SEM掃描電鏡測試的原理與樣品制備

一、掃描電鏡原理

自從1965年第一臺商品掃描電鏡問世以來，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)，掃描電鏡的分辨率從第一臺的25nm提高到現(xiàn)在的0.01nm，而且大多數(shù)掃描電鏡都能與X射線波譜儀、X射線能譜儀等組合，成為一種對表面微觀世界能夠經(jīng)行全面分析的多功能電子顯微儀器。   

在材料領(lǐng)域中，掃描電鏡技術(shù)發(fā)揮著極其重要的作用，被廣泛應(yīng)用于各種材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)、界面狀況、損傷機(jī)制及材料性能預(yù)測等方面的研究。利用掃描電鏡可以直接研究晶體缺陷及其產(chǎn)生過程，可以觀察金屬材料內(nèi)部原子的集結(jié)方式和它們的真實(shí)邊界，也可以觀察在不同條件下邊界移動的方式，還可以檢查晶體在表面機(jī)械加工中引起的損傷和輻射損傷等。

二、掃描電鏡的結(jié)構(gòu)及主要性能   

掃描電鏡可粗略分為鏡體和電源電路系統(tǒng)兩部分。鏡體部分由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號收集和顯示系統(tǒng)以及真空抽氣系統(tǒng)組成。

圖1 掃描電鏡結(jié)構(gòu)示意圖   

1 電子光學(xué)系統(tǒng)   

由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為信號的激發(fā)源。為了獲得較高的信號強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。   

2 信號收集及顯示系統(tǒng)   

檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。現(xiàn)在普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。   

3 真空系統(tǒng)   

真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染，一般情況下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。   

4 電源系統(tǒng)   

電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。   

5 各類顯微鏡主要性能的比較   

表1 各類顯微鏡性能的比較   

三、掃描電鏡工作原理    

圖2 掃描電鏡原理圖   

掃描電鏡由電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過磁透鏡系統(tǒng)匯聚，形成直徑為5nm，經(jīng)過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成一個細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對應(yīng)，也就是說，電子束打到樣品上一點(diǎn)時，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個亮點(diǎn)。掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉(zhuǎn)換為視頻信號，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。   

1 掃描電鏡襯度像   

㈠ 二次電子像   

在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品表面的核外電子叫做二次電子。這是一種真空中的自由電子。二次電子一般都是在表層5~10 nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用它來進(jìn)行成分分析。   

3.1.2 背散射電子像   背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子，背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)能隨樣品原子序數(shù)增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地用作成分分析。   背散射電子信號強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。   

㈡ 掃描電鏡的附件   

掃描電鏡一般都配有波譜儀或者能譜儀。波譜儀和能譜儀是不能互相取代的，只能是互相補(bǔ)充。   波譜儀是利用布拉格方程2dsinθ=λ，從試樣激發(fā)出了X射線經(jīng)適當(dāng)?shù)木w分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角2θ。波譜儀是微區(qū)成分分析的有力工具。波譜儀的波長分辨率是很高的，但是由于X射線的利用率很低，所以它使用范圍有限。   能譜儀是利用X光量子的能量不同來進(jìn)行元素分析的方法，對于某一種元素的X光量子從主量子數(shù)為n1的層躍遷到主量子數(shù)為n2的層上時，有特定的能量ΔE=En1-En2。能譜儀的分辨率高，分析速度快，但分辨本領(lǐng)差，經(jīng)常有譜線重疊現(xiàn)象，而且對于低含量的元素分析準(zhǔn)確度很差。       

能譜儀與波譜儀相比的優(yōu)缺點(diǎn)：     

（1） 、能譜儀探測X射線的效率高。   

（2）、 能譜儀的結(jié)構(gòu)比波譜儀簡單，沒有機(jī)械傳動部分，因此穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好。   

（3） 、能譜儀不必聚焦，因此對樣品表面沒有特殊要求。   但是能譜儀的分辨率比波譜儀低；能譜儀的探頭必須保持在低溫狀態(tài)，因此必須時時用液氮冷卻。

四、掃描電鏡在材料學(xué)中的應(yīng)用

1 試樣制備技術(shù)

和透射電鏡相比，掃描電鏡試樣制備比較簡單。在保持材料原始形狀情況下，可以直接觀察和研究試樣表面形貌及其它物理效應(yīng)（特征），這是掃描電鏡的一個突出優(yōu)點(diǎn)。掃描電鏡的有關(guān)制樣技術(shù)是以透射電鏡、光學(xué)顯微鏡及電子探針X射線顯微分析制樣技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，有些方面還兼具透射電鏡制樣技術(shù)，所用設(shè)備也基本相同。但因掃描電鏡有其本身的特點(diǎn)和觀察條件，只簡單地引用已有的制樣方法是不夠的。

掃描電鏡的特點(diǎn)是：   

①   、觀察試樣為不同大小的固體（塊狀、薄膜、顆粒），并可在真空中直接進(jìn)行觀察。   

②   、試樣應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能，不導(dǎo)電的試樣，其表面一般需要蒸涂一層金屬導(dǎo)電膜。   

③    、試樣表面一般起伏（凹凸）較大。   

④    、觀察方式不同，制樣方法有明顯區(qū)別。   

⑤    、試樣制備與加速電壓、電子束流、掃描速度（方式）等觀察條件的選擇有密切關(guān)系。   

上述項(xiàng)目中對試樣導(dǎo)電性要求是最重要的條件。在進(jìn)行掃描電鏡觀察時，如試樣表面不導(dǎo)電或?qū)щ娦圆缓?，將產(chǎn)生電荷積累和放電，使得入射電子束偏離正常路徑，最終造成圖像不清晰乃至無法觀察和照相。

㈠ 塊狀試樣制備   

導(dǎo)電性材料：主要是指金屬，一些礦物和半導(dǎo)體材料也具有一定的導(dǎo)電性。這類材料的試樣制備最為簡單。只要使試樣大小不得超過儀器規(guī)定（如試樣直徑最大為φ25mm，最厚不超過20mm等），然后用雙面膠帶粘在載物盤，再用導(dǎo)電銀漿連通試樣與載物盤（以確保導(dǎo)電良好），等銀漿干了（一般用臺燈近距離照射10分鐘，如果銀漿沒干透的話，在蒸金抽真空時將會不斷揮發(fā)出氣體，使得抽真空過程變慢）之后就可放到掃描電鏡中直接進(jìn)行觀察。   非導(dǎo)電性材料：試樣的制備也比較簡單，基本可以像導(dǎo)電性塊狀材料試樣的制備一樣，但是要注意的是在涂導(dǎo)電銀漿的時候一定要從載物盤一直連到塊狀材料試樣的上表面，因?yàn)橛^察時候電子束是直接照射在試樣的上表面的。   

㈡ 粉末狀試樣的制備

首先在載物盤上粘上雙面膠帶，然后取少量粉末試樣在膠帶上的靠近載物盤圓心部位，然后用洗耳球朝載物盤徑向朝外方向輕吹（注意不可用嘴吹氣，以免唾液粘在試樣上，也不可用工具撥粉末，以免破壞試樣表面形貌），以使粉末可以均勻分布在膠帶上，也可以把粘結(jié)不牢的粉末吹走（以免污染鏡體）。然后在膠帶邊緣涂上導(dǎo)電銀漿以連接樣品與載物盤，等銀漿干了之后就可以進(jìn)行最后的蒸金處理。   

㈢ 溶液試樣的制備   

對于溶液試樣我們一般采用薄銅片作為載體。首先，在載物盤上粘上雙面膠帶，然后粘上干凈的薄銅片，然后把溶液小心滴在銅片上，等干了（一般用臺燈近距離照射10分鐘）之后觀察析出來的樣品量是否足夠，如果不夠再滴一次，等再次干了之后就可以涂導(dǎo)電銀漿和蒸金了。         

二 掃描電鏡應(yīng)用實(shí)例   

1 觀察材料的表面形貌   

圖3 熱軋態(tài)Mg側(cè)剝離面的SEM圖   

熱軋包鋁鎂板（軋制溫度400℃、壓下率45%）Mg側(cè)剝離面SEM形貌如圖3所示。由圖可清楚的觀察到在剝離面上存在大量撕裂棱、撕裂平臺，在撕裂平臺上還存在許多放射狀小條紋和韌窩。   

2 觀察材料第二相   

圖4 AZ31鎂合金SEM高倍顯微組織   

從圖4中可以清楚的觀察到破碎后的第二相Mg17Al12尺寸約為4?m，在“大塊”Mg17Al12附近有許多彌散分布的的小顆粒，尺寸在0.5?m左右，此為熱軋后冷卻過程中由α-Mg基過飽和固溶體中析出的二次Mg17Al12相，呈這種形態(tài)分布的細(xì)小第二相Mg17Al12能有效的阻礙位錯運(yùn)動，提高材料強(qiáng)度，起到彌散強(qiáng)化的作用，而不會明顯降低AZ31鎂合金的塑性。   

3 觀察材料界面    

圖5 Mg/Al 軋制界面線掃描   

圖5是Mg/Al軋制復(fù)合界面的線掃描圖像，從圖中我們可以看到，穿過Mg和Al的界面進(jìn)行線掃描，可以得到，在Al的一側(cè)，Mg含量低，在Mg一側(cè)，Al幾乎為零；但在界面處，Mg和Al各大約占一半，說明在界面處發(fā)生了擴(kuò)散，形成了Mg和Al的擴(kuò)散層。   

4 觀察材料斷口   

圖6AZ31鎂合金拉伸斷口形貌 （a）鑄態(tài)（b）熱軋態(tài)   

AZ31鎂合金鑄態(tài)試樣拉伸斷口SEM掃描形貌如圖6所示。從圖6（a）可以觀察到明顯的解理斷裂平臺，在最后撕裂處也存在少量韌窩，基本上屬于準(zhǔn)解理斷裂，塑性較差。這是因?yàn)殍T態(tài)AZ31鎂合金晶界處存在粗大的脆性第2相Mg17Al12，在拉伸變形過程中容易破碎形成裂紋源。熱軋態(tài)AZ31鎂合金拉伸試樣斷口處有明顯的縮頸現(xiàn)象，其宏觀斷口SEM掃描形貌如圖6（b）所示，呈現(xiàn)出以韌窩為主的延性斷口形貌特征，韌窩大小為5~20?m。   五、結(jié)語   掃描電鏡已成為各種科學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的有力工具。除了在材料科學(xué)中應(yīng)用廣泛，在地學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金、機(jī)械加工等領(lǐng)域均大量應(yīng)用掃描電鏡作為研究手段。我們應(yīng)該了解掃描電鏡的工作原理及其應(yīng)用，并在自己的科學(xué)研究中利用好掃描電鏡這個工具，對材料進(jìn)行全面細(xì)致的研究

掃描電鏡塊狀樣品的制備：

1、導(dǎo)電性材料

導(dǎo)電材料主要指金屬，一些礦物和半導(dǎo)體材料也有一定的導(dǎo)電性這種材料的樣品制備是最簡單的只要樣品尺寸不超過SEM的要求（例如，樣品的最大直徑為pH25mm，最大厚度為20mm等），然后用雙面膠帶粘貼在托盤上，然后用導(dǎo)電銀漿將樣品與托盤連接（以確保良好的導(dǎo)電性），并等待銀漿。晾干（一般用臺燈近距離照射10分鐘，如果銀膏沒有完全晾干，抽真空時會不斷揮發(fā)蒸金，之后可以在掃描電鏡中直接觀察到但在樣品制備過程中，也應(yīng)注意：

①為了減少掃描電鏡的污染，保持良好的真空度，樣品尺寸應(yīng)盡可能小

②在切割樣品時，避免樣品在加熱過程中產(chǎn)生的塑性變形或觀察表面上氧化層的形成。防止機(jī)械損壞或水、油、灰塵和其他污染物進(jìn)入

③當(dāng)觀察表面，特別是各斷口間隙有污染物時，可用無水乙醇、丙酮或超聲波清洗這些污染物都是隱藏圖像細(xì)節(jié)，造成樣品收費(fèi)和圖像質(zhì)量惡化的原因

④故障部件或電接觸斷裂處的油污、氧化層和腐蝕產(chǎn)物不易清除。觀察這些物質(zhì)往往有助于分析故障的原因如果確認(rèn)這些異物是故障后引入的，一般可以用塑料膠膠帶或醋酸纖維素薄膜粘貼幾次，然后用有機(jī)溶劑清洗去除

③SEM樣品表面的氧化層一般難以去除。必要時，可采用化學(xué)法或陰極電解法使試樣表面基本恢復(fù)原狀

為了同時觀察多個樣品，通常是同一類型的樣品，并在掃描電子鏡中快速找到所需的樣品，通常在1號樣品的膠帶上剪一個角，然后按逆時針順序放置樣品（觀察時也按逆時針順序放置）

2、非導(dǎo)電性材料

用于掃描電鏡的非導(dǎo)電塊體材料樣品的制備也相對簡單，基本上可以與導(dǎo)電塊體材料樣品的制備相同，但需要注意的是，在涂覆導(dǎo)電銀漿時，必須從托盤連接到塊體材料樣品的上表面因?yàn)樵谟^察過程中電子束直接照射在樣品的上表面

掃描電鏡粉末狀樣品的制備：

首先在掃描電鏡的載盤上粘上貼雙面膠帶，然后在載盤中心附近的膠帶上取少量粉末樣品，然后用橡皮球向載盤徑向向外輕輕吹（注意不要用嘴吹，以免唾液粘在樣品上或用工具拉粉，以免損傷試樣表面形貌），使粉均勻地分布在膠帶上，也可將粘結(jié)不牢的粉吹走（以免污染鏡體）

然后在膠帶邊緣涂上導(dǎo)電銀膏，將樣品與托盤連接起來銀漿干燥后，可以進(jìn)行最終的金蒸發(fā)處理（注：導(dǎo)電和非導(dǎo)電粉末樣品都必須進(jìn)行金蒸發(fā)處理，因?yàn)榧词箻悠肥菍?dǎo)電的，在粉末狀態(tài)下，顆粒之間緊密接觸的概率也很小除非使用更昂貴的碳導(dǎo)電雙面膠）

掃描電鏡溶液樣品的制備：

掃描電鏡溶液樣品一般采用薄銅帶作為載體首先在掃描電鏡載物盤上粘上貼雙面膠，然后貼上干凈的薄銅帶，然后小心地將溶液滴在銅帶上，待其干燥（一般用燈近距離照射10分鐘），然后觀察樣品量是否足夠如果不夠，再滴一次，再涂導(dǎo)電銀膏，干燥后蒸金。

掃描電鏡生物樣品制備方法：

生物樣品含水直接觀察，會對掃描電鏡造成以下影響：

1. 樣品蒸發(fā)的水蒸氣遭遇高能電子束，會被電離而放電，引起束流大幅度波動，使圖像模糊，或者根本不能成像;
2. 大多數(shù)含水樣品在高真空中容易發(fā)生形態(tài)損傷，表面皺縮、變形;
3. 樣品揮發(fā)會造成鏡頭、光闌等的污染;
4. 燈絲會被上升水蒸氣氧化而變質(zhì)。

生物樣品的含水量高，二次電子產(chǎn)率低，導(dǎo)電性差，對熱，電子束敏感，僅有少數(shù)樣品如毛發(fā)、牙齒以及含水量極低的昆蟲等可以直接噴鍍觀察，絕大多數(shù)的生物樣品均要求經(jīng)過干燥處理才能鍍金觀察。

干燥是掃描電鏡生物樣品制備中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果處理不好，會直接影響到觀察的清晰度與準(zhǔn)確度。要想制備出好的掃描電鏡生物樣品，需要在干燥過程中盡可能減少由于水分蒸發(fā)而引起的樣品表面形貌的形變，且必須確保干燥徹底。大多數(shù)動植物容易發(fā)生明顯的塌陷和變形。因此，需要針對不同的生物樣品來選擇合適的干燥方法。

掃描電鏡生物樣品制備常用干燥方法

1. 自然干燥法

自然干燥法是指樣品中的水分在大氣中自然蒸發(fā)，或樣品經(jīng)脫水處理后脫水劑自然揮發(fā)而干燥的方法。

對干種子、果殼、某些干花粉、昆蟲標(biāo)本等來說，自然干燥法是一個簡易實(shí)用有效的方法，雖然在自然干燥過程中，樣品體積有所收縮，但卻保留了樣品的基本形態(tài)。適用于外表堅硬的樣品，如外表有殼的昆蟲，木材等。

自然風(fēng)干——電鏡直接觀察螨蟲

2. 烘干干燥法

烘干干燥法是將要研究的樣品用烘干箱烘干，一般溫度控制在 80℃ 以下，烘干程度以含水量在 5% 以下為好。此方法的干燥速度較快，但水分蒸發(fā)時可能造成樣品變形或斷裂。適用于不易變形且耐熱的樣品，比如淀粉粒、孢子粉等。

烘干的花粉噴金后直接可以用二次電子觀察

3. 臨界點(diǎn)干燥法

臨界點(diǎn)干燥法是利用物質(zhì)在臨界狀態(tài)下，液體和氣體的密度相等，氣液界面完全消失，液體的表面張力系數(shù)為零。臨界點(diǎn)干燥法之所以一直被視為制作生物醫(yī)學(xué)掃描樣品最可靠的干燥方法，是因?yàn)榇朔芟后w表面張力的作用，干燥出的樣品能最大程度地保存其自然形態(tài)。

4. 冷凍干燥法

冷凍干燥法是將含水樣品放入低溫環(huán)境中冷凍，或使用溶劑將樣品中的水逐級替換后冷凍，然后抽真空升華。它是利用低溫和真空，使樣品中的水分或溶劑直接升華，以達(dá)到干燥樣品的目的。冷凍干燥過程不經(jīng)過液相階段，因而避免了氣相和液相之間表面張力對樣品的損傷。

5. 真空干燥法

真空干燥法指的是將經(jīng)脫水（多用梯度脫水）的樣品置于真空容器中進(jìn)行干燥的方法。真空干燥法選用高熔點(diǎn)的有機(jī)溶劑（叔丁醇、乙腈、六甲基二硅胺烷、正丁醇等）作升華介質(zhì)，既保留了冷凍干燥法的優(yōu)點(diǎn)，又不用對樣品進(jìn)行冷凍處理，無冷凍損傷，且操作簡單。適用于所有生物樣品，特別是細(xì)菌、細(xì)胞等微小樣品。

經(jīng)過梯度脫水真空干燥的桿菌可以輕松獲得高倍圖像

小結(jié)

干燥方法在不斷改進(jìn)，但還是只能把由干燥引起的樣品變形控制在一定的范圍內(nèi)。上述 5 種干燥方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，且各有適用的生物樣品種類。我們在選擇生物樣品干燥的方法時，盡量選擇能保持樣品表面真實(shí)結(jié)構(gòu)的方法，在保證掃描電鏡狀態(tài)下，盡量還原樣品表面細(xì)節(jié)。

對于生物樣品，鑠思百電鏡低真空模式可以直接觀察一些生物樣品，如新鮮植物葉片，昆蟲等。觀察葉子氣孔，高亮度的 CeB6 燈絲可以在低曝光時間下快速拍照，獲得高質(zhì)量圖像，避免了長時間曝光導(dǎo)致氣孔關(guān)閉以及長時間抽真空導(dǎo)致葉片失水收縮。

電鏡低真空下觀察葉子氣孔

冷凍的水凝膠，觀察到其大范圍內(nèi)，短程有序，長程無序

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2、細(xì)節(jié)溝通（聯(lián)系在線QQ）

3、下載填寫測試委托單

4、測試委托單和樣品郵寄

5、聯(lián)系客服付款

6、安心等待

7、接受數(shù)據(jù)

8、后期服務(wù)

以上是對于測試的相關(guān)介紹，如有其它檢測需求可以咨詢實(shí)驗(yàn)室工程師，為您一對一服務(wù)。

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