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扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用

班级：无机2014-1 姓名：李冬月 学号：1461142107

摘要：介绍了目前常被用于固体结构观测及其表征的主要仪器扫描电子显微镜（SEM）

的简单概况和基本原理以及其在材料科学中的应用。

关键词：扫描电子显微镜 原理 材料科学 应用

引言

无论是X射线衍射确定晶体的三维结构还是低能电子衍射确定晶体表面的二维结构，都是以原子的周期性排列为前提的。但是近年来学术界对于不具有周期性的局域性原子位置的结构表现出越来越浓厚的兴趣，而且这种局域性结构的线度又往往很小，常在微米以下甚至纳米级。显然，传统的衍射手段对此无能为力，而且光学显微镜由于分辨本领的限制也无法分辨尺度在100纳米数量级的局域性结构细节。至目前为止已发展出各种基于电子的发射和传播的显微方法。本文主要介绍了扫描电子显微镜和扫描隧穿显微镜的工作原理以及对固体材料形貌和结构观察方面的应用。

1.SEM简介

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。 目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。扫描电镜如下图1。

图1 扫描电子显微镜

2.原理

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得试样表面性貌的观察。SEM是一个复杂的系统,浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术.扫描电镜是在加速高压作用下将电子枪发射的电子经过多级电磁透镜汇集成细小的电子束.在试样表面进行扫描,激发出各种信息,通过对这些信息的接收、放大和显示成像,以便对试样表面进行分析.入射电子与试样相互作用产生如图1所示的信息种类。

图2 电子束探针照射试样产生的各种信息

这些信息的二维强度分布随试样表面的特征而变(这些特征有表面形貌、成分、晶体取向、电磁特性等),是将各种探测器收集到的信息按顺序、成比率地转换成视频信号,再传送到同步扫描的显像管并调制其亮度,就可以得到一个反应试样表面状况的扫描图.如果将探测器接收到的信号进行数字化处理即转变成数字信号,就可以由计算机做进一步的处理和存储.各信息如下表1。

收集信号类型 二次电子 背散射电子 特征X射线 俄歇电子 功能 形貌观察 成分分析 成分分析 成分分析 表1 扫描电镜中主要信号及其功能

扫描电镜可做如下观察: (1)试样表面的凹凸和形状; (2)试样表面的组成分布;

(3)可测量试样晶体的晶向及晶格常数;

(4)发光性样品的结构缺陷,杂质的检测及生物抗体的研究; (5)电位分布;

(6)观察半导体器件结构部分的动作状态; (7)强磁性体的磁区观察等. 传统扫描电镜的主要结构如图3所示

图3 扫描电子显微镜原理和结构示意图

3.扫描电镜在材料研究中的应用

3.1.超微尺寸材料的研究

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分.现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有个纳米的/颗粒0.由于纳米材料表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用,十分活泼,所以使用纳米金属颗粒粉作催化剂,可加快化学反应过程.纳米材料的应用非常广泛,比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点,但又具有脆性和难以加工等缺点,纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性,改善脆性.复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域.例如含有20%超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒,可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料[21~29].纳米