SEM扫描电子显微镜1018.docx
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SEM扫描电子显微镜1018
第三章扫描电子显微镜
3—1前言
扫描电子显微镜（简称扫描电镜，ScanningElectronMicroscope，SEM）是一种大型分析仪器，从1965年问世以来，已在材料科学、地质、生物、医学、物理、化学等科学领域获得越来越广泛的应用。
而且为适应不同分析要求，相继安装了许多专用附件，实现了一机多用（如电子衍射，透射电镜，电子探针x射线显微分析等）。
SEM的特点：
（1）分辨本领高，能观测表面60Å左右的细节；
（2）放大倍数可变范围大（10一150000倍），连续可调，高倍时亮度与清晰度均优于透射电镜；
（3）观察图像景深大，富有立体感；
（4）制样简单，图像更近于样品真实状态；
（5）可通过电子学方法控制和改善图象质量；
（6）可进行综合分析，如在观察形貌图像同时对样品上任意微区进行元素分析，装不同类型的样品台，可直接观察不同环境（热、冷、拉伸等）下样品结构形态变化（动态观察）。
我国1975年开始自行设计制造扫描电镜。
3—2扫描电镜成像原理
一电子与物质的相互作用
高能电子束轰击样品表面时，有复杂的作用过程，产生各种有用的信息。
如图3—1所示。
主要有：
图3-1电子束与固体表面作用产生的信息示意图
（1）二次电子—从距表面100Å左右深度范围内激发出来的低能电子；
（2）背散射电子—从距表面0.1—1μm深度范围内散射回来的入射电子。
能量近似入射电子能量；
（3）透射电子—样品足够薄（＜1μm）透过样品的入射电子，能量近似入射电子能量；
（4）俄歇电子—从距样品表面几个Å至50Å左右深度范围内发射的具有持征能量的二次电子；
（5）吸收电子—残存在样品中的入射电子；
（6）x射线—因原子激发与退激发过程而从样品的原子内部发射出来的具有一定能量的x射线。
发射深度0.5—5μm范围；
（7）感应电动势——入射电子束照射半导体器件PN结产生的电动势。
以上不同的信息，反映样品不同的物理、化学性质。
任何一种信息、SEM都要将其转变成放大了的电信号，并在显像管屏上以二维图像显示出来（或记录仪记录）。
SEM的图像不仅仅是样品的形貌像，还有反应元素分布的x射线像。
反映PN结性能的感应电动势等等，这是与普通光学显微镜及透射电镜有很大不同的。
二SEM成像原理
SEM成像过程与电视显像过程很相似，它不需成像透镜，图像按一定时间、空间顺序逐点形成，并在镜体外显像管上显示。
二次电子像是SEM获得的各种图像中应用最广泛、分辨本领最高的一种。
下面以此为例，讨论SEM成像原理及有关问题。
图3—2是扫描电镜成像过程示意图。
由电子枪发射的30keV电子束，经会聚镜、物镜缩小、聚焦，在样品表面形成一定能量和斑点直径的电子束。
在扫描线圈磁场作用下，作用在样品表面上的电子束将按一定时间、空间顺序作光栅或扫描。
电子束从样品中激发的二次电子，由二次电子收集极收集、由加速极加速至闪烁体转变成光信号，此信号经光导管到达光电倍增管再转变成电信号。
该电信号由视频放大器放大，输送到显像管栅极，调制显像管亮度，使之在屏幕上呈现亮暗程度不同的反映表面起伏（形貌）的二次电子像。
由于电子束在样品表面上扫描和显像管中电子束在荧光屏上扫描由同一扫描电路控制，保证了它们之间完全同步，即保证了“物点”和“象点”（A和A’）在时间和空间上的一一对应。
一般称一个像点为一个“图像单元”、一幅扫描图像近100万个图像单元。
正因为如此，才使得SEM不仅显示一般形貌，而且还能将样品局部化学元素、光、电和磁等性质差异以二维图像形式显示出来。
图3-2扫描电镜成像过程示意图
三、SEM性能指标
1．分辨本领
所谓分辨本领，是指显微镜能清楚分辨物体最小细节的能力，一般以清楚分辨两点或两细节间距离表示。
①人眼分辨本领0.1一0.2mm
②光学显微镜分辨本领0.1一0.2μ
③透射电镜分辨本领5—7Å（最佳＜或≈2Å）
④SEM（二次电子像）分辨本领60—100Å（最佳~30Å）
分辨本领是与景深有一定联系的。
2．景深
景深是在样品深度方向观察的程度。
扫描电镜景深最大，光学显微镜最小，透射电镜景深不超过样品厚度，
有机样品小于1μm。
无机样品为0.1一0.3μm。
景深还与放大倍数有关，放大倍数越大，景深就越小，如：
光学显微镜：
10倍，景深0.1mm；100倍．1μm．
SEM：
10倍，景深10mm；100倍，1mm；104倍，lμm．
3．放大倍数
像与物大小之比，定义为显微镜的放大倍数（M）。
例如，SEM的放大倍数＝显示荧光屏边长／电子束扫描样品的宽度
4．有效放大倍数
有效放大倍数的定义是：
M有效＝人眼分辨本领／仪器分辨本领。
例如，SEM的M有效＝0.2mm／100Å＝2×104。
可见欲观察100Å的细节。
SEM只需具有20000倍放大倍数即足够、但SEM的最大放大倍数均在10万倍以上，故实际工作中，是将100Å的细节放大到2mm或更大，目的是让操作者观察舒适、方便。
3—3图像各论
如前所述，一台SEM的应用范围，可根据仪器单独检测每种信息的能力而很不相同，下面简要叙述SEM可能的各种图像。
一二次电子像
这里所指的二次电子，是指入射电子束从几十~几百Å深度激发出的低能电子（＜50ev）。
二次电子的发射量主要取决于表面的起伏状况（图3—3），与电子束垂直的表面，二次电子最少。
因此二次电子像主要反映表面的形貌特征。
它与无影灯下看到的形貌相似，故可认为是一种无影像。
图3-3不同表面形状的二次电子发射量
注意：
（1）与原子序数有关的背散射电子、也能激发二次电子。
故二次电子像反差中，必然带有一定的表面元素分布特征。
（2）半导体样品，在加电下，表面电位分布不同，会引起二次电子量变化，即二次电子像与表面电位分布有关，从而造成二次电子像的“电压反差”（因表面电位分布不同引起的反差），由此研究半导体器件工作状况（导通、开路、短路等）
二背散射电子像
背散射电子是被样品散射回来的入射电子，能量接近入射电子能量。
在SEM中利用其能量上的差别与低能二次电子的检测加以区别（见闻3—4）．
图3-4二次电子（a）与背散射电子（b）的检测差异
由于背散射电子能量大，不会被收集极正电位拉向收集极（除直线运动的少数电子以外）。
而在背散射电子收集极中接收的二次电子，因能量低，不经加速极加速是到达不了闪烁体的、因此：
二次电子像中包含少量背散射电子反差，而背散射电子像中却不包含二次电子。
由此不难看出，背散射电子像是有影像的（二次电子像是无影像，见前）背散射电子发射量与样品中元素的原子序数有关。
原子序数越大，背散射电子发射量越多（因散射能力强），故背散射电子像兼具样品表面平均原子序数分布与形貌特征。
通过采用特殊的检测器（如两组对称放置的半导体PN结检测器），并对所获信号由运算放大器进行数学处理，可以单独获得背散射电子形貌像和元素组成像。
三吸收电流像
图3-5吸收电流与其它信息之关系
吸收电流是指残存在样品中的入射电子经导线流向大地的电流。
从图3—5可知
当样品较厚则IT＝0．于是有
一定实验条件下，Io为定值。
因此吸收电流IA大小取决Is和IB，即吸收电流像的反差与二次电子像及背散射电子像反差互补。
四扫描透射电子像
当入射电子束照射足够薄的样品（＜1μ），有相当多的电子透过样品，这就是透射电子。
扫描透射电子像有以下一些特点：
（1）在同样的加速电压下，用扫描电镜可清晰观察较厚样品的图像，或对同一厚度样品可在较低电压下观察（相对透射电镜），有利于观察易被电子轰击破坏的样品（如生物样品）；
（2）较透射电镜易收集大角度散射电子，故电子接收效率高图像亮度大
（3）可改善生物样品图像反差，即通过电子学方法．压低透射电子信号中直流成分，放大交流成分，得到更适合的图像反差。
五x射线与x射线显微分析
式中：
v—持征X射线频率；
λ—特征x射线波长；
z——原子序数；
C—光速；
κ、σ—常数。
可见只要测得λ或x射线光量子能量hv，便可确定原子序数Z，从而确定所含化学元素。
通常把这种测量特征x射线波长的方法称之为“波长色散法”（WDX）。
而测量持征x射线能量的方法，叫做“能量色散法”（EDX），相应的仪器分别称之为“x射线光谱仪”和“x射线能谱仪”。
目前，一般扫描电镜均可用上述两种方法进行元素分析。
因此，SEM同时装有上述两种仪器，以满足快速定性和精确定量分析的要求。
表3-1是这两种x射线谱仪优缺点的比较。
表3—1x射线能谱仪与x射线光谱仪的比较
六阴极荧光像
发光二极管、GaAlAs固体激光器以及ZnS晶体等，在入射电子束照射下所产生的电子空穴再复合时，可发射阴极荧光（可见或红外光），将发射的阴极荧光接收，转变成电信号，放大、调制显像管亮度，便得到扫描阴极荧光像。
通过观察阴极荧光像，可确定物质发光区域及光波波长。
也可分析晶体结构、缺陷及有无杂质等。
七电子感应电动势像
这是半导体器件所特有、利用电子-伏特效应而成的图像。
观察半导体器件的电子电动势像，对研究PN结内部和边缘发生的各种现象是很有效的，尤其是在加电情况下，对样品可以进行动态观察，以确定PN结的电性能与晶格缺陷及杂质的关系。
八扫描电镜分辨本领的限制与影响因素
分辨本领是扫描电镜最重要的性能指标，虽然限制和影响的因素较多．但主要有以下三个因素：
1．入射电子束斑直径
所谓电子束斑，是指刚好打在样品表面上的入射电子束斑的大小。
如前所述一幅扫描图像由近百万个图像单元组成，每个图像单元发射信息的最小范围，无论如何不会小于入射电子束斑直径。
虽然可以在技术上进一步减少束斑直径，然而这样打在样品上入射电子束流将急剧减小，因而从样品中激发的本来已很微弱的各种信息将更加减弱，以致不能被检测出，亦或能检测出，但由于信噪比等因素的影响，也难以提高分辨本领。
这就是SEM二次电子像目前难以使分辨本领优于50Å的主要原因。
2．有效入射电子束斑直径
处于样品内部一定深度的入射电子束斑直径。
即有效入射电子束斑直径。
由于样品内原子间的相互作用，使高能入射电子束的有效束斑直径增大（见图3—1），其增大程度与样品内原子对入射电子的散射作用有关。
随着有效入射电子束斑直径的增大。
大大降低了SEM所检测信息的分辨本领。
从图3—1不难看出，背散射电子像、x射线元素分布像较二次电子像分辨本领要差得多。
3．信噪比
有用信息和有害噪声之比简称信噪比。
噪声来源：
①一类为电噪声。
②另一类为信息本身的统计涨落。
因为不管如何采取措施降低噪声，但总是不可避免的。
因此，SEM的分辨本领也不可能无限制地提高。
3—4SEM样品制备与应用领域
一样品制备
用于SEM样品分两类，即导电性良好和不导电样品。
前者制样简单，保持原样形状，不经或稍加清洗，即可用SEM观察。
后者要经适当处理，才能观察。
下面简要介绍制样中应考虑的几个问题。
（1）观察样品一定是固体
在真空下能保持长期稳定。
含水样品应先行干燥或抽真空。
带氧化膜样品，有时应先刮膜后观察。
油污样品应先用溶剂清洗。
（2）导电性不好或不导电样品
表面易积累电荷，一般应真空镀膜（表面镀约100Å厚的金或银膜）。
采用真空镀膜技术，还可增加二次电子发射率，减少样品的照射损伤（尤其是生物样品）。
（3）注意样品的切取与选择
应满足样品台尺寸（一般SEM最大允许尺寸为Ф25mm，高20mm）。
（4）用WDX仪进行元素分析时
样品应研磨抛光；不导电样品应喷涂约100Å的碳膜。
（5）生物样品
需先脱水干燥、固定、染色、真空镀膜等处理。
二SEM的应用
SEM是一种有效的理化分析工具。
可进行各种图像观察、元素分析及晶体结构分析，它既可以用于基础理论研究方面的工作。
也可以在工农业生产中检测产品质量，确定合理工艺路线，改善提高材料性能等。
它与其它理化仪器的配合，例如原子吸收光谱仪、x射线衍射分析仪、离子探针、光学显微镜等，将更有效地、快速、高精度地完成有关分析任务。
以下是它在各不同领域中应用简述：
1．金属材料方面的应用
利用扫描电镜具有景深大的特点，可对金属材料的拉伸样品等的断面和金相样品进行直接的形貌观察。
同时在样品微区进行组成元素分析，从而解决事故分析中材料破坏的原因、断裂力学研究以及改善生产工艺等。
3—9普通钢拉伸断面
照片3—9为普通钢拉伸样品的断面照片。
不难看出有两种形式的夹杂物：
一种为球形颗粒，另一种为带有棱角的颗粒。
X射线能谱分析的结果表明，球状粒子A为MnS颗粒，带有棱角的粒子B为从Al2O3颗粒。
3—10为镍基耐热合金金相组织
照片3—10为镍基耐热合金的显微结构照片，这种结构是在浇注时控制温度梯度形成的“田”字形定向结晶组织，定向结晶的好坏直接影响其强度性能。
3—11铸铁中A型片状石墨
根据铸铁中不同的石墨形态，可把铸铁分成灰口铸铁、紧密石墨铸铁和球墨铸铁等，它们的铸造性能和机械性能差别很大，用途也不同。
照片3—11显示铸铁中A型形片状石墨的形貌，它由弯曲、分枝及互相联系的石墨片组成。
图3-12球状石墨
图3-12为球状石墨的形貌。
这是在一定的工业条件下用纯镁、稀土镁等处理得到的，其表面有起伏，并不光滑。
它是一种辐射状的多晶结构，并具有六角晶格的特征。
图3-13铸铁中蠕虫状石墨
图3-13给出紧密石墨铸铁中蠕虫状石墨形貌，它是介于片状及球状之间的一种石墨形态，显然，它的石墨小片是互相联系的，但又与片状石墨不同，变粗变短了，石墨片状生长前端变钝变圆了，故有人也把它称为厚片状石墨。
2.在陶瓷材料方面的应用
SEM可观察陶瓷材料的晶粒形状、大小、断口形貌、晶格间结合状况以及夹杂物、气空分布等，并用以探讨其微观结构与宏观性能间的关系，以改善生产工艺提高产品质量。
氮化硅陶瓷具有强度大、硬度高、耐高温、耐磨等特点，是做切削刀具的好材料。
氮化硅有两种晶形，一种为α相，它是针状结晶，
一种为β相，为粒状结晶。
高α相氮化硅粉烧结成的刀具，其抗弯强度、抗冲击强度及切削性能高于高β相氮化硅粉烧制成的刀具
图3-14高a相氮化硅粉烧结成的氮化硅刀具
图3-15高β相氮化硅粉烧结成的氮化硅刀具
图3—14，3—15分别为高a相和高β相氮化硅粉烧结成的刀具显微照片。
β氮化硅粉烧结成的为等轴的粒状结晶。
a氮化硅粉烧结成的为杆状结晶，它可使颗粒之间相互交叉近接，而增加了材料的强度。
图3-16压电陶瓷图3-17压电陶瓷
（1150℃保温20分钟）╳6000（1150℃保温15分钟）╳6000
图3-16，3—17分别为压电陶瓷在不同烧成温度和保温时间下的显微照片。
在1150℃，保温20分钟，试样晶粒较小，且大小不均匀；
在1200℃，保温15分钟，晶粒较大，均匀完整，晶界清晰，而是压电性能也有明显提高。
可见提高烧成温度，可使晶粒长大，改善材料性能。
但晶粒过大，会使晶粒间结合不好，机械强度下降，导致极化时由于电畴转向产生应力而碎裂。
3．在高分子材料方面的应用
SEM观察高分子材料的形貌结构，可改善合成工艺、提高产品性能。
如SEM观察发现芳纶纤维表面长须、力学实验表明须状结构可增加其与橡胶等其它材料间的粘着力，从而大大提高了产品的使用性能。
图3—18芳纶纤维╳1000
通过扫描电镜观察发观有的芳纶纤维表面长有长须（见照片3—18），力学实验表明，正是这种须状结构可增加芳纶之间以及芳纶与橡胶等其它材料之间的粘着力，因而大大提高了产品的使用性能。
图3—19“乒乓球”状聚氯乙烯颗粒
图3—19是“乒乓球”状的聚氯乙烯颗粒的二次电子象。
悬浮聚合的聚氯乙烯颗粒一般有“棉花球”状和“乒乓球”状两种表面形态。
前者多孔疏松，有利于添加各种助剂（增塑剂、染色剂）和成型加工。
通过扫描电镜观察，可为寻找合成高百分比的“棉花球”状聚氯乙烯颗拉的工业条件提供依据。
图3-20聚碳酸酯拉伸断口
图3-20是聚碳酸酯拉伸断口照片。
由照片明显看出，在圆饼状断裂源中心有一形状不规则的块状物——裂纹引发核心，并在其周围有—系列近似同心圆的弧线。
该弧线是由粗糙的和平坦的带相间构成。
这表明裂纹的扩展并不是等速过程，粗糙部分生长速度慢，而平坦部分扩展较快。
图3—21聚碳酸酯扭转断口银纹区
图3—21是聚碳酸酯材料银纹象，这是高分子材料断裂过程所特有的现象。
在扭转力作用下，聚碳酸酯试件经屈服阶段，分子链在正应力作用下取向，形成如照片所示的纤维状银纹，进而当银纹区两岸扩展到临界尺寸，微纤维断裂。
形成通常的裂纹。
4．半导体方面的应用
用SEM的二次电子像、电压衬度像、电子电动势像及感生电流像等多种图像观察晶体管、集成电路的复杂表面，可有效地检查器件质量及失效分析。
图3—22是Mos256地线断铝电压衬度象╳60
图3—22是Mos256地线断铝的电压衬度象。
明显的条状亮区的终点就是断铝的部位。
图3—23P-N结隔离区电动势象╳200
图3—23是以PN结隔离的隔离区的电子电动势象。
每个亮边所围成的区域为—隔离区，由照片可见，大部分隔离区完整，呈方形，其中有一个隔离区，一边有突起，并几乎与另—隔离区相连造成短路，这可能是由光刻不当所引起的。
5.生物与医学方面的应用
SEM在生物学方面的应用也非常广泛，遍及植物学、动物学等许多学科。
通过SEM观察蕨类植物袍子的精细结构，在理论上可为研究植物分类与系统演化，为探讨古地理和古气候提供依据；在生产中可为石油煤炭与地质勘探中袍子化石的鉴定提供证据。
在农产品进出口贸易中，用SEM可鉴定其中害虫断定来源，有利于减少经济损失和提高国际声誉。
SEM在医学上的应用也是多方面的，例如用SEM研究胆结石形态，可以断定它们形成的原因，从而找出制服的办法，等等。
图3—27玉米象虫╳30
图3—27为我国向某国出口的大米中发现的玉米象虫的全貌照片。
是由于他们保管不善而引入的法国当地的玉米象虫。
这种害虫与我国的米象虫外貌相似，但其生殖器官与我国的米象虫不同。
刚从病人胆囊或胆管中取出来的结石，有的大如鸡蛋，有的小如米粒．形状各不相同，一般为半固体性的团状物或烂泥状碎渣。
它们都是胆固醇、胆色素等复杂物质生成的沉淀物，并由糖蛋白胶粘在一起而成的。
纯的胆固醇和胆色素结石较少，常见的均为混合型结石。
在胆结石症的防治中，需要了解其形貌、种类，和探讨其形成机理，用扫描电镜观察其形态就是一种有效的方法。
扫描电镜观察结果表明，（如照片3—29、3—30）胆结石为片状胆固醇结晶和无定形的胆色素堆积而成．之间由糖蛋白粘蛋白构成基质。
在结石核心部，常有蛔虫残骸或卵发现，可断定它们是结石形成的原因之一。
图3—29胆结石形态╳1000图12—30胆道蛔虫残骸╳300
图3—29为胆结石的剖面形态，其中片状结晶为胆固醇结晶，其它为胆红素以及粘蛋白基质。
图3—30为胆结石中蛔虫残骸的照片．
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