜（SEM）食盐的融化和结晶,6.7Mbar(dry),17Mbar,16.9Mbar,16.6Mbar,6Mbar(dry),水蒸汽环境,Danilatos, G.D. (1986) Environmental scanning electron microscop

4、y in colour. J. Microsc. 142:317-325.,1 电子枪发射出来的阴极电子经聚焦后成为直径为50um的点光源， 并会聚成孔径角较小， 束斑为5-10um的电子束，在试样表面聚焦。 2 在末级透镜上边的扫描线圈作用下，电子束在试样表面扫描。 3 高能电子束与样品物质相互作用产生SE，BE，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收而成像。 换言之，扫描电镜是采用类似电视机原理的逐点成像的图像分解法把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换成视频信号，写成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。这种扫描方式叫做光栅扫描。,8.1.1 扫描电镜工作

5、基本原理,电子与物质相互作用,1 、电子光学系统 电子枪： 作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。 电磁透镜：作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50 nm的束斑缩小成一个只有数um的细小束斑。 扫描线圈：作用是提供入射电子束在样品表面上和荧光屏上的同步扫描信号。 样品室： 样品台能进行三维空间的移动、倾斜和转动，并安置各种型号检测器。,8.1.2 扫描电镜的主要结构,2、 信号检测，收集和显示放大系统 作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。包括二次电子和背反射电子收集器，显示系统，吸收

6、电子检测器，X射线检测器。 3 、真空系统和电源系统 作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度。电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需稳定电源。,1 、电子光学系统,2、 信号检测放大系统,3 、真空系统和电源系统,1、 放大倍数 由于扫描电镜的荧光屏尺寸是固定不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度来实现的。 M=l/L l:荧光屏长度；L电子束在试样上扫过的长度。可以通过调节L来改变放大倍数。 如果减少扫描线圈的电流，电子束在试样上的扫描幅度将减小，放大倍数将增大。调整十分方便，可从20倍连续调节到20万倍

7、左右。,8.1.3 扫描电镜的主要性能,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。扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深。一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10 倍。 景深大，立体感强，形态逼真是SEM的突出特点，特别适用于粗糙样品表面的观察和分析。,2、景深,分辨率是扫描电镜的主要性能指标之一。 对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域； 对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离； 分辨率大小由入射电子束直径和调制信号类型共同决定： 电子束直径越小，分辨率越高。 用于成像的物理信号不同，分辨率不同。 例如SE和BE电

8、子，在样品表面的发射范围也不同，其分辨率不同。一般SE的分辨率约为5-10nm，BE的分辨率约为50-200nm。,3、 分辨率,1 有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调； 2 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构； 3 试样制备简单； 4 可同时进行显微形貌观察和微区成分分析。,扫描电镜的优点:,扫描电镜和透射电镜比较,(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm80mm 50mm。 (二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。 (三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。 (四) 景深

9、大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。 (五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达1nm。 (六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。 (七) 观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。,扫描电镜和光学显微镜及透射电镜的区别,SEM所取得的迅速发展表明，仪器本身性能（如分辨力、多功能等）的不断提高固然重要，但样品制备技术的改良和日趋完善，则对SEM的应用与发展确实起到了积极促进作用。同时，样品制备的质量如何，也是能否发

10、挥SEM仪器最佳性能、拍出理想图像照片的关键所在。因此，SEM生物样品制备技术问题，一直是电镜工作者不断创新的一个重要领域。,生物样品制备的基本操作程序,8.1.4 扫描电镜的样品制备,生物样品的导电处理,生物样品尤其是经干燥处理的样品,其表面电阻率很高,导电性能很差,当接受电子束照射时,易造成充电和放电效应,以至图像模糊不清。 此外生物样品元素成分原子序数低,二次电子发射率低,也难得到反差适当的图像,为增加导电性能,提高二次电子发射率,必须对样品进行导电处理。,扫描电镜样品可以是块状，也可以是粉末；样品或样品表面要求有良好的导电性，对于导电性差或不导电的样品，需真空镀膜（镀金）。,专用扫描电

11、镜，其样品尺寸可以比较大：25mm20mm。,8.2 扫描电镜在材料研究中的应用,8.2.1 表面形貌衬度及其应用,表面形貌衬度,1、断口分析 2、高倍金相组织观察与分析 3、断裂过程的动态研究,表面形貌衬度是利用二次电子信号而得到的一种像衬度。由于二次电子信号主要来自样品表层5-10nm深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，而仅对微区刻面相对于入射电子束的位向十分敏感，且二次电子像分辨率比较高，所以特别适用于显示形貌衬度。,8.2.2 原子序数衬度及其应用,原子序数衬度又称为化学成分衬度，它是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区化学成分差别的

12、像衬度。这些信号主要有背散射电子、吸收电子和特征X射线等。,（1） 背散射电子像衬度,背散射系数随原子序数变化趋势,（2）吸收电子像衬度,Morphology,39,声化学法合成的硒Se纳米线,40,水热法所得Se纳（微）米棒,41,溶剂热和低温液相法制得的Se微/ 纳米管,42,抗坏血酸为还原剂制备Se纳米线,43,抗坏血酸为还原剂制备Te纳米线,44,水热法制备的Cu2O纳米晶,取向碳纳米管阵列膜形貌的SEM照片,波谱仪是电子探针的重要组成部分，电子探针激发出各个元素的特征x射线。波谱仪利用晶体衍射把不同波长的X射线分开，不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被检测器接收。 X射

13、线波长不随入射电子能量而变，是由构成物质的元素种类决定。 X射线探测器每接受一个X光子，输出一个电脉冲信号，脉冲信号输入计数仪，提供在仪表上显示计数率读数。,8.3 波谱仪WDS结构及工作原理,Wavelength Dispersive Spectrometer,波谱仪的特点： 波长分辨率很高 X射线利用率很低 波谱仪不适于束流低、x射线弱的情况下使用,在波谱仪中，x射线信号来自样品表层的一个极小的体积，可将其看作点光源，由此点光源发射的x射线是发散的，能够到达分光晶体表面，只是其中极小的一部分，信号很微弱 增强信号采取措施： -聚焦圆 （1）晶面弯曲 把分光晶体的衍射晶面弯成曲率半径等于2R

14、(R为罗兰圆半径)的曲面-晶体内表面任意点A、B、C上接收到的X射线相对于点光源来说,入射角都相等 （2）表面磨制 将晶体表面磨成曲率半径等于R的曲面-这样的布置可以便A、B、C三点的衍射束正好聚焦在D点。,能量色散谱仪简称能谱仪(EDS或EDX) ，是利用特征X射线能量不同来进行成分分析的仪器，目前已成为扫描电镜或透射电镜普遍应用的附件，它与主机共用电子光学系统，在观察分析样品的表面形貌或内部结构的同时，能谱仪可以探测到感兴趣的某一微区的化学成分。,8.4 能谱仪结构及工作原理（EDS）,1.工作原理 X射线光子由锂漂移硅Si(Li)检测器收集，当光子进入检测器后，在Si(Li)晶体内激发出

15、一定数目的电子空穴对，产生一个空穴对的最低平均能量，因此由一个x射线光子造成的电子空穴对的数目N。,EDAX能谱仪,JEM能谱仪,能谱仪图片,Si（Li）晶体厚3-5mm，直径3-10mm，它是一个P-N结型二极管。它的前方有一个7-8m的铍窗，整个探头装在与存有液氮的杜瓦瓶相连的冷阱内。,将接收的X射线光子变成电脉冲信号。每产生一对电子一空穴对，要消耗掉 X光子3.8eV能量，因此每一个能量 为E的入射光子产生的电子一空穴对数目N= E3.8。,8.4.1 半导体脉高度分析器（探头，MCA),能谱仪中最关键的部分，决定了能谱分析元素 范围和精度。目前大多使用锂漂移Si（Al)探测器。,多道脉

16、冲高度分析器有一个由许多存储单元（称为通道）组成的存储器。与X光子能量成正比的时钟脉冲数按大小分别进入不同存储单元、每进入一个时钟脉冲数，存储单元记一个光子数，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的计数为X光子数。最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数（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。,8.4.2 多道脉冲高度分析器（MCA）,入射x射线光子的能量越高，N就越大。利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对经前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小。 电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器技高度把脉冲分类并进行计数，这样就可以

17、描出一张特征x射线技能量大小分布的图谱。,上图为含Ba硫铝酸盐水泥的水化产物照片，下侧的是照片中1、2点的能谱成分分析图谱,1、 分析元素范围 能谱仪分析的元素范围为： 有Be窗口的范围为11Na-92U。无窗或超薄窗口的为4Be-92U。 2、 分辨率 能谱仪的分辨率是指分开或识别相邻两个谱峰的能力，可用能量色散谱的谱峰半高宽来衡量，也可用E/E的百分数来表示。半高宽越小，表示能谱仪的分辨率越高。 目前能谱仪的分辨率达到130eV左右。 3、探测极限 能谱仪能测出的元素最小百分浓度称为探测极限，与分析的元素种类、样品的成分等有关，能谱仪的探测极限约为0.1-0.5%。,能谱仪的主要性能指标,

18、 分析速度快，全谱一次收集，分析一个样品只需几分钟至几十分钟 不破坏样品，分辨率高。 可以把样品的成分和形貌乃至结构结合在一起进行综合分析,能谱化学成分分析优点,EDS谱线实时收集的结果，纵坐标是X射线光子的计数率CPS，横坐标是元素的能量值（KeV）。,EDS谱线收集完毕后定量计算的结果，给出了重量和原子百分比。,8.5 电子探针仪的分析方法及应用,四种基本方法： 定点定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定点定量分析。,定点定性分析 对试样某一选定点（区域）进行定性成分分析，以确定该点区域内存在的元素。 其原理如下： 关闭扫描线圈，使电子束定在需要分析的某一点上，激发试样元素的特征X射线。用谱

19、仪探测并显示X射线谱，根据谱线峰值位置的波长或能量确定分析点区域的试样中存在的元素。,使某聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线（穿越粒子或界面）进行慢扫描。 在所要测量的某一元素特征X射线信号的位置上，使电子束沿着指定的路径作直线轨迹扫描，使可得到这元素沿该直线的浓度分布曲线。,2线扫描分析,电子束在样品表面作光栅扫描时，把X射线谱仪(波谱仪或能谱仪)固定在接收某一元素特征X射线信号的位置上，此时在荧光屏上便对得到该元素的面分布图像。 图中亮区表示这种元素的含量较高,3、面扫描分析,能谱仪在稳定的电子束照射下得到的X射线谱，在扣除背景计数率后，各元素的同类特征谱线的强度值与它们的浓度相对应。,4、（定点）定量分析,作业,1、SEM进行形貌观察的优点. 2、说说SEM工作的基本原理及主要性能指标。 3、简介扫描电镜与透射电镜的区别。 3、简介能谱仪的结构与工作原理 4、电子探针能谱分析可分为哪几种类型？,8.1 扫描电镜工作原理、构造和性能 8.2 扫描电镜在材料研究中的应用 8.3 波谱仪结构及工作原理 8.4 能谱仪结构及工作原理 8.5 电子探针分析方法及微区成分分析技术,SUMMARY,Thank you for your kind attention!,