扫描电镜和能谱仪课件.ppt

1、I、扫描电镜扫描电镜图片展示：扫描电镜图片展示：一一.基本概念介绍基本概念介绍1 1.场发射场发射（field emission）：是指强电场作用下电子从阴极表面释放出来的现象,是一种实现大功率高密度电子流的方法。1)冷场发射式(cold field emission,FE)2)热场发射式(thermal field emission,TF)3)萧基发射式(Schottky emission,SE)三种电子枪的性能比较三种电子枪的性能比较1.冷场发射式电子枪冷场发射式电子枪:最大的优点为电子束直径最小电子束直径最小，亮度最高亮度最高，因此影像解析度最优。能量散布最小，故能改善在低电压操作的效果

2、。为避免针尖被外来气体吸附，而降低场发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需在10-10 torr（1 Pa7.5006103 Torr）的真空度下操作，还需定时短暂加热针尖至2500K(此过程叫做flashing)，以去除所吸附的气体原子。2.热场发射式电子枪热场发射式电子枪:在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大35倍，影像解析度较差，通常较不常使用。3.萧基发射式电子枪：萧基发射式电子枪：操

3、作温度为1800K，它系在钨(100)单晶上镀ZrO2覆盖层，所需真空度约10-810-9 torr。其发射电流稳定度佳，而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小，仅稍逊于冷场发射式电子枪。其电子源直径比冷式大，所以影像解析度也比冷场发射式稍差一点。灯丝寿命短（6000h）。冷场电镜和普通钨灯丝电镜电子枪比较冷场电镜和普通钨灯丝电镜电子枪比较钨钨灯丝灯丝FE TipW W灯丝灯丝FE FE TipTip 分子分子 前前FEFE 分子分子 前前FEFE吸着、吸蔵 吸着、吸蔵 分子分子完全除去 完全除去 吸着、吸蔵 吸着、吸蔵 分子分子完全除去 完全除去 吸着、吸蔵 吸着、吸蔵 分子分子完全除去

4、 完全除去 去除灯丝表面的吸附的气去除灯丝表面的吸附的气体分子体分子Flashing发射束流時間Flashing之后稳定期间的Ie变化Ion冲击FE Tip 先端FE Tip 先端FE Tip 先端FlashingFlashing需要需要稳定时间约为48h 2.分辨率分辨率电子显微镜分辨率是指电子显微镜分辨率是指SEM图像可以确认的两个最近物点之间的距离图像可以确认的两个最近物点之间的距离試試 料料加速電圧加速電圧倍倍 率率分辨率分辨率:喷金颗粒喷金颗粒:30kV:30kV:800kX:800kX:0.4nm0.4nmS-5500S-5500試試 料料加速電圧加速電圧倍倍 率率分辨率分辨率:喷

5、金颗粒喷金颗粒:15kV:15kV:220kX:220kX:1.0nm1.0nmS-4800S-4800100nm100nm以以4 45 5英寸英寸为基准的倍为基准的倍率率3.放大倍数放大倍数二、二、S-4800S-4800的基本原理和结构的基本原理和结构二次电子二次电子(Secondary Electron)样品样品(金属金属)真空真空背散射电子背散射电子(Backscattered Electron)入射电子入射电子SE和和BSE的激发原理的激发原理SE和和BSE的图像对比的图像对比背散射电子图像背散射电子图像二次电子图像二次电子图像电子枪电子枪样品仓样品仓样品交换仓样品交换仓液晶显示器液

6、晶显示器轨迹球轨迹球旋钮板旋钮板离子泵离子泵冷阱冷阱日立日立S-4800冷场发射扫描电镜的外观冷场发射扫描电镜的外观轨迹球轨迹球1、样品必须经干燥处理，冷冻干燥、真空干燥或者在烘箱、样品必须经干燥处理，冷冻干燥、真空干燥或者在烘箱中中60 oC加热两小时以上。加热两小时以上。潮湿样品和含有易挥发物质的潮湿样品和含有易挥发物质的样品绝对不能放入样品仓样品绝对不能放入样品仓；2、粉末样品可直接粘到碳导电胶上，必须粘牢。样品颗粒、粉末样品可直接粘到碳导电胶上，必须粘牢。样品颗粒较小，可用乙醇或水超声分散后滴到铝片或较小，可用乙醇或水超声分散后滴到铝片或硅片硅片上；上；3、样品不能有磁性；若有磁性必须

7、提前告知！样品不能有磁性；若有磁性必须提前告知！4、样品不能太大，长宽最好控制在、样品不能太大，长宽最好控制在5毫米以下，高度最高毫米以下，高度最高不能超过不能超过8毫米。边缘不能超过样品台；毫米。边缘不能超过样品台；三、样品制备要求三、样品制备要求1)取样取样：取大量样品离心（转速 3000r4000r），去除上清液，加入适当 PH（7.27.4）的0.1 M PBS清洗三遍；清洗时菌体温柔悬浮。2)固定固定：2.5%戊二醛固定3h（此步时间非绝对，112h都可），用PBS清洗两遍，每遍10min。再用纯水纯水清洗两遍。3)梯度脱水梯度脱水：用乙醇的水溶液按 30%、50%、70%、80%、

8、90%的浓度梯度对样品进行脱水，每步 15min，之后在100%乙醇的水溶液中脱水 15min2 次；再将样品置于乙醇和叔丁醇 1:1混合液中15min；最后置样品于叔丁醇中 15min2次。（此步也可以不做）4)冷冻干燥冷冻干燥：滴加处理好的样品于5*5 mm的盖玻片盖玻片上，置-80度冰箱冷冻后放入冷冻干燥机中进行冷冻干燥。5)电镜观察电镜观察：样品充分干燥后，进行扫描电镜观察。5.细菌样品制样方法细菌样品制样方法聚焦聚焦（Focus）电子束校正电子束校正（Axis Alignment）消相散消相散（Stigmation）四、电镜基本操作四、电镜基本操作聚焦和消像散示意图聚焦和消像散示意图

9、After correctionBefore correction聚焦和消像散过程聚焦和消像散过程对于对于S-4800我们经常改变的参数有：我们经常改变的参数有：a.加速电压；加速电压；b.工作距离；工作距离；c.上下探头的选择；上下探头的选择；d.发射电流发射电流Ie 参数选择对图片的影响参数选择对图片的影响照射电子在样品内部的散乱照射电子在样品内部的散乱高、低加速电压图像对比高、低加速电压图像对比加速电压：加速电压：1KV加速电压：加速电压：20KV样品：16MDRAM CapacitorMix:上、下探头的混合像上、下探头的混合像Upper:上探头图像上探头图像Lower:下探头图像下探

10、头图像上探头（上探头（Upper DetectorUpper Detector）和下探头（）和下探头（Lower Lower DetectorDetector）的信号选择）的信号选择上、下探头的图像对比上、下探头的图像对比下探头：立体感好下探头：立体感好上探头：表面形貌上探头：表面形貌样品：16MDRAM Capacitor荷电现象荷电现象荷电效应：荷电效应：通常对不导电材料而言。这类样品如果未经导电处理，而且与地未行成通路，电子束在表面连续扫描时，由于电子束不断地注入，表面很快积累大量负电荷，当表面负电场足够强时，会排斥入射电子，并偏转二次电子，图像亮度不稳定，图像发生畸变或不规则移动。为什

11、么会发生荷电现象？为什么会发生荷电现象？二次电子流二次电子流背散射电子流背散射电子流吸收电流吸收电流为什么会发生荷电现象？为什么会发生荷电现象？二次电子流二次电子流背散射电子流背散射电子流吸收电流吸收电流避免出现荷电效应的方法避免出现荷电效应的方法离子溅射仪离子溅射仪铂靶铂靶 样品溅射样品溅射Au后的形貌图后的形貌图 样品溅射样品溅射Pt后的形貌图后的形貌图 溅射溅射Pt时间长短对形貌的影响时间长短对形貌的影响120s30s请记住自己样品的请记住自己样品的PtPt溅射时间，在下一次样品测试时提示我！溅射时间，在下一次样品测试时提示我！II、能谱仪电子束与样品的交互作用X射线：因原子激发与跃迁而

12、从样品的原子内部发射出来的具有一定能量的X射线，发射深度0.55m范围。每个元素都有特征X-射线,其能量值由电子跃迁决定从X-射线能谱峰位置确定元素,从峰面积确定元素成分.入射电子束样品背散射电子俄歇电子阴极荧光特征X射线样品电流热量透射电子弹性散射电子二次电子原理原理 一一.基本原理基本原理原理原理能谱仪分析流程能谱仪分析流程1、X射线进入探测器晶体，产生电子-空穴对，电子-空穴对的数目与X射线的能量成正比。附在晶体表面的电极收集电子空穴对，产生电荷脉冲。2、电荷脉冲进入前置放大器，转化成电压脉冲，再放大。3、再进入主放大器，将电压脉冲进一步放大至1-10V。输出的电压脉冲幅度值仍然与X射线

13、能量成正比。4、再进入脉冲处理器，经噪音过滤、堆积排除和进一步放大并通过模数转换转换成脉冲计数，进行统计。原理原理能谱仪作用过程能谱仪作用过程LN2 level Sensor液氮传感器 Dewar杜瓦瓶 Pre-amplifier 前置放大器Window窗体 Crystal/FET package晶体/场效应管 Electron trap and collimator 电子捕集阱和准直器Slide arrangement滑动杆 Cold finger冷指 硬件硬件 二二.能谱仪部件能谱仪部件 晶体晶体(Crystal)-检测器晶体材料-锂漂移硅锂漂移硅 Si(Li)-被冷却至-180oC，以降

14、低热噪声 -晶体两侧施加偏压，一般为500-1000V -X射线进入晶体，使Si原子电离，产生空穴电子对，晶体两侧的高压使电子和空穴定向移动，最终将其能量转化为电荷脉冲。电荷脉冲大小正比于入射x射线能量硬件硬件窗体窗体-Windows用途：保持检测器内部的真空，可以承受一个大气压三、基本概念三、基本概念u死时间死时间 Dead Time 通常探测器接受大量的X射线光子，但系统处理器在某一时间区段内只能处理一个先期到达的计数脉冲，通道处于关闭状态，拒绝下一个到达的计数脉冲进入，并将其排斥掉，这个占用时间称为死时间。即脉冲处理器无法处理X射线光子的时间总和，以百分比表示。死时间在死时间在70%以下

15、时，可以进行分析。以下时，可以进行分析。u活时间活时间 Live Time 用户设定的总的采集谱图时间，即系统等待接受和处理信号的时间区段。实际测试时间为活时间实际测试时间为活时间+死时间死时间u处理时间处理时间Process Time 系统的脉冲处理时间也称为时间常数，通常在1 us10 us之间。短的处理时间，分辨率差、计数率高，死时间小。长的处理时间，分辨率高、计数率低，死时间大。u输入计数率输入计数率Input Rate 每秒从检测器进入脉冲处理器的X射线光子数，用CPS表示。u采集计数率采集计数率(也叫输出计数率也叫输出计数率)Acquisition Rate 每秒钟脉冲处理器处理的

16、X射线光子的数量与束流，与样品类型和处理时间有关。选择采集条件的原则选择采集条件的原则:1.入射电子的能量必须大于被测元素线系的临界激发能;2.试样中产生的特征X射线要有较高的强度，并有较高的信噪比;3.能检测到低含量元素（接近检测极限）;4.在不损伤试样的前提下，分析区域应尽量小。各分析条件不是独立的，必须根据被分析试样各分析条件不是独立的，必须根据被分析试样情况综合考虑情况综合考虑主要采集条件，主要影响因素有：主要采集条件，主要影响因素有：1.加速电压（电镜）2.束流（电镜）3.样品因素四、测试条件选择四、测试条件选择u 低加速电压可以增加轻元素的X射线强度，提高空间分辨率，减少对试样的损

17、伤;u 对于金属元素及微量元素的分析，选用高加速电压。(1)加速电压加速电压X 射线穿透深度射线穿透深度Si 加速电压5kV,0.5M;Si 加速电压10kV,1 M;Si 加速电压20kV,3.5 M(2)束流束流束流和束流和X射线强度及检测极限的关系射线强度及检测极限的关系1、一般情况下，束流增大，相应的X射线强度提高;2、检测元素接近检测极限时，必须选用大的束流来增加计数强度。(3)样品因素样品因素因为X射线是以一定的角度从样品表面射出，如果样品表面凹凸不平，就可以使出射X射线受到不规则的吸收，降低X射线的测量强度。入射电子束附加吸收距离出射x射线台阶能谱测试样品制备要求能谱测试样品制备

18、要求1、样品必须经干燥处理，冷冻干燥、真空干燥或者在烘箱中60 oC加热两小时以上。潮湿样品和含有易挥发物质的样品绝对不能放入样品仓；2、粉末样品粉末样品可直接粘到碳导电胶上，必须粘牢。样品颗粒大，可粘到导电胶上直接进行测试；样品颗粒较小，最好使用压片机压片后再测试；3、块状样品可直接测试，测试面尽量平整。样品不能太大，长宽最好控制在5毫米以下，高度最高不能超过8毫米。元素重量原子 百分比百分比C K 60.50 69.12 O K 32.11 27.54 Mg K 0.11 0.06 Al K 1.51 0.77 Si K 3.22 1.57 S K 1.09 0.47 Cl K 0.18

19、0.07 K K 0.66 0.23 Ca K 0.18 0.06 Fe K 0.44 0.11 总量100.00 普通能谱测试结果：普通能谱测试结果：样品成分分析样品成分分析Mapping：元素分布元素分布扫描电镜：扫描电镜：详写：Hitachi S-4800 Field Emission Scanning Electron Microscope简写：Hitachi S-4800 FE-SEM中文名称：Hitachi S-4800型场发射扫描电镜能谱仪能谱仪：英文名称：EX-350 Energy Dispersive X-ray Microanalyzer,HORIBA EMAX Energy中文名称：HORIBA EX-350 型能量分散型X射线分析装置离子溅射仪离子溅射仪：英文名称：Hitachi E-1045 Ion Sputter中文名称：Hitachi E-1045型离子溅射仪 仪器名称和型号仪器名称和型号谢谢大家！