材料分析方法 第八章 扫描电子显微镜与电子探针显微分析
_扫描电镜与电子探针分析
_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
《材料科学研究与测试方法》课程教学课件—08扫描电子显微镜及电子探针
8．4 二次电子衬度像的应用
图8-7 -Al2O3, Al3Ti/Al复合材料的组织形貌 图8-8 -Al2O3,TiB2/Al 复合材料的组织形貌
图8-9纯铝的三角晶
图8-10 TiB2溶入-Al2O3中的组织形貌
图8-11-Al2O3, Al3Ti/Al复合材料的拉伸断口 图8-12 -Al2O3,TiB2/Al 复合材料的拉伸断口
2．检测记录系统 检测记录系统类似于X射线衍射仪中的检测记录系统，主要包括检测器和分 析电路。该系统的作用是将分光晶体衍射而来的特征X射线接受、放大并转换成 电压脉冲信号进行计数，通过计算机处理后以图谱的形式记录或输出，实现对 成分的定性和定量分析。 常见的探测器有气流式正比计数管、充气正比计数管和闪烁式计数管等。一 个X光子经过探测器后将产生一次电压脉冲。 8．6．2 电子探针能谱仪
8．6．1 电子探针波谱仪
电子探针波谱仪与扫描电镜的不同处主要在于检测器采用的是波谱仪， 波谱仪是通过晶体对不同波长的特征X射线进行展谱、鉴别和测量的。主
要由分光系统和信号检测记录系统组成。
1．分光系统 分光系统的主要器件是个分光晶体
检测器 入射电子束
3
2 3 1 2
1
分光晶体 dhkl
样品 图8-20 分光晶体工作原理图
M AC AS
AC 荧光屏上阴极射线的扫描幅度 AS 样品上同步扫描幅度
放大倍率是通过调节扫描线圈中的电流来实现的，可连续调节。 放大倍率为数十～20万，场发射的放大倍率更高，高达60～80万倍
8．2．3景深
Df
2 r0 tan
2 r0
扫描电镜的景深较大，比一般光学显微镜的景深长100～500倍，比透射
电子探针显微分析
数据记录
记录每个扫描点的特征X 射线能量和强度，以及对 应的位置信息。
结果分析
根据扫描区域内各点的数 据，绘制元素或化合物的 分布图，并分析其空间分 布规律和变化趋势。
06
电子探针显微分析的数据处理与结果解释
数据处理的基本步骤
数据预处理
包括背景扣除、死时间校正、能量漂移校正等步 骤，以确保数据的准确性和可靠性。
烘干处理
将镀膜后的样品放入烘箱中，在适当的温度和时间下进行烘干，以 去除样品表面的水分和有机污染物，确保分析的准确性。
05
电子探针显微分析的实验方法
定点分析
01 选定分析点 在电子显微镜下选定感兴趣的区域或特定相，确定分 析点。
02 电子束聚焦 将电子束聚焦到分析点上，确保分析的准确性。
03 X射线激发 用高能电子束激发样品，产生特征X射线。
04
X射线检测
通过能量色散谱仪（EDS）检测特征X射线的能量和强 度。
05
定量分析
根据特征X射线的能量和强度，结合标准样品的数据 进行定量分析。
线扫描分析
X射线激发与检测
在扫描过程中，不断激发样品并 检测特征X射线。
电子束扫描
将电子束沿选定的扫描线进行连 续扫描。
数据记录
记录每个扫描点的特征X射线能 量和强度。
精准度高
相比其他分析方法，电子探针显微分析具有更高的精准度和灵敏度，能够检测 到ppm级别的元素含量，满足现代科学研究对高精度分析的需求。
电子探针显微分析的应用领域
01 02
材料科学
在材料科学领域，电子探针显微分析可用于研究合金、陶瓷、高分子等 材料的元素分布、相组成和微观结构，为材料性能优化和新材料开发提 供指导。
材料分析测试方法 第八章 扫描电子显微镜与电子探针显微分析
分辨率
b、噪声干扰、磁场和机械振动等也会降低成像质 量，使分辨率下降。
信号 分辨率 /nm 二次电子 俄歇电子 5～10 5～10 背散射电子 50～200 吸收电子 100～1000 特征X射线 100～1000
⑵ 非弹性背散射电子 ——进入固体样品后通过连续散射改变运动方向， 最后又从样品表面发射出去的入射电子，不仅有 运动方向的改变还有能量的变化。
非弹性背散射电子的能量
范围在数十eV到数千eV。 弹性背散射电子数额比非 弹性背散射电子要多。
背散射电子BSE
背散射电子的产生范围在样品表面以下100nm~1μm。 其产额随原子序数增加而增加。如图示。当Z↑时， 产额η↑。因此，背散射电子可以用来显示原子序数 衬度，定性地进行成分分析。
第八章 扫描电子显微镜与 电子探针显微分析
日本电子JEOL
TESCAN
前 言
扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope)， 是继透射电子显微镜后发展起来的一种电子显微镜。 SEM成像原理与TEM和OM不同，它是用细聚焦的 电子束轰击样品表面，通过对电子与样品相互作用 产生的各种信息进行收集、处理，从而获得微观形 貌放大像。 现代的SEM结合X射线光谱分析仪、电子探针以及 其它技术而发展成为分析型扫描电子显微镜，分析 精度不断提高、结构不断优化，应用功能不断扩展。 目前已广泛应用在冶金矿产、生物医学、材料科学、 物理化学领域。
电子光学系统
在电子束偏转同时进行逐行扫描，电子束在偏转 线圈的作用下扫描出一个长方形，相应地在样品 上画出一帧比例图像。 如果扫描电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转 线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点 位置，称为角光栅式扫描或摇摆扫描。
扫描电子显微分析与电子探针演示文稿
扫描电子显微分析与电子探针演示文稿一、介绍电子显微分析技术是通过对物质进行扫描和分析，利用扫描电子显微镜和电子探针来获取材料的化学成分、晶体结构和显微结构等信息。
本文将介绍扫描电子显微分析和电子探针的原理、应用和相关技术。
二、扫描电子显微分析原理1.高能电子入射2.电子-物质相互作用当高能电子束与样品表面相互作用时，会产生多种次级电子、散射电子和反冲电子等。
通过检测和分析这些次级电子，可以推断出材料的表面形态、原子分布等信息。
3.映射制图三、电子探针电子探针是在扫描电子显微镜上配备的一个仪器，用于对样品进行微区分析，可以获得样品的化学成分、晶体结构和显微结构等信息。
1.材料组成分析电子探针可以通过扫描样品表面并测量X射线谱来确定样品的化学成分。
当高能电子束与样品相互作用时，会产生特定能量的X射线，通过测量和分析这些X射线的能量和强度，可以准确地确定样品中元素的类型和含量。
2.显微区结构分析电子探针还具有高空间分辨率，可以在显微区域内对样品的晶体结构进行分析。
利用电子束的扫描和集线系统结构，研究者可以选择一个很小的区域进行分析，从而得到显微区的晶体结构信息。
四、应用领域1.材料科学在材料科学中，扫描电子显微分析和电子探针技术可用于分析和表征各种材料的组成、晶体结构和显微结构，如金属材料、陶瓷材料、复合材料等。
这些信息有助于研究者了解材料的性能和性质。
2.地质学3.生物学五、技术发展1.分辨率的提高新一代的扫描电子显微镜和电子探针仪器分辨率更高，可实现更高精度的成分分析和显微观察。
例如，现在的仪器可以实现亚纳米级别的空间分辨率。
2.信号检测和处理技术的改进通过改进信号检测和处理技术，使得扫描电子显微分析和电子探针技术对噪声和干扰信号的抑制能力更强，从而提高了数据的准确性和可靠性。
六、总结扫描电子显微分析和电子探针技术是现代材料科学研究中不可或缺的工具。
它们在分析样品的化学成分、晶体结构和显微结构等方面具有重要作用，广泛应用于材料科学、地质学和生物学等领域。
扫描电子显微分析与电子探针
扫描电子显微镜 SEM
Scanning Electron Microscope
样品制备非常方便，直接观察大块试样 景深大 放大倍数连续调节范围大
由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过 电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产 生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、 俄歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分 别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送 到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显 像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫 描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此 电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此， 样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应 的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应 的画面——某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面 上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。
电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系
扫描电镜成像的物理信号 特征X射线
原子的内层电子受到激发之后，在能级跃迁过程中直接释放
高能电子与原子核外电子的非弹性散射，除了引起大量的价 电子电离外，还将引起一定数量的内层电子激发或电离，使原子 特征X射线 处于能量较高的激发态。较外层的电子会迅速地填补内层电子空 位，使原子系统能量降低，趋向较稳状态，这一过程称为跃迁。 例如，在高能电子作用下，一个K层电子电离，原子系统就处于K 激发态，能量为EK。如果L2层一个电子向K层跃迁，原子系统由 K激发态变成L激发态，能量由EK降为EL2，同时伴随释放始、终 状态的能量差(EK-EL2)。释放能量的形式有两种：或发射特征X射 线或发射俄歇电子。 X射线的波长 λKa2 =h· c/(EK-EL2) λ=12396/E
电子探针显微分析-课件
B、若电子束位置不变，改变晶体的位置，使(hkl) 晶面与入射X射线交角为θ2，并相应地改变检测器 的位置，就可以检测到波长为：
λ2= 2d sinθ2 的X射线。如此连续地操作，即可进行该定点的元 素全分析。若将发生某一元素特征X射线的入射角 θ固定，对样品进行微区扫描，即可得到某一元素 的线分布或面分布图像。
波谱仪有旋转式波谱仪和直进式波谱仪。 1)旋转式波谱仪
旋转式波谱仪虽然结构简单，但有三个缺点： a)其出射角φ是变化的，若φ2 ＜φ1，则出射
角为φ2的X射线穿透路程比较长，其强度就 低，计算时须增加修正系数，比较麻烦； b) X射线出射线出射窗口要设计得很大； c)出射角φ越小，X射线接受效率越低。
电子探针是目前微区元素定量分析最准 确的仪器。电子探针的检测极限(能检测到 的元素最低浓度)一般为（0.01－0.05）%， 不同测量条件和不同元素有不同的检测极限， 主元素定量分析的相对误差为(1—3)%，对 原子序数大于11的元素，含量在10% 以上 的时，其相对误差通常小于2%。
4. 不损坏试样、分析速度快
WDS 4Be－92U 慢 高（≈5eV） 10-2 (%)
定量分析准确度
高
X射线收集效率
低
峰背比（WDS/EDS） 10
EDS 4Be－92U 快 低（130 eV） 10-1 (%)
低 高 1
五、电子探针仪的实验方法
1、电子探针仪的操作特点 总的来说，除了与检测X射线信号有关的部件以
外，电子探针仪的总体结构与扫描电镜十分相似。 但两者的侧重点不同，因此这两种仪器对电子束的 入射角和电流强度的要求不同。
现在电子探针均与计算机联机，可以连续自 动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数 据分析。
电子探针扫描电镜显微分析
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。
这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。
特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。
由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。
虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。
由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。
现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。
由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。
EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。
EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2020/8/21
• ③ 不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数 衬度，进行定性地微区成分分析。
• 背散射电子的产额随原子序数（Z）的增加而增加 ； 而且与表面形貌也有一定的关系。
• 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表(如毫安表) ，将检测到样品对地的电流信号，这个信号是由吸收电子 提供的，就是吸收电流（或称样品电流信号）。
2020/8/21
• 假如入射电子束照射一个足够厚度(μm数量级)的样品 ，没有透射电子产生，则：
• I0=Ib+Is+Ia
• 式中，入射电子电流强度I0、背散射电子电流强度Ib 、二次电子电流强度Is 、吸收电子电流强度Ia 。
• （图像的衬度与背散射电子像相反。）
2020/8/21
四、特征X射线
• 特征X射线：原子的内层电 子受到激发以后，在能级跃 迁过程中直接释放的一种电 磁辐射。
• 特点： • ① 代表了元素的特征能量
和波长
2020/8/21
• 具体来说，如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原 子空有就位E处后＝于，EK-K原E激L子2发的体态能系，量变具释成有放L能2出激量来发E。态K。，当能一量个从L2E层K降电为子EL填2，补这K层时
的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； • ④ 试样制备简单。一般来说，比透射电镜（TEM）的
制样简单，且可使图像更近于试样的真实状态； • ⑤ 可做综合分析。
2020/8/21
第一节 电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号
• 高能电子与固体物质相 互作用可以产生很多信 息。检测这些信息，并 通过分析得到样品的形 貌、成分、结构等信息 。
2020/8/21
• ③ 主要用于形貌观察；这是因为二次电子产额随原 子序数的变化不明显，主要决定于试样的表面形貌。
• ④ 空间分辨率较高。由于二次电子来自试样的表面 层，入射电子还来不及被多次散射，因此产生二次电 子的面积主要与入射电子的照射面积（即束斑）大小 有关。所以二次电子的空间分辨率较高，一般可达到 5～10nm。
• 对于一个多元素的平试样来说，当入射电流强度I0一 定，则Is一定(仅与形貌有关)，那么Ia与Ib存在互补关 系，即背散射电子增多则吸收电子减少。
2020/8/21
• 吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的 原子序数相关。
• 因此，吸收电子像可以反映原子序数衬度，同样 也可以用来进行定性的微区成分分析。
材料分析方法 第八章 扫描电 子显微镜与电子探针显微分析
引言
• SEM用于材料分析的特点 • ① 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)； • ② 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍）
，且连续可调； • ③ 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大
Z
K
2
• 式中，Z为原子序数，K、为常数。
• 因此，利用原子序数和特征能量之间的对应关系可以进
行成分分析。
2020/8/21
五、俄歇电子（Auger electron，AUE）
• 如果原子内层电子能级跃迁过 程中释放出来的能量E不以X射 线的形式释放，而是用该能量 将核外另一电子打出，脱离原 子变为二次电子，这种二次电 子就是俄歇电子。
• 样品上方检测到的二次电子90%来自原子外层的价电 子。
2020/8/21
• 二次电子的特点：
• ① 能量较低；一般小于50 eV，大部分只有几个电子 伏特。
• ② 取样深度较浅；这是因为SE能量很低，只有在接 近表面大约几十nm内的SE才能逸出表面，成为可接 受的信号。
• 因此，二次电子来自表面5～50nm的区域，能量为0～ 50 eV。
• 扫描电镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。
2020/8/21
二、背散射电子（BSE）
• 背散射电子（也称初级背散 射电子）：指受到固体样品 原子的散射之后又被反射回 来的一部分入射电子。
• 产生过程：包括弹性背散射电 子和非弹性背散射电子。非弹 性背散射电子的能量分布范围 很宽，可从数十电子伏特到接 近入射电子的初始能量。
• 显然，一个原子中至少要有三 个以上的电子才能产生俄歇效 应，铍是产生俄歇效应的最轻 元素。
2020/8/21
• 俄歇电子的特点：
• ① 带有元素原子的特征能量 • 俄歇电子的能量与其发生过程相关的原子壳层能
• 这些信息包括：二次电 子、背散射电子、吸收 电子、透射电子以及俄 歇电子、特征X射线等 （如图）。
2020/8/21
一、二次电子（secondary electron，SE）
• 二次电子：指被入射电子轰击出来的样品原子的 核外电子。
• 产生机理： 当样品原子的核外电子受入射电子激发( 非弹性散射)获得了大于临界电离的能量后，便脱离 原子核的束缚，变成自由电子，其中那些处在接近样 品表层而且能量大于材料逸出功的自由电子就可能从 表面逸出成为真空中的自由电子，即二次电子。
• （若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射 。）
• 此X射线的波长为：
K
hc EK EL2
• 因此，辐射的X射线都有与元素对应的特征能量和特征波 长。
2020/8/21
• ② 特征X射线是从试样0.5～5m深处发出的。
• ③ 可进行微区成分分析。
• 特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：
• ④ 利用BSE的衍射信息还可以研究样品的结晶学 特征。
其中一部分入射电子经多 次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够 厚度，没有透射电子产生），最后留在样品内部 ，即称为吸收电子。
• 若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则得到吸收电子 像。
2020/8/21
• 背散射电子的特点：
• ① 分析用的背散射电子信 号通常是指那些能量较高， 其中主要是能量等于或接近 入射电子能量的弹性背散射 电子。
• 如图，这是由于从电子能谱曲 线上看出，能接收到的非弹性 背散射电子数量比弹性背散射 电子少得多。
2020/8/21
• ② 背散射电子像的分辨 率低于二次电子；