扫描电子显微镜的应用例子金属科研“神器”：扫描电子显微镜原理及应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

金属科研“神器”：扫描电子显微镜原理及应用

扫描电子显微镜是我们金属科研工作中应用最广泛的“神器”，可以说几乎伴随着每一位研究生度过自己最重要的科研经历，时常“爱也扫描”“恨也扫描”，今天就系统地为新老同学们和需要应用扫描的科技工作者介绍一下扫描电镜的原理及应用。

电子显微镜利用电子成像，类似于光学显微镜使用可见光成像。由于电子的波长远小于光的波长，所以电子显微镜的分辨率要高于光学显微镜的分辨率。

图1 蔡司SIGMA 500场发射扫描电镜

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）,简称扫描电镜，已成为功能强、用途广的材料表征工具，已广泛应用于材料，冶金，矿物，生物学等领域，如图1所示为蔡司场发射扫描电镜。

SEM结构及工作原理‍

SEM主要组成部分是：电子光学系统，信号收集处理系统，图像显示和记录系统，真空系统，电源及控制系统等，如图2所示。

图2 SEM工作原理示意图

它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。

图3 金属断口观察（来源网络）

在SEM中，电子束以栅网模式扫描样品。首先，电子枪在镜筒顶部生成电子。当电子的热能超过了源材料的功函数时，就会被释放出来，然后它们加速向带有正电荷的阳极高速移动。整个电子镜筒必须处于真空状态。

像电子显微镜的所有组件一样，电子枪也被密封在特殊的真空室中以保护它不受污染、振动和噪音的影响。除了保护电子枪不受污染，真空环境有利于得到高分辨率图像。

若非真空环境，镜筒中可能存在其他原子和分子，它们与电子相互作用，使电子束发生偏转，从而降低图像质量。高真空环境也提高了镜筒内检测器对电子的收集效率。

图4 SEM不同信号及其形成区域

样品与电子的相互作用可以产生许多不同类型的电子、光子或辐射。就扫描电子显微镜而言，用于成像的两种电子是指背散射电子和二次电子，如图4所示。

二次电子像原理

二次电子是由于被入射电子“碰撞”而获得能量，逃出样品表面的核外电子，其主要特点是：

(1)能量小于50eV，较易被检测器前端的电场吸引，因而阴影效应较弱。

(2)只有样品表面很浅（约10nm）的部分激发出的二次电子才能逃出样品表面,因此二次电子像分辨率较高。

(3)二次电子的产额主要取决于样品表面局部斜率，因此二次电子像主要是形貌像。

可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数不同，从而产生衬度。

二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，是扫描电镜的主要成像方式，特别适用于粗糙样品表面的形貌观察。

背散射电子像原理

背散射电子是由样品“反射”出来的入射电子，其主要特点是：

(1)能量高，从50eV到接近入射电子的能量。

(2)穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围大，图像分辨率较低；

(3)背散射电子产额随原子序数增大而明显增加，即样品平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，这样就形成原子序数衬度（成分衬度）。

与二次电子像相比，背散射像的分辨率要低，主要应用于样品表面不同成分分布情况的观察，比如有机无机混合物、合金等。

但严格说，背散射电子也带有形貌信息，尤其是，由于能量高，背散射电子可以认为是直线行进，因而有明显的阴影效应，对于形貌起伏较大的样品表面，立体感甚至优于二次电子像。

只有样品表面较平整，甚至是抛光后的样品才能将背散射像等同于成份像。同样地，二次电子也带有成分信息，只是远没有背散射电子明显而已。举例如下：

图5 锡铅镀层的表面图像

(a)二次电子图像；(b)背散射电子图像

SEM主要性能参数

<1> 分辨率

对微区成分分析而言，分辨率指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点间的最小距离。

SEM分辨率主要受三方面影响：入射电子束束斑直径、入射电子束在样品中的扩展效应、成像方式及所用的调制信号。

二次电子像的分辨率约为5-10nm，背散射电子像的分辨率约为50-200nm。一般来说SEM分辨率指的是二次电子像的分辨率。

<2>放大倍数

放大倍数可从十倍到几十万倍连续可调。

放大倍数：M = L/I，其中L是显像管尺寸，I是光栅扫描时相邻两点间距。M通过调节扫描线圈电流进行，电流小则电子束偏转角度小，放大倍数增大。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择，与分辨率保持一定关系。

<3> 景深

景深指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。估算景深D = 2 r/a = 0.2/(aM) mm，a-电子束张角，M-放大倍数。SEM物镜采用小孔视角、长焦距，可获得很大景深。

<4> 衬度

包括表面形貌衬度和原子序数衬度。表面形貌衬度由试样表面的不平整性引起。原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背散射电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的差异相当敏感。原子序数越大，图像越亮。二次电子受原子序数的影响较小。高分子中各组分之间的平均原子序数差别不大；所以只有—些特殊的高分子多相体系才能利用这种衬度成像。

SEM应用：形貌观察

材料形貌观察

<1> 金属玻璃（MGs）

<2> 纳米纯金属Ni

SEM应用：成分分析

能量色散X射线光谱仪（EnergyDispersive X-Ray Spectroscopy，EDX）

能谱分析是当今材料领域研究人员广泛采用的技术。如图3，利用SEM，各种信号可以提供给定样品的不同信息。当SEM与EDX探测器结合使用时，X射线也可以用作产生化学信息的信号。

EDX借助于试样发出的元素特征X射线波长和强度进行分析，根据波长测定试样所含元素，根据强度测定元素相对含量。根据探针在待测样品表面扫描方式不同，可分为点、线、面分析三种方式：

<1>点分析

将分析范围精确定位到样品中感兴趣的点上，进行定性或定量分析，常用于显微结构的成分分析，如材料的晶界，析出相，夹杂相等。

<2>线分析

电子束沿着特定的方向进行线扫描，能获得元素含量变化的线分布曲线。如果和样品的形貌像相对照分析，可直观分析元素在不同相或区域内的分布和变化趋势。

<3>面分析

利用电子束对样品表面的特定区域进行扫描，元素在试样表面的分布能在CRT上以亮度分布显示（定性分析）。

实例：

点扫描成分分析 ：下图为一种氧离子-质子-电子导电纳米复合材料BaCo0.7(Ce0.8Y0.2)0.3O3-δ(BCCY)的表征。图6D为A和B点EDX扫描结果。证实了元素Ce，Co，Y，Ba，O的存在并给出了相应含量。

图6 BCCY复合颗粒结构,

(B) STEM图像; (D) A和B点EDX扫描结果

线扫描成分分析 ：如图7b所示，C、Cu信号在硅/铜/碳纳米核壳结构复合材料(SCP)样品的EDX面扫结果中几乎重叠，证实Cu2+均匀分布在聚吡咯层中，而非集中于硅颗粒和聚吡咯层的界面。由图7c中EDX线扫结果可以获得一样的结论。

图7 含有CCI保护层的硅/铜/碳纳米核壳结构复合材料(C-SCP)结构表征：(b)SCP的EDX面扫图；(c) SCP的EDX线扫图；(d) C-CP的透射电镜图以及(e)对应的EDX线扫图

SEM应用：取向分析

电子背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD)

材料的晶体结构及取向信息对于新型材料的研发具有重大意义。目前的主要研究手段有三种:

一是利用X光衍射或中子衍射进行宏观统计分析; 二是利用透射电镜 (Transmission ElectronMicroscopy，TEM) 中的电子衍射进行微区晶体结构分析; 三是利用扫描电镜SEM中的EBSD 技术进行微区晶体结构及取向信息分析。

EBSD技术是在SEM中加装一套EBSD采集硬件及分析系统，从而能够在SEM中进行样品的微区晶体结构及取向信息分析，并将微区晶体结构及取向信息与微观组织形貌相对应。

实例：利用EBSD技术分析钛合金的形变孪晶。

图8 沿着RD压缩到15%的纯钛材料的EBSD测量结果：(a) IPF图；(b) A晶粒中启动的孪晶类型及其变体的鉴定；(c) A晶粒孪晶带与母体晶粒的晶体关系；(d) A晶粒的散点(0001)极图

在EBSD技术诞生前，人们一般用TEM来研究材料变形带来的孪晶，缺点是扫查的区域有限，不适于材料中孪晶的大量统计。

而EBSD扫查的区域与SEM相当，可以对孪晶进行数目统计。通过反极图(IPF)和极图可以明显看出孪晶的取向以及孪晶会使晶粒转动变形方式。

如图8所示，对A晶粒分析的结果表明：变形过程中先是形成拉伸孪晶，然后出现压缩孪晶。变形过程中出现了1个孪晶变体，5个孪晶变体。通过(0001)极图可发现，孪晶偏离c轴约85°，孪晶分布十分杂乱，最终晶粒c轴的取向也很分散。

扫描电镜是我们金属科技领域应用最多的微观组织和表面形貌观察设备，更多掌握如何使用扫描电镜还需要上机练习，它已经逐渐成为金属专业科研人员从业的好帮手。荀子说，不积跬步无以至千里，不积小流无以成江河，希望本文能给您了解和学习它带来帮助。

超实用！5大案例带你学会扫描电镜（SEM）在失效分析中的应用

失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。

在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。国高材分析测试中心每年都会收到客户要求简单失效和材料特性的订单，并根据检测结果提供改善解决方案。

扫描电子显微镜，被广泛应用于对各种材料的形貌、结构、界面状况、损伤机制以及材料性能预测等方面，可以直接观察材料内部原子的集结方式和真实的边界，研究晶体缺陷等，从而分析得出失效原理。

●定义及原理●

扫描电镜涉及了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及计算机控制技术，是一个复杂的系统组合。其利用电子束在样品表现进行扫描，同时利用探测器接收电子束在样品上激发的各种信号，并利用信号检测放大系统输出调制信号转换且现在在显示系统生成像。

这些信号主要有二次电子，用于形貌观察；背散射电子、特征X射线、俄歇电子，用于成分分析。

●电镜的构成●

主要四大系统：电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统和电源系统。

（1）电子光学体系：主要包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件。

图1 热发射电子枪和场发射电子枪

电磁透镜：聚焦电子枪束斑，束斑越小，成像单元越小，分辨率越高。

扫描线圈：使电子束偏转，在样品上做光栅状扫描，激发多种电子信号。

样品室：放置样品，并安装有各种信号探测器。

（2）信号收集及显示系统：收集样品在入射电子束作用下产生的各种信号，二次电子、背散射电子、特征X射线等，并进行放大转换显示在显示系统上像。

（3）真空系统：场发射电子显微镜的电子枪需要高真空度，所以配有2台离子泵，1台分子泵和一台机械抽空泵。

（4）电源系统：包括启动的各种电源，检测-放大系统，真空系统和成像系统等，

●样品制备●

样品制备技术关系到电子显微图像的观察效果和对图像的正确解释，其中对样品的导电性有一定的要求，产生的电荷积累和放电会造成图像不清晰或者无法观察和照相。

常规电镜样品要求：必须是干燥的，不含水分或挥发性物质；具有一定机械强度，能耐受电子束轰击；具有导电性，被激发时能够产生足够的二次电子。

（1）块状样品的制备

对于块状导电样品，基本上不需要进行什么制备，只要其大小适合电镜样品底座尺寸大小，即可直接用导电胶带把样品黏结在样品底座上，放到扫描电镜中观察，为防止假象的存在，在放试样前应先将试样用丙酮或酒精等进行清洗，必要时用超声波清洗器进行清洗。对于块状的非导电样品或导电性较差的样品，要先进行镀膜处理，否则，样品的表面会在高强度电子束作用下产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降，因此这类样品要在观察前进行喷镀导电层的处理，在材料表面形成一层导电膜，避免样品表面的电荷积累，提高图象质量，并可防止样品的热损伤。

（2）粉末样品的制备

对于导电的粉末样品，应先将导电胶带黏结在样品座上，再均匀地把粉末样撒在上面，用洗耳球吹去未黏住的粉末，即可用电镜观察。对不导电或导电性能差的，要再镀上一层导电膜，方可用电镜观察。为了加快测试速度，一个样品座上可以同时制备多个样品，但在用洗耳球吹未黏住的粉末时，应注意不要样品之间相互污染。

对于粉末样品的制备应注意以下几点:

A、尽可能不要挤压样品，以保持其自然形貌状态。

B、特细且量少的样品，可以放于乙醇或者合适的溶剂中用超声波分散一下，再用毛细管滴加到样品台上的导电胶带上(也可用牙签点一滴到样品台上)，晾干或强光下烘干即开。

C、粉末样品的厚度要均匀，表面要平整，且量不要太多，1g左右即可，否则容易导致粉末在观察时剥离表面，或者容易造成喷金的样品的底层部分导电性能不佳，致使观察效果的对比度差。

（3）半导体材料

一般的制备样品方法都适合。但有些特殊的反差机制，如电压反差，电子通道反差, 感生电流，样品电流等，半导体材料需要特殊的制备。

（4）金属和陶瓷样品

彻底去除油污以避免碳氢化合物的污染。超声波清洗机：溶剂为丙酮、乙醇、甲苯等。溶剂不危害样品表面形貌完整性是非常重要的。

确定样品污染方法：在很高的放大倍数下观察样品，然后降低放大倍数（扫描电镜为齐焦系统，高倍聚焦清楚，在低的倍数下不离焦），如果有污染，在低倍会观察到原来高倍的扫描区域有明显黑色痕迹。污染物沉积的速率和电子束照射区域的剂量有关，由于越高的放大倍数，相同扫描时间内样品单位面积电子束照射剂量越大。

对于导电较差的非金属材料，必须蒸镀C、Au、Pt等导电膜。定量分析镀C，形貌镀Au、Pt；样品表面不能被污染，适当的时候需要清洁；磁性样品一定要进行特殊处理。

●扫描电镜在失效分析中的应用●

图2 玻璃珠的分布/尺寸

图3 玻璃珠粘结

图2和图3展示了用玻璃珠加固的塑料材料。不仅是玻璃珠的分布，而且在几个循环过程后，硅树脂和铝基珠粘在周围的塑料基质上。良好的粘结是通过玻璃表面与周围的塑料粘附来表示的。在检查过程中也观察到材料的逐渐退化引起多孔结构。

常规实验室使用的另一个例子观察组件缺陷。图4显示了关于冷斑的一个例子，包括起皱的表面。在注射成型过程中，聚合物熔体已经变成半固态，通过施加压力进一步挤压成型。因此，负载能力应该在这里减少。在图5中，组件显示了大量的裂缝，尽管玻璃纤维的强取向，但是，由于玻璃纤维被强化，产生了有害的影响。纤维的这种取向与应力方向平行，对构件的机械承载能力没有太大的影响。此外，空的、光滑的纤维证明了没有达到最佳的纤维基质结合。

图4 组件中的冷斑

图5 强烈的纤维取向，具有有害影响

图6是不均匀纤维分布的一个例子。组件包含几条可能开裂的纤维束。尤其是纤维头部，因此，在这种情况下，可以指定与预期负载有关的光纤方向。图7显示了在滤膜周边区域成功焊缝，而在圆柱形焊接之间可以观察到间隙。

图6 组织中的纤维束

图7 焊缝

另一个重要的应用是对腌渍表面的评估，对用ABS或PC / ABS制成的塑料部件进行镀锌。使用蚀刻工艺提取表面的特聚合物的丁二烯。均匀分布的，具有大小的圆形腔，具有较低的切割能力，为随后的金属层化学沉积提供了一个理想的先决条件，以及它们与表面的粘结。如图8和9所示，椭圆形和扭曲的腔体在大小、平滑带或分层上有差异，这不仅表明可以预测电层的粘附能力受损，还表明注射成型过程可以得到优化。这一过程将模压材料拉伸，使其达到过度剪切的程度，最终可能导致其他失效模式。

图8 良好腌渍后的ABS表面

图9 ABS表面的次优酸洗

图10 分层

图11显示了另一个镀锌塑料部件的例子。在交叉显微图中，可以观察到在电化层下面有一种异物，其表面覆盖着一层精细的塑料，起源于注射成型过程。图11显示了一个破裂面，在其中可以推断出由于V型断裂线而导致的断裂方向和起源。在图12中，我们可以看到在图像的下半部分，裂缝类型发生了变化，当开始裂缝时，残余的物质粘结已经变得脆弱，自发的失效。