扫描电子显微镜的发展与应用

扫描电子显微镜的发展与应用

摘 要：介绍了扫描电子显微镜的工作原理、结构特点及其发展，阐述了扫描电子显微镜在材料科学领域中的应用。

关 键 词：扫描电子显微镜；构造；材料；应用

扫描电子显微镜（SEM）于20世纪60年代问世，是用来观察样品表面微区形貌和结构的一种大型精密电子光学仪器。其工作原理是利用一束极细的聚焦电子束扫描样品表面，激发出某些与样品表面结构有关的物理信号（如二次电子、背散射电子）来调制一个同步扫描的显像管在相应位置的亮度而成像。

扫描电子显微镜主要用于观察固体厚试样的表面形貌，具有很高的分辨力和连续可调的放大倍数，图像具有很强的立体感。扫描电镜能够与电子能谱仪、波谱仪、电子背散射衍射仪相结合，构成电子微探针，用于物质化学成分和物相分析。因此，扫描电子显微镜在冶金、地质、矿物、半导体、医学、生物学、材料学等领域得到了非常广泛的应用。

1. 扫描电镜的原理和构造

1.1 扫描电子显微镜的工作原理

扫描电子显微镜的原理是利用电子枪采用真空加热钨灯丝，发生热电子束，在0. 5～30 kV的加速电压下，经过电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚极细电子束，并在样品表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束打到样品上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比，扫描电子显微镜是采用逐点成像的图像分解法进行的，光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完

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成一幅图像。

对扫描电子显微镜成像有影响的信号主要有二次电子、背散射电子和X射线谱线等（见图1）。其中二次电子是样品与初始束电子相互作用而被激发出来的样品原子所含的电子，它们能量很低，只能从样品表面很浅的区域逸出，是扫描电子显微镜检测出的主要信号，对应的图像被称为二次电子图像，具有立体感，成像分辨率最好，能准确地反映样品表面的形貌(凹凸)特征；背散射电子是与样品原子核发生弹性碰撞而被散射出样品的电子束电子，这部分电子能量很高，其成像分辨率不高；X射线谱线是当入射电子流轰击到样品表面时，如果能量足够高，样品部分原子的层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态，样品原子各能级间出现电子跃迁而产生的，其成像分辨率最差。

扫描电子显微镜探头收集样品释放出的二次电子，背散射电子，X射线等信号（其作用见表2）。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。当电子束以一定方式扫描时，按扫描的先后顺序将亮度的变化显示

出来，即可得到样品表面形貌图。

收集信号要类别

二次电子 背散射电子

图1 电子束与固体样品 表1 扫描电镜中主要信号及其作用

俄歇电子

作用时产生的信号

功能 形貌分析 成分分析 成分分析 成分分析

特征X射线

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1.2 扫描电子显微镜的构造

扫描电镜是根据电子光学原理，用电子束和电磁透镜代替光束和光学透镜，将物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像，它主要由电子光学系统、信号处理系统、图像显示系统、真空系统四大部分构成（见图2）。

图2 扫描电镜的构造

1.2.1 电子光学系统(镜筒)

电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。 （1）电子枪

扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似，只是加速电压

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比透射电子显微镜低。 （2）电磁透镜

扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是作聚光镜用，它们的功能只是把电子枪的束斑(虚光源)逐级聚焦缩小，使原来直径约为 50um的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点。 （3）扫描线圈

扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步。 （4）样品室

样品台本身是一个复杂而精密的组件，它能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验(如拉伸和疲劳)。样品室除放置样品外，还安置信号探测器。 1.2.2 信号的收集和图像显示系统

二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。

由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各

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点状态的扫描电子显微图像。 1.3.3 真空系统

为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作，对镜筒的真空度有一定的要求。如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。

2. 扫描电镜的发展

扫描电镜的设计思想早在1935年便已提出，1942年在实验室制成第一台扫描电镜，1965年，在各项基础技术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一台实用化的商品仪器。此后，荷兰、美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜，日本二战后在美国的支持下生产出扫描电镜，我国则在20世纪70 年代生产出自己的扫描电镜。

近20年来，扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展，主要采取以下措施来改进: (1) 降低透镜球像差系数，以获得小束斑；(2) 增强照明源即提高电子枪亮度(如采用LaB6或场发射电子枪)；(3) 提高真空度和检测系统的接收效率；(4) 尽可能减小外界振动干扰。

2.1 场发射扫描电镜

1968年，就采用场致发射电子枪代替普通钨灯丝电子抢，枪需要很高的真空度，在高真空度下由于电子束的散射更小，其分辨率进一步得到提高。但是近

几年来，各厂家采用多级真空系统(机械泵+分子泵+离子泵)，真空度可达

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2002年，日本日立公司最近推出了S-4800型高分辨场发射扫描电镜(FESEM)，该电镜的电子发射源为冷场，物镜为半浸没式。采取改进的电子光学

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2.2 分析型扫描电镜

所谓分析型扫描电镜即是指将扫描电镜配备多种附加仪器，以便对被测试样进行多种信息的分析。 2.2.1 EDS（能谱仪）附件

能谱仪 ( 即X射线能量色散谱仪，简称EDS) 通常是指X射线能谱仪。目前，最先进的采用超导材料生产的能谱仪，分辨率达到了515eV，已超过了25eV分辨率的波谱仪，这是目前能谱仪发展的最高水平。能谱仪主要是用来分析材料表面微区的成分，分析方式有定点定性分析、定点定量分析、元素的线分布、元素的面分布。

2.2.2 EBSD（电子背散射衍射）附件

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EBSD主要可做单晶体的物相分析，同时提供花样质量、置信度指数、彩色晶粒图，可做单晶体的空间位向测定、两颗单晶体之间夹角等信息，要求所测单晶体完整并且没有应力，在聚合物中应用极少。 2.2.3 WDS（波谱仪）附件

WDS是随着电子探针的发明而诞生的，它是电子探针的核心部件，用作成分分析。与能谱仪相比较，波谱仪的检测灵敏度更高，在电子探针的理想工作条

件下能达到100的检测能力。但也有电子束流大，样品要求非常平整

并且只能水平放置，对X射线取出角要求很大等局限性。

2.3 现代扫描电镜

在二次电子像分辨率上取得了较大的进展后，扫描电镜又因为需要在保持试样原始样貌的基础上进行分析，发展了低电压，低真空和环境扫描电镜。 2.3.1 低电压扫描电镜

在扫描电镜中，低电压是指电子束流加速电压在1kV左右。此时，对未经导电处理的非导体试样其充电效应可以减小，电子对试样的辐照损伤小，且二次电子的信息产额高，成像信息对表面状态更加敏感，边缘效应更加显著，能够适应半导体和非导体分析工作的需要。这对聚合物材料来说是十分有利的技术改革。

2.3.2 低真空扫描电镜

真空是为了解决不导电试样分析的另一种工作模式。其关键技术是采用了一级压差光栏，实现了两级真空。当聚焦的电子束进入低真空样品室后，与残余的

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空气分子碰撞并将其电离，这些离化带有正电的气体分子在一个附加电场的作用下向充电的样品表面运动，与样品表面充电的电子中和，这样就消除了非导体表面的充电现象，从而实现了对非导体样品自然状态的直接观察。 2.3.3 环境扫描（ESEM）电镜

环境扫描电镜低真空压力可达到2600Pa，可配置水瓶向样品室输送水蒸气或输送混合气体，若跟高温或低温样品台联合使用则可模拟样品的周围环境结合扫描电镜观察，可得到环境条件下试样的变化情况。其核心技术来自于采用两级压差光栅和气体二次电子探测器，能达到 3.5nm 的二次电子图像分辨率。

ESEM的特点是：（1）非导电材料不需喷镀导电膜，可直接观察，分析简便迅速，不破坏原始形貌；（2）可保证样品在100%湿度下观察，即可进行含油含水样品的观察，能够观察液体在样品表面的蒸发、凝结以及化学腐蚀行为；（3）可进行样品热模拟及力学模拟的动态变化实验研究，也可以研究微注入液体与样品的相互作用等。因为这些过程中有大量气体释放，只能在环扫状态下进行观察。 环境扫描电镜最大的优势便是，可以在一定可调的水蒸汽环境真空模式中，原位和动态观察亲水性高分子或是环境敏感水凝胶，即直观地观察其动态的结构变化和各种平衡响应。

3. 扫描电镜在材料研究中的应用

3.1 材料的组织形貌观察

材料剖面的特征、零件部的结构及损伤的形貌,都可以借助扫描电镜来判断和分析。反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便，但其分辨率、放大倍数和景深都比较低。而扫描电子显微镜的样品制备简单，可以实现试样从低倍到高

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倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析；扫描电子显微图像因真实、清晰，并富有立体感，在显微组织三维形态(如图3)和金属断口(如图3)的观察研究方面获得了广泛地应用。

图3 用SEM观察集成电路芯片的剖面多层结构 图4 用SEM观察环氧树脂端口图

3.2 镀层表面形貌分析和深度检测

金属材料零件在使用过程中不可避免地会遭受环境的侵蚀，容易发生腐蚀现象。为保护母材，成品件，常常需要进行诸如磷化、达克罗等表面防腐处理。有时为利于机械加工，在工序之间也进行镀膜处理。由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响，所以常常被作为研究的技术指标。镀膜的深度很薄，由于光学显微镜放大倍数的局限性，使用金相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难，而扫描电镜却可以很容易完成.使用扫描电镜观察分析镀层表面形貌是方便、易行的最有效的方法，样品无需制备，只需直接放入样品室即可放大观察。

3.3 微区化学成分分析

在样品的处理过程中，有时需要提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在的

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丰富资料，以便能够更全面、客观地进行判断分析。为此，相继出现了扫描电子显微镜、电子探针多种分析功能的组合型仪器。扫描电子显微镜如配有X射线能谱(EDS)和X射线波谱成分分析等电子探针附件，可分析样品微区的化学成分等信息。材料部的夹杂物等，由于它们的体积细小，因此，无法采用常规的化学方法进行定位鉴定。扫描电镜可以提供重要的线索和数据。工程材料失效分析常用的电子探针的基本工作方式为：

(1)对样品表面选定微区作定点的全谱扫描定性；

(2)电子束沿样品表面选定的直线轨迹作所含元素浓度的线扫描分析； (3)电子束在样品表面作面扫描，以特定元素的X射线信号调制阴极射线管荧光屏亮度，给出该元素浓度分布的扫描图像。

一般而言，常用的X射线能谱仪能检测到的成分含量下限为0.1% (质量分数)，可以应用在判定合金中析出相或固溶体的组成、测定金属及合金中各种元素的偏析、研究电镀等工艺过程形成的异种金属的结合状态、研究摩擦和磨损过程中的金属转移现象以及失效件表面的析出物或腐蚀产物的鉴别等方面。

3.4 显微组织及超微尺寸材料的研究

钢铁材料中诸如回火托氏体、下贝氏体等显微组织非常细密，用光学显微镜难以观察组织的细节和特征。在进行材料、工艺试验时，如果出现这类组织，可以将制备好的金相试样深腐蚀后，在扫描电镜中鉴别。下贝氏体与高碳马氏体组织在光学显微镜下的形态均呈针状，且前者的性能优于后者。但由于光学显微镜的分辨率较低，无法显示其组织细节，故不能区分。电子显微镜却可以通过对针状组织细节的观察实现对这种相似组织的鉴别。在电子显微镜下，可清楚地观察到针叶下贝氏体是有铁素体和其呈方向分布的碳化物组成。

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纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的颗粒。由于纳米材料表面上的原子只受到来自部一侧的原子的作用，十分活泼，所以使用纳米金属颗粒粉作催化剂，可加快化学反应过程。纳米材料的应用非常广泛，比如通常瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难以加工等缺点，纳米瓷在一定的程度上可增加韧性，改善脆性。复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钴颗粒的金属瓷是火箭喷气口的耐高温材料；金属铝中掺进少量的瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。纳米材料的一切独特性能主要源于它的超微尺寸，因此必须首先切确地知道其尺寸，否则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。目前该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等技术，但高分辨率的扫描电镜(SEM)在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势，也被大量采用。

4. 结语

扫描电子显微镜在材料的分析和研究方面应用十分广泛，主要应用于材料断口分析、微区成分分析、各种镀膜表面形貌分析、层厚测量和显微组织形貌及纳米材料分析等。随着材料科学和高科技的迅速发展，这样也迫使检测技术水平不断提高。目前，高温样品台、动态拉伸台、能谱仪和扫描电镜的组合，这样扫描电镜在得到较好的试样形貌像的前提下，同时得到成分信息和晶体学的信息，使得扫描电镜必将在材料工艺研究和品种开发等方面发挥更大的作用。

参考文献

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