掃描電子顯微鏡的工作原理及應(yīng)用

凌 妍，鐘嬌麗，唐曉山，李棟宇*

(1.嶺南師范學(xué)院 新材料研究院，廣東 湛江 524033;2.嶺南師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 湛江 524033)

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的很窄的高能電子束來(lái)掃描樣品，通過(guò)光束與物質(zhì)間的相互作用，來(lái)激發(fā)各種物理信息，對(duì)這些信息收集、放大、再成像以達(dá)到對(duì)物質(zhì)微觀形貌表征的目的。新式的掃描電子顯微鏡的分辨率可以達(dá)到1 nm；放大倍數(shù)可以達(dá)到30萬(wàn)倍及以上連續(xù)可調(diào)；并且景深大，視野大，成像立體效果好[1]。此外，掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結(jié)合，可以做到觀察微觀形貌的同時(shí)進(jìn)行物質(zhì)微區(qū)成分分析。掃描電子顯微鏡在巖土[2]、石墨[3]、陶瓷[4]及納米材料[5]等的研究上有廣泛應(yīng)用。因此掃描電子顯微鏡在科學(xué)研究領(lǐng)域具有重大作用。

掃描電鏡用于成像的信號(hào)來(lái)自于入射光束與樣品中不同深度的原子的相互作用。樣品在電子束的轟擊下會(huì)產(chǎn)生包括背散射電子、二次電子、特征X射線、吸收電子、透射電子、俄歇電子、陰極熒光、電子束感生效應(yīng)等在內(nèi)的多種信號(hào)，而一個(gè)單一機(jī)器能夠配有所有信號(hào)的探測(cè)器是很難的，背散射電子(BSE)、二次電子(SEI)、特征X射線探測(cè)器是一般掃描電子顯微鏡的標(biāo)配探測(cè)器[6-8]。本文只討論掃描電鏡常利用的這三種信號(hào)的原理及應(yīng)用。本校實(shí)驗(yàn)室所配備的是日本電子生產(chǎn)的JSM-7610F熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，配備了美國(guó)Thermo Fisher Inc生產(chǎn)的NORAN System 7能譜儀探測(cè)器。

1 二次電子形貌襯度原理及應(yīng)用

圖1 沙白粉末不同放大倍數(shù)下的SEM圖

二次電子是電子束轟擊樣品使樣品中原子的外層電子與原子脫離，產(chǎn)生的一種自由電子。二次電子的能量較低，一般在50 eV以下。由于二次電子產(chǎn)生于距離樣品表面很近的位置(一般距表層5～10 nm)，因此二次電子成像(SEI)可以對(duì)樣品表面進(jìn)行高分辨率的表征，分辨率可以達(dá)到1 nm。

如圖1所示是本實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)高溫煅燒研磨的沙白(一種廣泛分布于中國(guó)南海近海的貝類(lèi))粉末在二次電子模式下的照片，圖1(a)是5500放大倍數(shù)下觀察到的沙白團(tuán)簇體，圖1(b)是9000放大倍數(shù)下的沙白單體，圖1(c)是110000放大倍數(shù)下沙白單體照片，從圖中可以很好的觀察沙白單體的表面形貌，沙白單體直徑大約在150～800 nm之間。

2 背散射電子原子序數(shù)襯度原理及應(yīng)用

背散射電子(BSE)是電子束轟擊樣品過(guò)程中被樣品反射回來(lái)的部分電子，其中包括被原子核反射回來(lái)的彈性背散射電子，和被原子核外電子反射回來(lái)的非彈性背散射電子。彈性背散射電子的散射角大于90°，沒(méi)有能量損失，因此彈性背散射電子的能量很高，一般可以達(dá)到數(shù)千伏到數(shù)萬(wàn)伏。非彈性背散射電子由于和核外電子碰撞，不僅方向改變，也會(huì)有不同程度的能量損失，因此非彈性背散射電子的能量分布范圍較廣，一般數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏。由于非彈性背散射電子需要經(jīng)過(guò)多次散射才能逸出樣品表面，因此，彈性背散射電子的數(shù)量是遠(yuǎn)高于非彈性背散射電子的，因此掃描電鏡中所指的背散射電子多指彈性背散射電子。背散射電子產(chǎn)生于距離樣品表面幾百納米的深度，因此背散射電子圖像的分辨率低于二次電子圖像分辨率。然而，背散射電子的產(chǎn)量與樣品原子序數(shù)有很大的關(guān)系，因此可以用來(lái)提供樣品原子序數(shù)襯度信息。在背散射模式下，樣品表面平均原子序數(shù)大的區(qū)域，背散射信號(hào)強(qiáng)，則電鏡圖中表現(xiàn)為亮度高，相反，原子序數(shù)小的區(qū)域比較暗[9-10]。所以在掃描電子顯微鏡的分析中通常將背散射電子與特征X射線產(chǎn)生的能譜相結(jié)合來(lái)做成分分析。此外，由于背散射信號(hào)的強(qiáng)度與樣品晶面與入射電子束的夾角有關(guān)，當(dāng)入射電子束與晶面夾角越大，背散射信號(hào)越強(qiáng)，圖像越亮，反之越暗，因此背散射電子可以用作晶體的取向分析。

圖2 Pb-Sn合金的SEM圖[10]

圖2所示為鉛錫合金在兩種模式下的掃描電鏡照片，圖2(a)是二次電子模式下的照片，圖2(b)是背散射模式下的照片，從圖中可以看出二次電子像主要對(duì)樣品表面形貌做表征，而背散射模式下，亮的區(qū)域主要元素是鉛(原子序數(shù)82)，暗的區(qū)域主要元素是錫(原子序數(shù)50)，因此背散射模式可以提供原子序數(shù)襯度信息[10]。

3 特征X射線原理及能譜應(yīng)用

當(dāng)高能電子束轟擊樣品，將樣品中原子的內(nèi)層電子電離，此時(shí)的原子處于較高激發(fā)態(tài)，外層的高能量電子會(huì)向內(nèi)層躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層空缺從而釋放能量，這部分輻射能量稱為特征X射線。這些特征X射線可以用來(lái)鑒別組成成分以及測(cè)定樣品中豐富的元素。

圖3 (a)沙白團(tuán)簇體SEM照片；(b)圖3(a)中標(biāo)記點(diǎn)1處的能譜圖

圖3(a)是在加速電壓10 kV，放大倍數(shù)4500的條件下的沙白團(tuán)簇體SEM照片，圖3(b)是對(duì)圖3(a)沙白團(tuán)簇體中標(biāo)記點(diǎn)1處探測(cè)的能譜，從能譜圖可以看出，沙白粉末中主要含有Ca和O兩種元素?？梢越Y(jié)合XRD衍射圖譜具體判斷是哪種化合物。

4 總結(jié)

本文介紹了掃描電子顯微鏡常用的三種信號(hào)原理及應(yīng)用，二次電子產(chǎn)生于距離樣品表面5～10 nm的位置，能夠?qū)悠繁砻孢M(jìn)行高分辨率的表征，因此二次電子模式用于觀察表面形貌特征，利用該功能對(duì)沙白貝殼粉顆粒的外觀形貌進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)沙白粉末單體直徑大約在150～800 nm之間；背散射電子與樣品原子序數(shù)有很大關(guān)系，因此背散射模式常用于定性的成分分布分析；特征X射線是樣品中原子躍遷釋放的輻射能量，其能夠反映樣品的組成元素，因此特征X射線用于能譜探測(cè)，利用該功能對(duì)沙白粉末進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)其主要含有Ca和O兩種元素。

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