掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理.doc

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1、掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)和工作原理掃描電子顯微鏡利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描，與樣品相互作用產(chǎn)行各種物理信號，這些信號經(jīng)檢測器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。掃描電鏡具有景深大、圖像立體感強(qiáng)、放大倍數(shù)范圍大、連續(xù)可調(diào)、分辨率高、樣品室空間大且樣品制備簡單等特點(diǎn)，是進(jìn)行樣品表面研究的有效分析工具。掃描電鏡所需的加速電壓比透射電鏡要低得多，一般約在1～30kV，實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)被分析樣品的性質(zhì)適當(dāng)?shù)剡x擇，最常用的加速電壓約在20kV左右。掃描電鏡的圖像放大倍數(shù)在一定范

2、圍內(nèi)(幾十倍到幾十萬倍)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，放大倍數(shù)等于熒光屏上顯示的圖像橫向長度與電子束在樣品上橫向掃描的實(shí)際長度之比。掃描電鏡的電子光學(xué)系統(tǒng)與透射電鏡有所不同，其作用僅僅是為了提供掃描電子束，作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號的激發(fā)源。掃描電鏡最常使用的是二次電子信號和背散射電子信號，前者用于顯示表面形貌襯度，后者用于顯示原子序數(shù)襯度。掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)可分為電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源及控制系統(tǒng)六大部分。這一部分的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容可參照教材第十二章，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有

3、的掃描電鏡進(jìn)行，在此不作詳細(xì)介紹。三、掃描電鏡圖像襯度觀察1．樣品制備掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)之一是樣品制備簡單，對于新鮮的金屬斷口樣品不需要做任何處理，可以直接進(jìn)行觀察。但在有些情況下需對樣品進(jìn)行必要的處理。1)樣品表面附著有灰塵和油污，可用有機(jī)溶劑(乙醇或丙酮)在超聲波清洗器中清洗。2)樣品表面銹蝕或嚴(yán)重氧化，采用化學(xué)清洗或電解的方法處理。清洗時(shí)可能會失去一些表面形貌特征的細(xì)節(jié)，操作過程中應(yīng)該注意。3)對于不導(dǎo)電的樣品，觀察前需在表面噴鍍一層導(dǎo)電金屬或碳，鍍膜厚度控制在5-10nm為宜。2．表面形貌襯度觀察

4、二次電子信號來自于樣品表面層5～l0nm，信號的強(qiáng)度對樣品微區(qū)表面相對于入射束的取向非常敏感，隨著樣品表面相對于入射束的傾角增大，二次電子的產(chǎn)額增多。因此，二次電子像適合于顯示表面形貌襯度。二次電子像的分辨率較高，一般約在3～6nm。其分辨率的高低主要取決于束斑直徑，而實(shí)際上真正達(dá)到的分辨率與樣品本身的性質(zhì)、制備方法，以及電鏡的操作條件如高匝、掃描速度、光強(qiáng)度、工作距離、樣品的傾斜角等因素有關(guān)，在最理想的狀態(tài)下，目前可達(dá)的最佳分辯率為lnm。掃描電鏡圖像表面形貌襯度幾乎可以用于顯示任何樣品表面的超微信

5、息，其應(yīng)用已滲透到許多科學(xué)研究領(lǐng)域，在失效分析、刑事案件偵破、病理診斷等技術(shù)部門也得到廣泛應(yīng)用。在材料科學(xué)研究領(lǐng)域，表面形貌襯度在斷口分析等方面顯示有突出的優(yōu)越性。下面就以斷口分析等方面的研究為例說明表面形貌襯度的應(yīng)用。利用試樣或構(gòu)件斷口的二次電子像所顯示的表面形貌特征，可以獲得有關(guān)裂紋的起源、裂紋擴(kuò)展的途徑以及斷裂方式等信息，根據(jù)斷口的微觀形貌特征可以分析裂紋萌生的原因、裂紋的擴(kuò)展途徑以及斷裂機(jī)制。圖實(shí)5-1是比較常見的金屬斷口形貌二次電子像。較典型的解理斷口形貌如圖實(shí)5-1a所示，在解理斷口上存在

6、有許多臺階。在解理裂紋擴(kuò)展過程中，臺階相互匯合形成河流花樣，這是解理斷裂的重要特征。準(zhǔn)解理斷口的形貌特征見圖實(shí)5—1b，準(zhǔn)解理斷口與解理斷口有所不同，其斷口中有許多彎曲的撕裂棱，河流花樣由點(diǎn)狀裂紋源向四周放射。沿晶斷口特征是晶粒表面形貌組成的冰糖狀花樣，見圖實(shí)5—1c。圖5—1d顯示的是韌窩斷口的形貌，在斷口上分布著許多微坑，在一些微坑的底部可以觀察到夾雜物或第二相粒子。由圖實(shí)7—1e可以看出，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口存在一系列大致相互平行、略有彎曲的條紋，稱為疲勞條紋，這是疲勞斷口在擴(kuò)展區(qū)的主要形貌特征。

7、圖實(shí)5—1示出的具有不同形貌特征的斷口，若按裂紋擴(kuò)展途徑分類，其中解理、準(zhǔn)解理和韌窩型屬于穿晶斷裂，顯然沿晶斷口的裂紋擴(kuò)展是沿晶粒表面進(jìn)行的。圖實(shí)5—2是顯示灰鑄鐵顯微組織的二次電子像，基體為珠光體加少量鐵素體，在基體上分布著較粗大的片狀石墨。與光學(xué)顯微鏡相比，利用掃描電鏡表面形貌襯度顯示材料的微觀組織，具有分辨率高和放大倍數(shù)大的優(yōu)點(diǎn)，適合于觀察光學(xué)顯微鏡無法分辨的顯微組織。為了提高表面形貌襯度，在腐蝕試樣時(shí)，腐蝕程度要比光學(xué)顯微鏡使用的金相試樣適當(dāng)?shù)厣钜恍?。表面形貌襯度還可用于顯示表面外延生長層(如

8、氧化膜、鍍膜、磷化膜等)的結(jié)晶形態(tài)。這類樣品一般不需進(jìn)行任何處理，可直接觀察。圖實(shí)5-3是低碳鋼板表面磷化膜的二次電子像，它清晰地顯示了磷化膜的結(jié)晶形態(tài)。3．原子序數(shù)襯度觀察原子序數(shù)襯度是利用對樣品表層微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分變化敏感的物理信號，如背散射電子、吸收電子等作為調(diào)制信號而形成的一種能反映微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，背散射電子信號的強(qiáng)度隨原子序數(shù)增大而增大。在樣品表層平均原子序數(shù)較大的區(qū)域，產(chǎn)生的背散射信號強(qiáng)度較高