第4讲扫描电子显微镜讲述.pptx

第4讲 扫描电子显微镜 中南大学物理与电子学院 先进材料超微结构与超快过程研究所 2015-5-5 主 讲：周聪华 Company Logo 内容提要 一、概述 二、SEM结构 2.1 电子束与固体相互作用 2.2 SEM结构 2.3 SEM主要性能 2.4 SEM样品制备 三、 SEM应用 3.1 表面形貌衬度 3.2 能谱仪（EDS） 四、参考文献与课后习题 Company Logo 包括： 用透射电子显微镜进行的透射电子显微分析 用扫描电子显微镜进行的扫描电子显微分析 用电子探针仪进行的X射线显微分析 电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。 一、概述 1.1 电子显微镜 Company Logo 电镜的分类 透射电镜 （TEM） 扫描电镜 （SEM） 扫描透射电镜（STEM） 一、概述 1.1 电子显微镜 Company Logo FEI Nova400场发射扫描电子显微镜 TESCAN VEGA II可变真空钨灯丝扫描电镜 Company Logo AgNWs的SEM表面形貌图【尚未发表】 石 墨 Company Logo 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； 新式扫描电子显微镜的二次电子像的分辨率已达到1nm，放大倍数可从数倍原位放大到20万倍左右。 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； 试样制备简单。块状或粉末的、导电的或不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放到SEM中进行观察。因此，SEM的制样过程比透射电子显微镜（TEM）简单，对样品的要求低；且可使图像更近于试样的真实状态。 一、概述 1.2 SEM特点 Company Logo 可做综合分析。 SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称波谱仪）或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称能谱仪）后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析。 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程（动态观察）。 一、概述 1.2 SEM特点 Company Logo 电子束与固体样品相互作用 2.1 电子束与固体相互作用 二、SEM Company Logo 一、背散射电子（backscattering electron） 背散射电于是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于90?的那些入射电子，其能量基本上没有变化。 弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。 如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。 2.1 电子束与固体相互作用 二、SEM Company Logo 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。 从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。 背散射电子的产生范围在样品表面以下 100 ~ 1000nm深度的范围。背散射电子的产额随原子序数增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。 2.1 电子束与固体相互作用 二、SEM Company Logo 二、二次电子 （secondary electron） 二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。 由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离。当原子的核外电子从入射电子获得了大于体系结合能的能量后，可离开原子而变成自由电子。 如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。 一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子，而在样品表面上方检测到的二次电子绝大部分来自价电子。 2.1 电子束与固体相互作用 二、SEM Company Logo 二次电子来自表面5-50nm的区域，能量为0-50 eV。 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。 由于它发自试样表面层，入射电子还没有较多次散射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没多大区别。所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。 扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。二次电于产额随原于序数的变化