現代掃描電鏡的發展及其在材料科學中的應用

1 掃描電鏡原理 
掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,簡寫為SEM)是一個復雜的系統,濃縮了電子光學技術真空技術、精細機械結構以及現代計算機控制技術。成像是采用二次電子或背散射電子等工作方式,隨著掃描電鏡的發展和應用的拓展,相繼發展了宏觀斷口學和顯微斷口學。掃描電鏡是在加速高壓作用下將電子槍發射的電子經過多級電磁透鏡匯集成細小(直徑一般為1~5nm)的電子束(相應束流為10-11~10-12A)。在末級透鏡上方掃描線圈的作用下,使電子束在試樣表面做光柵掃描(行掃+幀掃)。掃描電鏡主要是針對具有高低差較大、粗糙不平的厚塊試樣進行觀察,因而在設計上突出了景深效果,一般用來分析斷口以及未經人工處理的自然表面。掃描電鏡的主要特征如下: 
(1)能夠直接觀察大尺寸試樣的原始表面;
(2)試樣在樣品室中的自由度非常大; 
(3)觀察的視場大; 
(4)圖像景深大,立體感強; 
(5)對厚塊試樣可得到高分辨率圖像; (6)輻照對試樣表面的污染小; 
(7)能夠進行動態觀察(如動態拉伸、壓縮、彎曲、升降溫等); 
(8)能獲得與形貌相對應的多方面信息; 
(9)在不犧牲掃描電鏡特性的情況下擴充附加功能,如微區成分及晶體學分析。 

2 近代掃描電鏡的發展 
掃描電鏡的設計思想早在1935年便已提出,1942年在實驗室制成第一臺掃描電鏡,但因受各種技術條件的限制,進展一直很慢。1965年,在各項基礎技術有了很大進展的前提下才在英國誕生了第一臺實用化的商品儀器。此后,荷蘭、美國、西德也相繼研制出各種型號的掃描電鏡,日本二戰后在美國的支持下生產出掃描電鏡,中國則在20世紀70年代生產出自己的掃描電鏡。前期近20年,掃描電鏡主要是在提高分辨率方面取得了較大進展,80年代末期,各廠家的掃描電鏡的二次電子像分辨率均已達到4.5nm。在提高分辨率方面各廠家主要采取了如下措施: 
(1)降低透鏡球像差系數,以獲得小束斑; 
(2)增強照明源即提高電子槍亮度(如采用LaB6或場發射電子槍); 
(3)提高真空度和檢測系統的接收效率; 
(4)盡可能減小外界振動干擾。
目前,采用鎢燈絲電子槍掃描電鏡的分辨率最高可以達到3.5 nm;采用場發射電子槍掃描電鏡的分辨率可達1 nm。到20世紀90年代中期,各廠家又相繼采用計算機技術,實現了計算機控制和信息處理。 

2.1 場發射掃描電鏡 
采用場致發射電子槍代替普通鎢燈絲電子槍,這項技術從1968年就已開始應用,由于該電子槍的亮度(即發射電子的能力)大為提高,因而可得到很高的二次電子像分辨率。采用場發射電子槍需要很高的真空度,在高真空度下由于電子束的散射更小,其分辨率進一步得到提高。近幾年來,各廠家采用多級真空系統(機械泵+分子泵+離子泵),真空度可達10-7Pa。同時,采用磁懸浮技術,噪音振動大為降低,燈絲壽命也有增加。束流穩定度在12 h內<0.8 %。 

2.2 分析型掃描電鏡及其附件 
所謂分析型掃描電鏡即是指將掃描電鏡配備多種附加儀器,以便對被測試樣進行多種信息的分析,其附件一般有如下幾種。 

2.2.1 能譜儀附件 
能譜儀(即X射線能量色散譜儀,簡稱EDS)通常是指X射線能譜儀。自能譜儀在20世紀70 年代末和80年代初期普遍推廣以來,首先是在掃描電鏡和電子探針分析儀器上得到應用,其優點是可以分析微小區域(幾個微米)的成分,并且可以不用標樣。能譜儀收集譜線時一次即可得到可測的全部元素,因而分析速度快,另外,在掃描電鏡所觀察的微觀領域中,一般并不要求所測成分具有很高的精確度,所以,掃描電鏡配備能譜儀得到了廣大用戶的認可,并且其無標樣分析的精確度能勝任常規研究工作。目前,最先進的采用超導材料生產的能譜儀,分辨率達到了5~15 eV,已超過了25 eV分辨率的波譜儀,這是目前能譜儀發展的最高水平。 

2.2.2 EBSD附件 
早在20世紀70年代中期,有些材料工作者在掃描電鏡上發現了背散射電子的衍射現象,由于這些衍射花樣與所測單晶體的晶體結構有關,便將其用作材料的結構研究。直到90年代中期,有些廠家針對背散射電子衍射作用制作了專門的探測器并引進計算機技術,形成了背散射電子衍射分析技術,這就是我們通常說的EBSD(電子背散射衍射)。EBSD主要可做單晶體的物相分析,同時提供花樣質量、置信度指數、彩色晶粒圖,可做單晶體的空間位向測定、兩顆單晶體之間夾角的測定、可做特選取向圖、共格晶界圖、特殊晶界圖,同時提供不同晶界類型的絕對數量和相對比例,即多晶粒夾角的統計分析、晶粒取向的統計分析以及它們的彩色圖和直方統計圖,還可做晶粒尺寸分布圖,將多顆單晶的空間取向投影到極圖或反極圖上可做二維織構分析,也可做三維織構即ODF分析。 

2.2.3 波譜儀附件 
波譜儀(即X射線波長色散譜儀,簡稱WDS)本是隨著電子探針的發明而誕生的,它是電子探針的核心部件,用作成分分析。成分分析的原理可用K= (d/R)L公式表示。K是電子束激發試樣時產生的X射線波長,跟元素有關;d是分光晶體的面間距,為已知數;R是波譜儀聚焦園的半徑,為已知數;L是X射線發射源與分光晶體之間的距離。對于不同的L則有不同的X射線波長,根據X射線波長就可得知是什么元素。因此,波譜儀是通過機械裝置的運動改變距離L來實現成分分析。

3 現代掃描電鏡的發展