第5章 掃描電子顯微鏡講稿-haishan-wenbin

1、1第五章第五章掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡5.1掃描電子顯微鏡簡(jiǎn)介掃描電子顯微鏡簡(jiǎn)介掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，簡(jiǎn)稱(chēng)SEM）是透射電鏡之后發(fā)展起來(lái)的一種電子顯微鏡。1952年，英國(guó)工程師lesOatley制造出了第一臺(tái)掃描電子顯微鏡(SEM)。掃描電子顯微鏡的成像原理和光學(xué)顯微鏡或透射電子顯微鏡不同，它是以電子束作為照明源，把聚焦得很細(xì)的電子束以光柵狀掃描方式照射到樣品上，產(chǎn)生各種與樣品性質(zhì)有關(guān)

2、的信息，然后加以收集和處理從而獲得微觀形貌放大像。掃描電鏡在斷口失效分析、材料微觀組織形貌觀察及成分分析方面發(fā)揮了重要作用。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。掃描電鏡的特點(diǎn)掃描電鏡的特點(diǎn)（1）分辨本領(lǐng)較高。二次電子像分辨本領(lǐng)可達(dá)1.0nm(場(chǎng)發(fā)射)3.0nm(鎢燈絲)；（2）放大倍數(shù)變化范圍大（從幾倍到幾十萬(wàn)倍），且連續(xù)可調(diào)；（3）圖像景深大，富有立體感?？芍苯佑^察起伏較大的粗糙表面（如金屬和陶瓷的斷口等）；

3、（4）樣品制備簡(jiǎn)單。只要將塊狀或粉末的、導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的樣品不加處理或稍加處理，就可直接放到掃描電子顯微鏡中進(jìn)行觀察；一般來(lái)說(shuō)，比透射電子顯微鏡（TEM）的制樣簡(jiǎn)單，且可使圖像更近于樣品的真實(shí)狀態(tài)；（5）觀察掃描形貌圖像的同時(shí)，可對(duì)樣品微區(qū)進(jìn)行元素分析。掃描電子顯微鏡裝上波長(zhǎng)色散X射線譜儀（WDX）或能量色散X射線譜儀（EDX）后，在觀察掃描樣品形貌的同時(shí)，可對(duì)樣品微區(qū)進(jìn)行元素分析和結(jié)晶學(xué)分析。5.2掃描電子顯微鏡的物理學(xué)基礎(chǔ)掃描電子顯

4、微鏡的物理學(xué)基礎(chǔ)掃描電鏡的成像信息來(lái)自電子與物質(zhì)的相互作用電子與物質(zhì)之間的相互作用很多種比如入射電子和原子核的相互作用，入射電子與原子中核外電子的相互作用，入射電子和晶格的相互作用，入射電子與晶體中電子云的相互作用等等，掃描電子顯微鏡的成像信息來(lái)自于入射電子與原子核外電子之間的相互作用。當(dāng)一束入射電子束投射到樣品上的時(shí)候，由于受到樣品的晶格位場(chǎng)和原子庫(kù)侖場(chǎng)的作用，其入射方向會(huì)發(fā)生改變，一部分電子束會(huì)被樣品散射。如果在散射過(guò)程中入射電子只

5、改變方向，但其總動(dòng)能基本上無(wú)變化，則這種散射成為彈性散射；如果在散射過(guò)程中入射電子的方向和動(dòng)能都發(fā)生改變，則這種散射稱(chēng)3會(huì)迅速填補(bǔ)內(nèi)層電子空位，使原子降低能量，趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)。在此過(guò)程中有△E個(gè)能量釋放出來(lái)：?chcpE???若這一能量以X射線形式放出，此時(shí)X射線的波長(zhǎng)為：Ech???式中，h為普朗克常數(shù)，c為光速。對(duì)于每一元素，△E有確定的特征值，所以發(fā)射的X射線波長(zhǎng)也有特征值，這種X射線稱(chēng)為特征X射線。X射線的波長(zhǎng)和原子序數(shù)之間服

6、從莫塞萊定律：2)Z(k????式中Z為原子序數(shù)，k、σ為常數(shù)。可以看出，原子序數(shù)和特征能量之間是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的，利用這一對(duì)應(yīng)關(guān)系可以進(jìn)行成分分析。如果用X射線探測(cè)器測(cè)到了樣品微區(qū)中存在某一特征波長(zhǎng)，就可以判定該微區(qū)中存在的相應(yīng)元素。5.2.4俄歇電子俄歇電子在電子躍遷的過(guò)程中，如果過(guò)剩的能量不是以X射線的形式放出去，而是把這部分能量傳遞給同層（或者外層）的另一個(gè)電子，并使之發(fā)射出去，該電子即為俄歇電子。俄歇電子的特點(diǎn)俄歇電子的特點(diǎn)（1）

7、俄歇電子的能量較低，50~1500eV。（2）每種元素都具有各自特征的俄歇電子能量。（3）在能檢測(cè)到的能量范圍內(nèi)，對(duì)于Z=3~14的元素，最突出的俄歇效應(yīng)是由KLL躍遷，對(duì)Z=14~40的元素是LMM躍遷，對(duì)Z=40~79的元素是MNN躍遷。（4）俄歇電子的平均自由程很小（1nm左右），而在較深區(qū)域產(chǎn)生的俄歇電子，在向表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，必然會(huì)因碰撞而損失能量，使之失去了具有特征能量的特點(diǎn)。而只有表面1nm左右范圍內(nèi)逸出的俄歇電子才具有分析意義