实验四 扫描电镜的结构原理及图像衬度观察

一 实验目的

1 结合扫描电镜实物，介绍其基本结构和工作原理，加深对扫描电镜结构及原理的了解。 2选用合适的样品，通过对表面形貌衬度和原子序数衬度的观察，了解扫描电镜图像衬度原理及其应用。

3 利用二次电子像对断口形貌进行观察。

二 实验原理

1 扫描电镜基本结构和工作原理

扫描电子显微镜利用细聚电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号．这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号．最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像大体感强、放大倍数范围大连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。图4-1为扫描电镜结构原理方框图。

扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1—30kV、实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内，（几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜镜的光光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束．作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

图4-1 扫描电镜结构原理方框图

扫描电镜的基本结构可分为六大部分，电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像

显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统。这一部分的实验内容可参照教材（材料分析方法），并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。主要介绍两种扫描电镜Quanta环境扫描电子显微镜和场发射扫描电镜。

2表面形貌衬度原理及应用

二次电子信号主要用于分析样品的表面形貌。二次电子只能从样品表面层

5—10nm

深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm时，虽然入射电子也能使核外电子脱离原子而变成自由电子，但因其能量较低以及平均自由程较短，不能逸出样品表面，最终只能被样品吸收。

被入射电子束激发出的二次电子数量和原子序数没有明显的关系，但是二次电子对微区表面的几何形状十分敏感。图4-2说明了样品表面和电子束相对位置与二次电子产额之间的关系。入射束和样品表面法线平行时，即图中θ＝00，二次电子的产额最少。若样品表面倾

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斜了450，则电子柬穿人样品激发二次电子的有效深度增加到2倍，入射电子使距表向5—10nm的作用体积内退出表面的二次电子数量增多(见图中黑色区域)。若入射电子束进入了较深的部位(例如图4-2中的A点)，虽然也能激发出一定数量的自由电子，但因A点距表面较远(大于L＝5—10nm)，自由电子只能被样品吸收而无法逸出表面。

图4-2 二次电子成像原理图

图4-3为根据上述原理画出的造成二次电子形貌衬度的示意图。图中样品上B面的倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低。反之，C面倾斜度最大，亮度也最大。 实际样品表面的形貌要比上面讨论的情况复杂得多，但是形成二次电子像衬度的原理是相同的。图4-4为实际样品中二次电子被激发的一些典型例子。从例子中可以看出，凸出的尖棱、小粒子以及比较陡的斜面处二次电子产额较多，在荧光屏上这些部位的亮度较大；平面上二次电子的产额较小，亮度较低；在深的凹槽底部虽然也能产生较多的二次电子，但这些二次电子不易被检测器收集到，因此槽底的衬度也会显得较暗。

图4-3 二次电子形貌衬度示意图

图4-4 实际样品中二次电子的激发过程示意图

（a）凸出尖端；（b）小颗粒；（c）侧面；（d）凹槽

3 原子序数原理及应用

图4-5示出了原子序数对背散射电子产额的影响。在原于序数Z小于40的范围内，

背散射电子的产额对原子序数十分敏感。在进行分析时，样品上原子序数较高的区域中由于收集到的背散射电子数量较多，故荧光屏上的图像较亮。因此，利用原子序数造成的衬度变化可以对各种金属和合金进行定性的成分分析。样品中重元素区域相对于图像上是亮区，而轻元素区域则为暗区。当然，在进行精度稍高的分析时．必须事先对亮区进行标定，才能获得满意的结果。用背散射电子进行成分分析时，为了避免形貌衬度对原子序数衬度的干扰，被分析的样品只进行抛光，而不必腐蚀。对有些既要进行形貌分析又要进行成分分析的样品，可以采用一对探测器收集样品同一部位的背散射电子，然后把两个检测器收集到的信号输入计算机处理，通过处理可以分别得到放大的形貌信号和成分信号。图4-6示意地说明了这种背散射电子检测器的工作原理。图4-6（a）中A和B表示一对半导体硅检测器。如果一成分不均匀但表面抛光平整的样品作成分分析时，A、B检测器收集到的信号大小是相同的。把A和B的信号相加，得到的是信号放大一倍的成分像；把4和B的信号相减，则成一条水平线，表示抛光表面的形貌僚。图4-6(b)是均—成分但表面有起伏的样品进行形貌分析时

图4-5 原子序数与背散射电子产额之

图4-6 半导体规对检测器的工作原理

间的关系曲线 （a）成分有差别，形貌无差别；

（b）形貌有差别，成分无差别；

（c）形貌成分都有差别

的情况。例如分析图中的P点，P位于检测器A的正面，使A收集到的信号较强，但P点背向检测器B。使B收集到较弱的信号，若把A和B的信号相加，则二者正好抵消，这就是成分像；若把A和B二者相减，信号放大就成了形貌像。如果待分析的样品成分既不均匀，表面又不光滑，仍然是A、B信号相加是成分像，相减是形貌像，见图4-6(c)。 利用原子序数衬度来分析品界上或品粒内部不同种类的析出相是十分有效的。因为 析出相成分不同，激发出的背散射电子数量也不同，致使扫描电子显微图像上出现亮度上 的差别，从亮度上的差别，我们就可根据样品的原始资料定性地判定析出物相的类型。

实验所用仪器

（一）环境扫描电子显微镜

产品型号: Quanta 200

仪器介绍: Quanta系列扫描电子显微镜是FEI公司最新一代的通用型扫描电子显微镜， 结合FEI/飞利浦最新研究成果和计算机、电气控制方面的最新技术，FEI/飞利浦新推出的Quanta系列扫描电子显微镜成为目前技术先进、操作方便、维护简单的扫描电镜产品，主要用于各种材料的表面形貌观察和分析，目前已成为材料科学、生命科学研究中不可缺少的工具。新型环境扫描电镜实现了人们所追求的在自然状态下样品观察的目标。数字化、微机控制扫描电镜，完全取代模拟图像，多种记录方式，方便网上传输，并可用鼠标完成全部操作功能。

图4-7 Quanta200扫描电子显微镜

主要附件：能谱仪，高温操作台,冷台 技术参数:

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分辨率：30KV高压下分辨率为3.5nm ,环扫条件下分辨率为3.5nm

具有高真空、低真空和环境真空三种模式；其中低真空和环境真空模式下真空度为0.1～40Torr(1～5000Pa) 样品室压力最高达2600Pa

加速电压200V～30kV，连续调节

分冷台和热台操作。冷台：温度检测精度0.5℃；操作温度范围为：-5℃～60℃。热台：操作温度最高为1000℃。

技术特点:

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环境扫描可检测活体的、湿的样品，并可作样品的微区元素分析。

特别适用于对不经表面处理的含水样品（生物、化学）等及非导体样品（塑料、陶瓷、玻璃、水泥）等的测试

环境真空模式可以在最大2600Pa下进行观察，高温台可以升温至1000度，因此可以用于在各种气氛中原位观察形貌。在三种模式下的二次电子分辨率均为3.5nm，在各种真空模式下均能同时获取二次电子、背散射电子及能谱的信息。而且，在低真空条件下得到的二次电子像为100％纯的二次电子像。

（二） Sirion 200场发射扫描电镜