Hitachi-SU6600FESEM设备简介教程文件.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Hitachi-SU6600FESEM设备简介-SU6600设备简介设备名称HITACHISU6600SchottkyEmissionVPFE-SEM日立可变真空度热场发射扫描电镜设备简介SU6600是日立公司为分析应用推出的新型热场扫描电镜，可以提供200nA的探针电流，并且配置了VP（VariablePressure）功能，可向样品室充入气体，可以满足不导电样品的无蒸镀观测：在低真空（10300Pa）下可能获得优于3.5nm的高分辨背散射电子像。该设备适用于微纳米材料精细形貌观察，可得到高质量高分辨二次电子图像。配备的EDAX公司的X射线能谱仪可对样品做定性及定量分析。该设备适用于材料、物理、化学、生物、医学等领域的微观表征和分析。设备参数电子枪类型：热场发射探针电流：1pA200nA加速电压：0.530KVSE图像分辨率：1.2nm（Vacc：30kV）BSE图像分辨率：3.5nm（Vacc：30kV，10Pa）放大倍率：10600,000EDS探测器：EDAX加速电压：0.530kV环扫真空度：10300Pa主要附件介绍附件一：EDAXApollo硅漂移电制冷能谱EDS探头硬件参数：探头晶体工作区面积：10mm2分辨率：>125eV峰背比：>9000:1检测元素范围：Be4Am95扫描电子显微镜（SEM）概论扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到1956年开始生产商品扫描电镜。近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。一、场发射扫描电子显微镜基本原理被加速的高能电子束照射到样品上(在高真空状态下)，入射电子束与样品相互作用，产生各种信号，通过不同的探测器检测各种不同的信号，便可以得到有关样品的各种信息。例如，最常见的二次电子信息，就能直接得到样品表面的图像信息。场发射扫描电子显微镜(与普通扫描电镜不同的是采用高亮度场发射电子枪，从而获得高分辨率的高质量二次电子图象)可以观察和检测非均相有机材料、无机材料及微米、纳米材料样品的表面特征，是材料表面形貌观察有效仪器。广泛用于金属材料、高分子材料、化工原料、地质矿物、商品检测、产品生产质量控制、宝石鉴定、生物学、医学、考古和文物鉴定及公安刑侦物分析等。1.光学显微镜与扫描电子显微镜光学显微镜是用可见光照射在样品表面，反射光通过一系列玻璃透镜放大后而呈现出样品的放大图象，由于波长和光干涉限制，极限只能观察到小至200nm左右的颗粒。与光学显微镜不同，场发射扫描电子显微镜(电子束波长极短)是用电子束在样品表面扫描，电子束轰击样品表面，释放出二次电子和反射电子等，通过二次电子探测器检测二次电子信号，按相同扫描规律，在显示器上成像。由于二次电子信号与样品的原子系数大小和入射角有关，而入射角因样品表面粗糙度(形貌)而变化，故可直接获得高质量的样品表面形貌图象。而扫描图象景深大，得到的二次电子图象有“三维空间效果”(立体感相当好)。目前，高分辨率场发射扫描电子显微镜能观察到小至1nm(对普通样品一般只能观察几纳米以上的样品)左右的颗粒。和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特点：(一)能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。(二)样品制备过程简单，不用切成薄片。(三)样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。(四)景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。(五)图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达1nm。(六)电子束对样品的损伤与污染程度较小。(七)在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。2.电子束与样品的相互作用入射电子照射到样品上，其中一部分几乎不损失其能量地在样品表面被弹性散射回来，把这一部分电子称为背散射电子(BSE)；如果样品非常薄，则入射电子的一部分会穿过样品，将这一部分电子称为透射电子(TE)；其余电子的全部能量都在样品内消耗掉而为样品所吸收，即为吸收电子(AE)；此外，入射电子会将样品表面(大约10nm)层的电子打出样品表面，发射出能量极小(<50eV)的二次电子(SE)，其中也包括由于俄歇(Auger)效应而产生的具有特征能量的俄歇电子。在产生这些电子的同时，还会产生连续x射线和特征x射线，以及阴极荧光等。扫描电镜配以不同的检测器，就可以得到样品的不同信息。3.二次电子像扫描电镜最常用是利用二次电子(SE)信号成像。由于样品表面的高低、凸凹不平，电子束照射到样品上，入射角随样品表面粗糙度(形貌)不同而变化，因此造成激发的二次电子数也不同，即样品的高低、形状等样品表面形貌产生不同强度的二次电子信息。电子束在样品上逐点扫描，产生不同数量(构成图象反差)的二次电子信号，依次用相同规律在显示器上扫描显示出亮暗(二次电子多的点越亮)点，也就是相应的图象“象素”。再由这些象素点组成一幅完整的二次电子图象。二、场发射扫描电子显微镜基本构造场发射扫描电子显微镜大致包括以下几个部分：l 电子源：也称电子枪，产生连续不断的稳定的电子流。电子枪目前主要有：热发射和场发射。电子枪一般由由阴极(灯丝)、栅极(通常也称为威耐耳特(Wennelt圆帽)和阳极组成。热发射电子枪是利用高温使电子克服灯丝材料的功函数发射出来，工作温度在2800K左右（LaB6是1900K）。其阴极采用能加热的钨灯丝或六硼化镧灯丝，栅极围在阴极周围。被加热的灯丝释放出电子，并施加高压，形成加速电场，从而使电子得到能量高速飞向(在高真空镜筒中)样品。而场发射电子枪与热发射电子枪有所不同，它是利用外加电场使电子克服灯丝材料的功函数发射出来，工作温度在300K，接近室温。电子直接依靠“隧道”穿过势垒离开阴极，由加速电压加速产生高速电子流飞向样品。一般来说，扫描电镜加速电压通常为130kV。l 电子透镜：将从钨丝发射出来的电子会聚成直径最小为1-5nm电子束。l 扫描系统：使电子束作光栅扫描运动。l 消象散装置：当电子光学系统中所形成的磁场或静电场不能满足轴对称的要求时，便会产生象散。干扰电子束的正常聚焦。消象散装置的作用就是产生一个弱的校正磁场，以抵消原透镜磁场的非轴对称性。l 检测器：获得样品表面形貌图象信号。l 真空系统：在任何电镜中都必须避免或减少电子与气体分子的碰撞。这就意味着真空度须在10-4-10-6Torr(1Torr1mmHg)之间。场致发射电子枪，在电子枪中必须维持超高真空10-10Torr以上。l 操作台：操作控制扫描电子显微镜各个部件。三、样品的制备场发射扫描电子显微镜样品必须是具有一定化学、物理稳定性的干燥固体、块状、片状、纤维状及粉末。在真空中及电子束轰击下不会挥发或变形，无磁性、放射性和腐蚀性。粉末样品需要1g左右，如样品很少时几毫克也够用。下面介绍一般纳米粉末样品的制备。l 超声波分散：纳米粉末样品首先用超声波分散，分散液用双蒸水、乙醇等。l 放置样品：分散后的悬浊液用滴管滴到样品台上的载玻片上，注意载玻片要小于样品台，样品不要滴到载玻片以外。l 镀膜：为防止了样品充电以及提供二次电子发射率，需在样品表面喷涂一层很薄的重金属（Au、Pt）膜。能谱仪简介能谱仪(EDS,EnergyDispersiveSpectrometer)是用来对材料微区成分元素种类与含量分析，配合扫描电子显微镜与透射电子显微镜的使用。各种元素具有自己的X射线特征波长，特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量E，能谱仪就是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的。EDS主要用途：1、高分子、陶瓷、混凝土、生物、矿物、纤维等无机或有机固体材料分析；2、金属材料的相分析、成分分析和夹杂物形态成分的鉴定；3、可对固体材料的表面涂层、镀层进行分析，如：金属化膜表面镀层的检测；4、金银饰品、宝石首饰的鉴别，考古和文物鉴定，以及刑侦鉴定等领域；5、进行材料表面微区成分的定性和定量分析，在材料表面做元素的面、线、点分布分析。EDS的一些讨论无论扫描电镜还是透射电镜，现在购置的时候能谱几乎成了标配，因为价格相对电镜来说只有五分之一甚至六分之一，而且分析速度快，可以在线分析微区内样品组分，给出半定量或者定量结果，如果透射电镜有扫描附件，也和扫描电镜一样能给出漂亮的元素分布map，这对于实验结果来说，是一个很有益而且很直观的支持。但由于能谱毕竟是从1951年法国牛人R.Castaing开始提出原理，1957年才用了相关原理制造了EMMA（ElectronMicroscopicMicroanalyzer）上市，而开始使用EDS更晚，到了1968年才有开始使用锂漂移硅探头的EDS系统附加在电镜上，至今也不过40年时间。所以有不少仪器分析的课本里面较少涉及相关内容，这也就给初次接触这种分析测试设备的人带来了不少疑问。相关基础知识可以通过看相关书籍，比如电子显微分析第八章。这里就一些常见的小问题说一下看法：1.能谱的缩写是EDS还是EDX？开始的时候能谱的缩写有很多，比如EDS，EDX，EDAX等，大家对此也都心照不宣，知道ED就是EnergyDispersive，后面因为X-rayAnalysis和Spectrum这几个词的不同用法，导致了缩写的不同。而且相应的汉译也有很多，比如能量色散谱，能量散射谱等等。大概是2004年左右，相关协会规定，EDS就是能谱或者能谱仪，EDX呢，就是能谱学，Dispersive就不去翻译。这样EDS就应该是文章里的正规用法，而现在有很多文章仍然使用其他说法，有约定俗成的味道，大家知道怎么回事就行了。2.因为很多人知道TEM的分辨率高，所以认为TEM所配能谱的分辨率高于SEM。这可以说是一个非常错误的论断。同样厂家的能谱，同一时期的产品，用于TEM的分辨率通常要低于SEM几个eV，诚然，TEM可能会观察到更小的细节，但这只是能谱分析范围的精准，并不代表能谱的分辨率高。SEM的样品比较容易制备，而且跟厚度关系不大，一般电子束深入样品的高度为几个微米，定量时可以放相应样品的标样（比如纯Si就用纯Si标样，MgO就用MgO标样，有很多国家级标样供选择）来做校正。比较重的元素诸如很多金属和稀土元素的分析结果可以认为是定量的。上海硅酸盐研究所的李香庭教授对SEM和电子探针的EDS分析结果做过比较系统的讲述，摘抄如下：EDS分析的最低含量是0.x%（注：这个x是因元素不同而有所变化的。）“电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则”国家标准，规定了EDS的定量分析的允许误差（不包括含超轻元素的试样）。对平坦的无水、致密、稳定和导电良好的试样，定量分析总量误差小于±3。另外，EDS分析的相对误差也有相应的规定：a)主元素(>20%wt)允许的相对误差£±5。b)±3%wt£含量£20%wt的元素，允许的相对误差£10。c)±1%wt£含量£3%wt的元素，允许的相对误差£30。d)±0.5%wt£含量£1%wt的元素，允许的相对误差£50。对于不平坦试样，可用三点分析结果的的平均值表示，或在总量误差小于等于±5的情况下，如确认没有漏测元素时，允许使用归一化值作为定量分析结果。偏差大于±5，只能作为半定量结果处理。但很多时候并没有相应标样，也就用数据库里的标样数据直接用来定量，称为无标样定量。“虽然无标样定量分析方法现在无国家标准，但在不平试样、粉体试样及要求不高的一般分析研究中，应用还比较广泛,现在正在考虑制定“EDS无标样定量分析方法”国家标准。”TEM的样品多数是薄样品，这对于分析来说似乎是件好事，因为可以减少干扰，但定量的时候需要考虑样品厚度，反而又是个难题，因为很难准确得出微区上的样品厚度，这就给定量带来了很大难题，而且就是有标样，也因为无法做出相应厚度的样品去对应比较。这样，大家应该就能理解，对于很多样品，TEM的EDS分析就是半定量的，对于轻元素，甚至只能定性，大家能做到的，就是选取适当合理的分析工具，尽量找到干扰小的区域，取多点分析平均(最好随机取20点以上），以尽量减少误差。3.EDS的分析结果里面会有原子比（atomic%）和元素比（也就是质量比，weight%）的数据，这里要提醒大家注意一点，因为EDS分析并没有那么精确，所以尽管分析报告的结果会有两位小数，但只取一位小数就够了。4.EDS的谱峰有很多峰位对应于一个元素，是不是说明这个元素含量很高？看了EDS的原理这个问题就会明白，EDS是一个电子壳层的电子被外来粒子或者能量激发，留下一个空位，然后外层电子跃迁至这个空位，同时就会放出特征X射线，这样不同壳层之间的电子转移导致的能量差就会有不同的谱线，EDS谱线就是把这些特征X射线脉冲的累积分开得到的。这样就能理解谱线越多，说明外面的电子占有壳层越多。而定量分析时是根据不同元素来选择不同线系的谱峰强度以及这个元素的响应值来做计算的，所以谱峰多跟元素含量没有关系。对于谱线的命名，如果大家有兴趣，可以从这个网址下一份资料，里面提到IUPAC和最早Siegbahn对谱线命名的区别，和一些详细说明。http:/old.iupac.org/reports/V/spectro/partVIII.pdf5.EDS的谱峰里面看不到前面的谱峰（比如<8keV），是不是说明所选微区里前面的轻元素压根没有或者很少？这个就要注意是否选取的样品位置周围有大颗粒或者其他厚介质的存在，吸收了本来产率就低的轻元素X射线，对谱峰结果产生了严重干扰。当有这种现象时，可以选择其他区域的样品比较一下一些过渡元素的K线系和L线系，或者原地倾转样品，调整样品位置，看是否有明显的变化，以此判断原分析结果的可靠性。6.谱峰里面总是出现一些样品里不可能有的元素，怎么回事？a)C和O，一般空气中都有油脂等有机物的存在，很容易吸附到样品表面造成污染，无论TEM还是SEM，都有可能看到C和O的峰。尤其TEM，一般使用C膜支撑，有C再正常不过了。b)Al或者Si：SEM因为使用Al样品台或者玻璃基底，所以在样品比较薄的区域扫谱，会有基底的信号出来。c)Cu和Cr：这个是TEM里特有的，Cu是使用载网的材质Cu导致的，而Cr一般认为是样品杆或者样品室材质里的微量元素导致的。d)B：有些时候分辨率忽然极高，看到了清晰的B峰，这要注意，因为样品在扫谱过程中大范围移动就容易出现这个峰，还有如果样品处于加热状态，也会有B的峰出现。e)一些很难见到的稀土元素或者La系Ac系元素，这很可能是因为噪音的峰较强，仪器的分析认为有微量相应能量区的元素存在，用软件去除即可。-