1、 实验 扫描电子显微镜一、 扫描电镜的实验目的与意义1、了解扫描电镜的近况和在实际中的应用；2、掌握扫描电镜的基本结构与原理；3、学习扫描电镜样品的准备与制备方法；4、学习扫描电镜的基本操作方法并上机完成二次电子像观察记录全过程；5、了解扫描电镜图片的分析与描述方法。二、扫描电镜实验步骤1、介绍扫描电镜基本状况与最新进展（场发射扫描电镜、环境扫描电镜的特点及应用） ；2、结合具体仪器介绍扫描电镜的构造与工作原理；3、重点介绍扫描电镜样品的准备与制备方法，实验老师演示粉状样品和块状样品的制备方法，并要求每位同学动手制备样品，掌握扫描电镜粉状样品和块状样品的制备方法；4、学习扫描电镜的操作过程，掌
2、握观察二次电子像的仪器操作过程，要求每位同学上机操作，并拍摄 2 张二次电子像图片，要求图片清晰有代表性；5、仔细观察和分析实验老师给出的 200 多张图片，并对某类或某几张图片进行分析或描述（要求 200 字以上） 。三、扫描电镜基本状况及特点1、扫描电镜近况及其进展扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在 1935 年已经被提出来了，直到 1956 年才开始生产商品扫描电镜。商品扫描电镜的分辨率从第一台的 25nm 提高到现在的 0.8nm，已经接近于透射电镜的分辨率，现在大多数扫描电镜都能同 X 射线波谱仪、X 射线能谱仪和自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析
3、的多功能的电子光学仪器。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学以及地质勘探，机械制造、生产工艺控制、产品质量控制等学科和领域中，促进了各有关学科的发展。随着纳米材料的出现，原有的钨灯丝扫描电镜由于分辨率低，不能满足纳米材料分析检测的要求，之后，电镜生产厂家推出了场发射扫描电子显微镜，使扫描电镜的分辨率提高到了 0.8nm。场发射扫描电子显微镜又分为冷场场发射扫描电子显微镜和热场场发射扫描电子显微镜，它们的共性是分辨率高。热场发射扫描电镜的束流大且稳定，适合进行能谱分析，但维护成本和要求高；冷场发射扫描电镜的束流小且不稳定，适合于做表面形貌观察，不适合能谱分析，相对
4、而言维护成本和要求要低一些。环 境 扫 描 电 镜 的特 点 是 对 于 生 物 样 品 、 含 水 样 品 、 含 油 样 品 ， 既 不 需 要 脱 水 ， 也 不 必 进 行 导 电 处 理 ，可 在 自 然 的 状 态 下 直 接 观 察 二 次 电 子 图 像 并 分 析 元 素 成 分 。2、 扫 描 电 镜 的 特 点（ 1） 能 够 直 接 观 察 样 品 表 面 的 微 观 结 构 ， 样 品 制 备 过 程 简 单 ， 对 样 品 的 形 状 没 有 任 何限 制 ， 粗 糙 表 面 也 可 以 直 接 观 察 ；（ 2） 样 品 在 样 品 室 中 可 动 的 自 由 度
5、 非 常 大 ， 可 以 作 三 度 空 间 的 平 移 和 旋 转 ， 这 对 观 察不 规 则 形 状 样 品 的 各 个 区 域 细 节 带 来 了 方 便 ；（ 3） 图 象 富 有 立 体 感 。 扫 描 电 镜 的 景 深 是 光 学 显 微 镜 的 数 百 倍 ， 是 透 射 电 镜 的 数 十 倍， 故 所 得 到 的 图 象 立 体 感 比 较 强 ；（ 4） 放 大 倍 数 范 围 大 ， 从 几 倍 到 几 十 万 倍 连 续 可 调 。 分 辨 率 也 比 较 高 ， 介 于 光 学 显 微镜 和 透 射 电 镜 之 间 ；（ 5） 电 子 束 对 样 品 的 损 伤
6、与 污 染 程 度 小 。 由 于 扫 描 电 镜 电 子 束 束 流 小 ， 且 不 是 固 定 一点 照 射 样 品 表 面 ， 而 是 以 光 栅 扫 描 方 式 照 射 样 品 ， 所 以 对 样 品 的 损 伤 与 污 染 程 度比 较 小 ；（ 6） 在 观 察 样 品 微 观 形 貌 的 同 时 ， 还 可 以 利 用 从 样 品 发 出 的 其 它 物 理 信 号 作 相 应 的 分析 ， 如 微 区 成 分 分 析 。 如 果 在 样 品 室 内 安 装 加 热 、 冷 却 、 弯 曲 、 拉 伸 等 附 件 ， 则可 以 观 察 相 变 、 断 裂 等 动 态 的 变 化
7、过 程 。四、扫描电镜的基本结构与原理1、扫描电镜的基本结构扫描电子显微镜由电子光学系统（包括电子枪、电子对中线圈、三级聚光镜、消像散器和样品室等部件） 、扫描系统（包括扫描发生器、扫描线圈和放大倍率选择器等部件） 、信号检测收集与显示系统（包括探测器、放大器和显象管等部件） 、真空系统（包括机械泵和油扩散泵） 、电源系统和冷却系统六大部分组成。图 1 扫描电镜的构造电子枪第一聚光镜第二聚光镜物镜样品探测器前置放大器真空系统倍数放大器 扫描发生器显示器2、扫描电镜的工作原理扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。从电子枪阴极发出电子束，受到阴阳极之间加速电压
8、的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用形成一束很细的电子束，在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面逐行扫描，激发出二次电子和背散射电子等各种物理信号，被二次电子检测器或背散射电子检测器接收处理后在显象管上形成衬度图象。二次电子像和背散射电子像反映样品表面微观形貌和成分分布特征。而利用特征 X 射线则可以分析样品微区元素组成，这需要配置 X 射线能谱仪。扫描电子显微镜主要收集二次电子和背散射电子用于成像，二次电子能量较低，只在样品表层产生，但其像分辨率高，所以用它来获得纯表面形貌图象；背散射电子能量比较高，在样品中产生的深度可以达到 300 纳米，也可以用来显示样品表面形貌，但它对样品表面形
9、貌的变化不那么敏感，背散射电子产生的数量与元素的原子序数有关，通常用它来获得元素或相的分布像，此时样品必须先抛光。五、扫描电镜样品制备制备合格的扫描电镜样品是能否获得扫描电镜观察预期最佳结果的先决条件，除环境扫描电镜外，其它扫描电镜的样品必须是固体，且在真空条件下能够保持长时间稳定。对于含水的样品必须进行干燥，表面被污染的样品要选择合适的溶剂进行清洗。有些样品必须用化学试剂腐蚀后才能显露显微结构，如金属样品、玻璃样品等。导电性差或不导电的样品，在电子束作用下会产生电荷聚集，阻挡入射电子束进入样品及样品内电子射出样品表面，造成图象质量下降，这类样品固定到样品台上后，要在离子溅射仪或真空镀膜仪中喷
10、镀一层厚约 10nm 的导电层。本实验要求学生动手制备粉末样品和块状样品，首先由实验老师详细介绍与学生所学专业有关的样品的保存与处理方法，如：水泥水化样品到了龄期要终止水化，且以小块状样品保存；微晶玻璃样品需要经过腐蚀处理后才能观察到微晶；陶瓷等脆性样品最好观察新断口；复合材料一般可直接观察力学断口；金属样品可以根据具体要求选择观察断口或经过抛光腐蚀后的表面；有机薄膜、橡胶等较软的样品通过液氮冷冻法可获得良好的断面。然后实验老师准备制样工具和样品，演示和讲解粉末样品、块状样品的制备方法，之后发给每位同学一个样品台进行制样，完成后由实验老师验收制备的样品是否合格并收回样品台。1、 常用的制样设备
11、、工具与消耗材料（1）常用的制样设备主要有镀膜用的离子溅射仪和真空镀膜仪；（2）常用的制样工具有：剪刀、镊子、吸耳球、斜口钳、锤子等；（3）常用的制样消耗材料有：导电双面胶、银导电胶、脱脂棉、酒精等。2、样品的制备方法（1）粉末样品的制备粒径在 0.011 毫米的粉末样品，取少量样品均匀洒落在贴有双面胶带的样品台上，用吸耳球吹去未粘牢的颗粒即可；粒径小于 0.01 毫米的粉末样品，由于颗粒微小，用双面胶制样观察效果不佳，可采用悬浮法，用超声波分散后滴在割小的载玻片上，自然干燥即可。（2）固体块状样品的制备对于导电的固体样品只要取适合于样品台大小的试样块，注意不要损伤或污染所要观察的新鲜断面，用
12、导电胶固定在样品台上，可直接放入扫描电镜中观察；对于导电性差或不导电的样品，采用同样的制样方法，制好的样品须喷镀一层导电层后再放入扫描电镜中观察。（3）生物样品的制备样品经取材和适当清洗后进行固定、脱水、临界点干燥或冷冻干燥，用双面胶带纸或导电银胶固定在样品台上，喷镀导电层即可。（4）纤维样品的制备 需要按观察要求将化纤、羊毛、棉纱等原丝或编织物横向（轴向）两端用胶带固定或纵向观察（观察断口或内部） ，也可以将纤维插进专业的套管或利用医学中常用的包埋法将其固定。 不导电样品表面需要蒸镀一层导电层，可有效地防止样品荷电，提高试样二次电子的发射率，减少试样表面的热损伤，增加导电、导热性。用于蒸镀导
13、电层的材料有金、铂、银、铜、铝、碳等，观察二次电子象常选择金、铂作为蒸镀导电层的材料，这是因为金、铂易蒸镀，膜厚易控制，二次电子发射率高，导电膜化学性能稳定。对于用背散射电子信号观察原子序数衬度像的样品需要进行抛光，不导电的样品还须在其表面喷碳（因镀金层吸收背散射电子过大，影响背散射电子信号观察） 。六、实验过程1、扫描电镜的启动（开机）（1）打开总电源，接通循环水；（2）打开主机稳压电源开关，确认电压准确、稳定；（3）打开主机，真空系统开始工作，打开计算机运行；（4）约 20 分钟仪器自动抽高真空，真空度达到后，点击电子枪加高压，进入工作状态；（5）通过计算机可以进行样品台的移动，改变放大倍
14、数、聚焦、象散、对比度、亮度等调整， 直到获得满意的图像；（6）对于满意的图像可以进行存盘或打印；（7）若需进行 X 射线能谱分析，需要提前 2 小时加入液氮，并使探测器进入工作状态；（8）打开能谱部分的计算机进行谱收集和相应的分析；（9）需观察背散射电子像时，工作距离调整为 15mm，然后插入背散射电子探测器，用完后随时抽出。2、 更换样品（1）关闭电子枪高压，调整样品台回到中心位置；（2）打开放气阀，使空气进入样品室；（3）打开样品室,从样品台架上取出样品台；（4）更换样品后关上样品室门，使真空系统开始工作,重复开机 1.41.6。3、关机（1）关闭电子枪高压，调整样品台回到中心位置；（2
15、）关闭扫描电镜操作界面,关闭计算机；（3）关闭主机电源，扫描电镜停止工作；（4）等待 20 分钟后关闭循环水；（5）关闭总电源。七、扫描电镜的分析过程以实验室现有的扫描电镜为例，具体讲解扫描电镜的操作。本实验的实验设备是日本电子JSM-5610LV 扫描电子显微镜（仪器分辨率 3.5nm；放大倍数范围 18X300,000X。 ） 。图 2 高岭土颗粒形貌 图 3 陶瓷断口形貌图 4 多孔陶瓷断口形貌 图 5 水泥石断口形貌 图 6 氧化锌晶体形貌 图 7 镀膜碳纤维表面形貌图 8 土壤表面的苔藓形貌 图 9 鹅绒的杈枝状纤维形貌二次电子是扫描电镜最常用的物理信号，它对样品的表面特征反映最灵敏
16、，分辨率高，常用它来表征样品的微观形貌。扫描电子显微镜与其它近代测试技术相结合用来研究材料的结构形态、相组成与材料的生产工艺、性能之间的关系，寻找改进材质的途径和研究预见性的新材料。在普通陶瓷研究方面，发现作为普通陶瓷原料之一的高岭土，其扫描电子显微结构主要有片状（图 2） 、管状和柱状三种形态。陶瓷材料在烧结过程中形成的显微结构，在很大程度上由原料粉体的特性，如颗粒形状、颗粒度、团聚状态等决定的，这些特性可以借助扫描电镜直观地进行观察与分析。陶瓷生产的工艺条件、显微结构与制品的性能三者具有紧密的相互关系，研究陶瓷的显微结构，可以推断工艺条件的变化，一定的显微结构又反映出陶瓷性能的优劣。图 3
17、 是陶瓷的断口形貌，可以明显观察到陶瓷晶体的大小、形状、均匀程度、断裂方式、孔结构等微观特征。图 4 是多孔陶瓷的断口形貌，可以观察到孔的大小、形态，分布是否均匀等微观特征。图 5 是水泥水化样品的二次电子像，可以清楚地看到水泥水化产物的微观形态，片状的为氢氧化钙，针棒状的为钙矾石，团絮状的为 C-S-H 凝胶。图 6 和图 7 分别是氧化锌晶体和碳纤维表面镀层的二次电子象。图 8是贫瘠潮湿土壤表面的苔藓形貌；图 9 是加工处理后的鹅绒形貌，反映出鹅绒的长纤维杈枝状微观形貌特征。八、习 题1.电子束入射固体样品表面会激发哪些信号?扫描电镜常用的信号有哪几个?样品表面形 貌像常用哪个信号？2、说明背散射电子原子序数衬度形成原理并说明在分析样品中的作用。3.不导电样品的表面为什么要蒸镀一层导电层？蒸镀导电层常用的材料有哪些？观察样品表面形貌像常蒸镀何种材料的导电层？
