第八章多晶体X射线衍射分析方法

多晶体X射线衍射分析方法

第八章 扫描电子显微镜与 电子探针显微分析

多晶体X射线衍射分析方法

日本电子JEOL

TESCAN

多晶体X射线衍射分析方法

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、 物理化学等领域。

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前

言

SEM的主要特点： ⑴ 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨率达到 7~10nm。 ⑵ 仪器放大倍数变化范围大(从几十倍到几十万 倍),且连续可调。 ⑶ 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较 大的粗糙表面(如金属和陶瓷断口等)。

⑷ 试样制备简单。只要将块状或粉末状的、导电 或不导电的试样不加处理或稍微处理就可以直接放 到SEM中观察。比TEM制样简单且图像更接近于 试样的真实状态。

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前

言

⑸ 可做综合分析。SEM上装有WDX或EDX后， 在观察扫描形貌像的同时可以对微区进行元素 分析。装上半导体样品座，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。

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8.1 电子束与固体样品相互作用

电子束在固体材料中的作用体积 作用体积的大 小与形状与入 射电子束的加 速电压以及材 料的种类有关。 加速电压越高， 作用体积越大； 原子序数越大， 作用体积由 “梨形”向半 球形转变。

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8.1 电子束与固体样品相互作用

高能电子束与固体样品相互作用如图示。

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8.1 电子束与固体样品相互作用

8.1.1 背散射电子 背散射电子——被固体样品中的原子核反弹回来 的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹 性背散射电子。 ⑴ 弹性背散射电子 ——被样品中原子反射回来的散射角大于90°的 那些入射电子，即方向发生改变但能量基本不变。 弹性背散射电子的能量为数千eV到数万eV。

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背散射电子BSE

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。

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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。

产额η指一个入射电子产 生能量大于50eV的背散射 电子的几率。即 η =IR / I0

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二次电子

二次电子——被入射电子轰击出来的核外电子， 通常为外层电子。

二次电子信号主要来自样品表层5~10nm深度范 围，能量较低(小于50eV)。二次电子产额对于样 品的表面状态非常敏感，采用二次电子成像时能 有效地显示试样表面的微观形貌。

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二次电子

一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生 很多的二次电子，其中绝大部分来源于价电子。 二次电子分辨率很高，一般可达到5nm~10nm, SEM的分辨率通常就是二次电子分辨率。

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吸收电子

8.1.3 吸收电子 吸收电子——经样品多次非弹性散射，能量损失 殆尽，最后被样品吸收的那部分入射电子。若在 样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表即可测 得对地信号，这就是吸收电子提供的。 若背散射电子或二次电子数量任一项增加，将会 引起吸收电子数量的相应减少，若用吸收电子来 调制成像，则其衬度与二次电子像和背散射电子 像衬度的反差是互补的。

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透射电子

8.1.4 透射电子 透射电子——当样品厚度小于电子有效穿透深度时， 穿过样品而出的那些入射电子。在样品下方检测到 的透射电子包括有能量与入射电子相当的弹性散射 电子和各种不同能量损失的非弹性散射电子。 有些特征能量损失ΔE的非弹性散射电子与分析区域 的成分有关。因此，可以用特征能量损失电子进行 微区成分分析——特征能量损失谱(EELS)

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特征X射线

8.1.5 特征X射线 特征X射线——原子内层电子受到激发后，在能级 跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种 电磁波。特征X射线的波长和原子序数之间服从莫 塞莱定律： K (Z )2式中：Z—原子序数；K、σ为常数。

原子序数和特征能量之间存在对应关系，利用这种 对应关系可以进行成分分析——若用X射线探测器 测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判断 该微区中存在相应元素。

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俄歇电子

8.1.6 俄歇电子 俄歇电子——原子内层电子受到激发后，在能级跃 迁过程中释放出来的能量ΔE使得核外另一个电子电 离并逸出样品表面，称为俄歇电子。 每种原子都有特定的能级，因此，俄歇电子的能量 也具有特征值，一般在50eV~1500eV范围内。 俄歇电子来源于样品表面以下几个nm(小于2nm), 因此只能进行表面化学成分分析。 一个原子中

至少要有3个以上电子才能产生俄歇效 应，铍是产生俄歇电子的最轻元素。