扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析

扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析

摘 要：电子显微镜是利用电子与物质作用所产生之讯号来鉴定微区域晶体结构，微细组织，化学成份，化学键结和电子分布情况的电子光学装置。而常用的就是扫描电子显微镜以及透射电子显微镜。而通过电子显微分析具有高分辨率等特点，故广泛的应用于化学、生物、医学、冶金、材料等领域等重要各个研究领域和工业部门。

关键词：扫描电子显微镜；透射电子显微镜；实例分析

• 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜不是通过电磁透镜放大成像的原理，而是以类似于电视摄像纤维方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号而来调制成像。

当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。 由于电子枪的效率的不断提高，使扫描电子显微的样品室附近的空间增大，可以装入更多的探测器。因此，目前扫描电子显微镜不只是分析形貌像，它可以和其他分析仪器组合，使人们能在同一台仪器进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。

• 电子显微镜原理和主要结构

扫描电子显微镜主要是通过背散射以及二次电子等物理信号成像，它工作是这样的：从电子枪灯丝中发出约为25~30μm的电子束，在受到了阳极的高压加速后，射向镜筒，经过光镜与物镜的聚焦之后，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。由于控制镜筒入射电子束的扫描线圈的电路同时在控制显像管的电子束成像，用这样方式一点一线组成了像。

扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图像显示和记录系统，真空系统三个基本部分组成。扫描电子显微镜构造原理的方框图见图1-1。

1.1.1电子光学系统(镜筒)

电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。

图1-1 扫描电子显微镜构造原

理的方框图

1.电子枪

扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子显微镜低。

2．电磁透镜 扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是作聚光镜用，它们的功能只是把电子枪的束斑(虚光源)逐级聚焦缩小，使原来直径约为 50m m 的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点。

3．扫描线圈 扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步。

4.样品室 样品台本身是一个复杂而精密的组件，它能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。

新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验(如拉伸和疲劳)。样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。

1.1.2信号的收集和图像显示系统

二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。

由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样生物各点状态的扫描电子显微图像。

1.1.3真空系统

为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作，对镜筒内的真空度有一定的要求。如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。

1.2扫描电镜样品的制备

对试样的要求试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳定。

1. 含有水分的样品（多孔/镶样样品）应先烘干除去水分。

2. 表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。

3. 新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口或 表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘干。

4. 对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。

5. 试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，不能过大，样品座尺寸各仪器不均相同，一般小的样品座为 Φ 3 ～ 5mm ，大的样品座为 Φ 30 ～ 50mm ，以分 别用来放置不同大小的试样，样品的高度也有一定的限制，一般在 5 ～10mm 左右。

6. 在对样品截面/侧面的观察时使用特殊的样品台，可以利用样品台的厚度，粘结在边上。注意粘结的时候尽量降低样品的高度，否则不对喷金和观察。

7. 在制备块状试样时， 带污染的试样可在不影响样品的条件下进行超声波清洗，并烘干或吹干。

对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需要进

行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性较差的材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜。以避免电荷积累，影响图象质量；并可防止试样的热损伤。注意粘结的时候一定要牢，松动就会造成观察时的晃动，图像模糊。

1.3 扫描电镜应用以及实例分析

采用SEM扫描电镜对结构陶瓷材料进行材料的微观组织形貌分析，可以对陶瓷材料的组织形貌对力学性能的影响进行分析。并可以通过合适的工艺控制以得到理想的微观组织，以达到较高的力学性能。

对于硼化锆超高温陶瓷的组织形貌如下图所示。

图1-2硼化锆陶瓷的SEM照片

可以从两张不同组分的结构陶瓷的微观结构可以看出其断口形貌具有显著的差别，在（b）中陶瓷的组织结构主要以等轴晶为主，而经过一定的成分和工艺优化之后，陶瓷材料的微观组织形貌逐渐向板状晶粒以及棒状晶粒过渡，从（c）中陶瓷的SEM照片中可以看出，陶瓷材料不再仅仅是单纯的等轴晶，而是由棒状晶和等轴晶组成，根据陶瓷材料中的晶粒的拔出，桥联以及裂纹偏转机制。可以解释经过成分和工艺优化的试样（c）的强韧性大于（b）的试样。

图1-3硼化锆陶瓷的BSE照片

从BSE照片中可以明显的看出陶瓷材料的相组成，由于陶瓷当中的组成两相的原子的序数的大小不同，可以根据电子扫描照片所产生的背散射电子的强度大小分析，材料当中的相的变化过程。从图1-3陶瓷材料当中的背散射照片中可以看出，材料主要由三相组成，由深色的硼化锆相、稍微浅色的碳化锆，以及更浅色的金属相组成，并且其组织呈现出等轴晶粒，而通过一定的温度调整，可以看出材料中浅色的金属相逐渐的减少，而深色的硼化锆逐渐增加，说明可以通过背散射照片的观察材料当中的相组成，以及探究在原位合成过程中，材料的组组织以及相演变过程。

还可以通过背散射照片观察陶瓷材料的微裂纹扩展路径，分析陶瓷材料的断裂机制，判断裂纹断裂是通过晶间或晶内扩展，从而通过调整晶粒界面关系，实现陶瓷材料的增韧过程。图1-4即为陶瓷材料的硬度压痕的微裂纹扩展过程，从图中可以看出，该陶瓷的断裂方式主要以晶间断裂为主，并且其中较多的棒状晶粒可以通过晶粒桥联以及晶粒拔出的机制，提高材料的韧性。

图1-4 硼化锆陶瓷的微裂纹扩展的BSE图像

• 透射电子显微镜

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2nm的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。

2.1透射电子显微镜的结构组成 透射电子显微镜包含有若干元件，其中有一个用于传输电子束的真空系统，用于产生电子束的电子发射源，一系列的电磁透镜，以及静电盘。后两个器件允许操作者按照要求对电子束进行操作。此外，还需要一个设备将样品移入或移出电子束通路，以及在通路中移动。成像设备随后使用射出前述系统的电子束成像。

2.1.1电子枪 电子枪由若干基本元件组成：灯丝，偏置电路，韦乃特阴极，还有阳极。通过将灯丝和负电压电源相连，电子可以通过电子枪泵往阳极，并射入TEM的真空腔，从而完成整个回路。电子枪用于使电子以一定的发散角度射出设备，这个角度被称为电子枪发散角，α。通过放置充有比灯丝更多负电荷的韦乃特阴极，呈发散状射出灯丝的电子会在适当的操作下被转变为会聚的形式，其最小大小为电子枪的截面直径。

关系如下，其中 A 是常数，Φ 是功函数，而

T是材料的温度：

这个等式表明，为了达到足够的电流强度，需要将灯丝小心加热，而多余择其他功函数较低的材料，如六硼化镧作为灯丝的材料。此外，六硼化镧和钨

热电子源必须加热以使电子可以发射出来，通常可以使用一个小电阻片来达到的损伤。对六硼化镧材料，这个延迟通常长达数秒钟，而对于钨，这个延迟相对来说非常短。 2.2.2 电磁透镜 电子透镜对电子束的作用类似于光学透镜对光线的作用，它可以将平行的电子束聚集在固定的焦点。透镜可以使用静电效应，也可以使用磁效应。TEM中使用的电子透镜大多数都使用了电磁线圈以产生凸透镜的作用。这些透镜产生的场必须是径向对称的，否则，磁场透镜将会产生散光等失真现象，同时会使球面像差与色差恶化。电子透镜使用铁、铁钴合金或者镍钴合金、坡莫合金

制成。选择这些材料是由于它们拥有适当的磁特性，如磁饱和、磁滞、磁导等等。 电磁透镜的主要元件包括外壳、磁线圈、磁极、极靴以及外部控制电路组成。极靴必须制造得非常对称，这样可以提供形成透镜磁场的合适的边界条件。

建像的失真。透镜的空隙的大小、极靴的内径以及尖端的尺度，还有透镜的整体设计经常通过磁场有限元分析来完成，同时还需要考虑到设计的散热和电气限制。 产生透镜磁场的线圈位于透镜的外壳之内。这些线圈中的电流可以变化，然而经常使用很高的电压，因此需要很强的绝缘能力，以防止透镜元件之间发生短路。散热元件需要将由线圈电阻造成的发热散出。线圈可能还需要使用水冷，亦即使用流动的冷水将热量带走。

2.2.3样品台

TEM样品台的设计包括气闸以允许将样品夹具插入真空中而尽量不影响显微镜其它区域的气压。样品夹具适合夹持标准大小的网格，而样品则放置在网格之上，或者直接夹持能够自我支撑的样品。标准的TEM网格是一个直径3.05mm的环形，其厚度和网格大小只有几微米到100微米。样品放置在内部的网格区域，其直径约2.5mm。通常的网格材料使用铜、钼、金或者铂制成。这个网格放置在与样品台配套的样品夹具上。大多数的样品台和夹具的设计依赖于需要进行的实验。除了3.05mm直径的网格，2.3mm直径的网格偶尔也在实际中使用。这些网格在材料科学领域中得到广泛应用，这是因为经常需要将样品倾斜很大的角度，而样品材料经常非常稀少。对电子透明的样品的厚度约100纳米，但是这个厚度与加速电子的电压相关。

一旦插入TEM，经常需要对样品进行操作以使电子束照射在感兴趣的部

样品台需要能够使样品在XY平面平移，在Z方向调节高度，而且通常至少可以在某一方向上对样品进行旋转。因此TEM的样品台必须对样品提供四个运动的自由度。更现代的TEM可以为样品提供了两个方向正交的旋转自由度，这种夹具设计称为双倾斜样品夹具。某些顶端进入或者称为垂直插入的样品台设计在高分辨率TEM研究中曾经很普遍，这种样品台仅有XY平面的平移能力。TEM样品台的设计准则非常复杂，需要同时考虑到机械和电子光学的限制，因此有许多非常独特的设计。

通常要求样品台的漂移速度仅有每分钟几纳米，而移动速度每分钟几微米，精度要求达到纳米的量级。早期的TEM设计通过一系列复杂的机械设备来达到这

个目标，允许操作者通过若干旋转杆来精确的控制样品台的移动。现代的TEM

TEM的样品台主要有两个设计，侧入式和顶入式。每种设计都需要配合相应的夹具以允许样品插入电子束通路的时候不会损害TEM的光学性质或者让气体进入TEM的真空区域。

2.2透射电子显微镜的成像原理

透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速地穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。这种具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映样品微区的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别的多种信息。透过样品的电子束强度，其取决于这些信息，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。

图2.1 透射显微镜光路图

为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小，即采用小孔径角成像。一般是在物镜的背焦平面上放一称为物镜光阑的小孔径的光阑来达到这个目的。由于物镜放大倍数较大，其物平面接近焦点，若物镜光阑的直径为D，则物镜孔径半角α可用下式来表示：

(2.1)

小孔径角成像意味着只允许样品散射角小于α的散射电子通过物镜光阑成像，所有大于α的都被物镜光阑挡掉，不参与成像。在这里，我们利用散射截面这

一概念，且定义其为散射角大于α的散射区。显然，若使αn=αe=α，则表示，凡落入散射截面以内的入射电子不参与成像，而只有落在散射截面以外的才参与成像。

2.3透射电子显微镜的样品制备

用于透射电镜下观察的试样厚度要求在500～2000Å之间，制备这种试样的方法概括起来可分成两大类：一类是双喷电解抛光腐蚀法，另一类是离子薄化法。双喷电解抛光法用于能用电解抛光腐蚀方法减薄的金属样品。离子薄化法用于不能用电解抛光腐蚀法减薄的样品，例如陶瓷样品、矿物、多层结构材料、粉末颗粒等。

2.3.1 双喷电解抛光法

1）装置：此装置由电解冷却与循环部分、电解抛

光减薄及观察样品三部分组成。图5—16为双喷电解抛光装置示意图。

(1) 电解冷却与循环部分：通过耐酸泵把低温电解液经喷嘴打在样品表面。低温循环电解减薄不使样品因过热而氧化，同时又可以得到平滑而光亮的薄膜。

（2）电解抛光减薄部分：电解液由泵打出后通过相对的两个铂阴极喷嘴喷到样品表面。喷嘴口径为1mm ，样品放在聚四氟乙烯制作的夹具上。样品通过直径为 0.5mm的铂丝与不锈钢阴极之间保持电接触，调节喷嘴位置使两个喷嘴位于同一直线上。

（3）观察样品部分：电解抛光时一根光导纤维

管把外部光源传送到样品的一个侧面，当样 图2.2 样品夹具

品刚一穿孔时，透过样品的光通过在样品另一侧的光导纤维管传送到外面的光电管，切断电解抛光射流，并发出报警声响。

2.3.2样品制备过程：

（1）线切割：从试样上线切割下0.3mm薄片。

（2）将0.3mm薄片冲成直径为φ3mm的试样。

（3）将φ3mm薄片在水磨金相砂纸上磨薄到0.1~0.2mm 。

（4）电解抛光减薄：把无锈、无油、厚度均匀、表面光滑、直径为φ3mm的样

品放入样品夹具上（见图2.2 ）。样品与铂丝要接触良好，将样品夹具放到喷嘴之间，调整样品夹具和喷嘴位置，使φ3mm小试样与喷嘴在同一水准线上，喷嘴与样品夹具距离大约15毫米左右，并使光导纤维管对着φ3mm 试样。调整电解液流量使之能喷射到样品上。需要在低温条件下电解液抛

光时，可在电解液中放入干冰或液氮，一般温度控制在-20~ -40ºC左右，或采用半导体冷阱等专门装置。最有利的电解抛光条件可通过在电解液温度及流速恒定时，做电流–电压曲线确定。双喷抛光法的电流–电压曲线一般接近于直线，如图2.3。对于同一种电解液，不同抛光材料的直线斜率差别不大。很明显，图中B处条件符合要求，可获得大而平坦的电子束所能透射的面积。表2.1为某些金属材料双喷电解抛光规范。

表2.1 某些金属材料双喷电解抛光规范

（5）最终制成的样品如图2.4所示。样品制成后应立即把样品夹具投入酒精中

清洗，然后打开试样夹并用镊子夹住样品边缘，在酒精中再进行4 ~5次漂洗，以免残留电解液腐蚀金属薄膜表面。从抛光结束到漂洗完毕动作要迅速，争取在几秒钟内完成，否则前功尽弃。

（6）样品制成后应立即观察，暂时不观察的样品要妥善保存，可根据薄膜抗氧

化能力选择保存方法。若薄膜抗氧化能力强，只要保存在干燥器内即可。易氧化的样品要放在真空装置中保存。

双喷法制得的

薄膜有较厚边缘，中心穿孔有一定的透明区域，不需要放在电镜铜网上，可直接放在样品杯内观察。

图2.3双喷法电流—电压曲线 图2.4最终制成的薄膜

2.3.2离子薄化法

离子薄化方法不仅适用于用双喷方法所能

减薄的各种样品，而且还能减薄双喷法所不能减薄的样品，例如陶瓷材料、高分子材料、矿物、多层结构材料等。如用双喷法穿孔后，孔边缘过厚或穿孔后样品表面氧化，皆可用离子减薄法继续减薄直至样品厚薄合适或去掉氧化膜为止。用于高分辨的样品，通常双喷穿孔后再进行离子减薄，只要严格按操作规范减薄就可以得到薄而均匀的观察区。该法的缺点是减薄速度慢，通常制备一个样品需要十几个小时甚至更长，而且样品有一定温升。如操作不当样品会受到辐射损伤。 图2.5 离子薄化装置示意图

1） 离子减薄装置（见图2.5）

离子减薄装置由工作室、电系统、真空绝缘管系统三部分组成。

工作室是离子减薄装置的一个重要组成

部分，它是由离子枪、样品台、显微镜、微型电机等组成的。

在工作室内沿水平方向有一对离子枪，样品台上的样品中心位于两枪发射出来的离子束中心，离子枪与样品的距离为25 ~30mm左右。两个离子枪均可以倾斜，根据减薄的需要可调节枪与样品的角度，通常调节成7º~20º角。样品台上能在自身平面内旋转，以使样品表面均匀减薄。为了在减薄期间随时观察样品被减薄情况，在样品下面装有光源，在工作室顶部安装有显微镜，当样品被减薄透光时，打开光源在显微镜下可以观察到样品透光情况。

电系统主要包括供电、控制及保护三部分。真空系统保证工作室高真空。 • 离子减薄的工作原理

稀薄气体氩气在高压电场作用下辉光放电产生氩离子，氩离子穿过盘状阴极中心孔时受到加速与聚焦。高速运动的离子射向装有试样的阴极把原子打出样品表面减薄样品。

• 离子减薄程序

（1）切片：从大块试样上切下薄片。对金属、合金、陶瓷切片厚度应不小于0.3mm 。对岩石和矿物等脆、硬样品要用金刚石刀片或金刚石锯切下在毫米数量级的薄片。

（2）研磨：用汽油等介质去除试样油污后，用粘结剂将清洗的样品粘在玻璃片上研磨，直至样品厚度小于30 ~50μm为止。

（3）将研磨后的样品切成直径φ3mm小圆片。

（4）装入离子薄化装置进行离子减薄。

为提高减薄效率，一般情况减薄初期采用高电压、大束流、大角度（20°），以获得大陡坡的薄化，这个阶段约占整个制样时间的一半。然后减少高压束流与角度（一般采用15°）使大陡坡的薄化逐渐削为小陡坡直至穿孔。最后以7°~10°的角度、适宜的电压与电流继续减薄，以获得平整而宽阔的薄区。

2.4透射电子显微镜举例与应用

图2.6 超高温陶瓷的透射明场相

在采用透射电子显微镜时，可以在更加微观尺度观察到陶瓷材料的组织形貌，如图2.6中，在烧结超高温陶瓷时，加入一定的烧结助剂之后，可以通过TEM照片观察到明显的三晶界点的第二相，而这对于这种第二相通过电子透射之后，可以通过衍射花样判定材料的晶相与非晶相。

而在图2.6当中可以看出对于晶粒之间的微区分析可以看出，衍射花样呈现有序分布，可以确定在晶界当中的第二相是晶相，不会因为在晶界当中存在过度的非晶相，导致材料中的晶粒与晶粒之间的结合强度大幅度降低。而通过TEM结合EDX分析可以得出在微区的元素分布，可以看出在第二相的元素主要为La与Zr两种金属，由此可以得出存在第二相晶界的是由La和Zr的晶相。

图2.7 超高温陶瓷的透射明场相

在图2.7中可以的出发生了晶界扭曲扭转现象，以及在硼化锆的小晶粒当中出现了大量的规则排列的位错，而产生这样的原因主要是由于在烧结完成后，由于烧结炉过快的降温速度导致了，陶瓷当中的晶粒出现了扭转弯曲，并在晶粒当中出现了大量有序排列的，同一方向排列的位错。

图2.8 超高温陶瓷的透射明场相以及EDX

通过图2.8的TEM结合EDX分析可以判断出在陶瓷晶粒内部以及晶界的杂质分布。