掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展迅猛，目前30kV電壓下分辨率達到1nm的場發(fā)射掃描光 地區(qū)就超過60臺， 地區(qū)還有100臺以上的分辨率在3nm左右的掃描電鏡。加速電壓30KV

，0.4nm（Hitachi SU9000

）加速電壓1KV，0.9nm

（FEI

Magellan

XHR

SEM）最高有效放大倍率可以到50萬倍以上，而1nm的電鏡最大有效放大倍率可達到30萬倍以上，3nm電鏡的可達到10萬倍以上。掃描電鏡主要有兩個功能：提供顯微結(jié)構(gòu)

、提供顯微成分分析數(shù)據(jù)。但是有好的電鏡就一定能獲得滿意的顯微結(jié)構(gòu)

嗎答案：否定！氧化釔納米粉體材料的顯微結(jié)構(gòu)化學組成元素分布組成相的形貌（如尺寸、分布、形狀等）決定材料的宏觀性能顯微結(jié)構(gòu)：指在各種顯微鏡下看到的所有相區(qū)(phase

region)及所包含的缺陷。通常包括晶粒和氣孔的尺寸大小和分布、相組成和分布、晶界特性、缺陷及裂紋，還包括組成均勻性等等。顯微結(jié)構(gòu)表征的主要任務：根據(jù)不同類型顯微鏡下觀察的顯微結(jié)構(gòu)特征，對他們的形成原因做出合理的分析和推斷。引言作用：

電子探針、掃描電鏡是材料研究中非常有用的儀器，可以解決材料顯微結(jié)構(gòu)－配方－工藝－性能關系的許多關鍵問題。目前中國擁有超過9000千掃描電鏡，每年大概

約300臺掃描電鏡。應用：高校、科研單位、工廠

及檢測等得到了廣泛應用。二○一○年夏，本市松江區(qū)河溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)一男一女兩具尸體。經(jīng)法醫(yī)尸檢后確定此案系兇殺，并發(fā)現(xiàn)在死者顱部有二片金屬單刃刀刀尖殘段，分別寬1.1厘米和0.6厘米.微束分析微束分析(Microbeam ysis)

：利用一束細

、離子束、光束或粒子束作用于試樣產(chǎn)生的各種信息,進行成分、形貌、結(jié)構(gòu)及其他物理和化學特性的分析。束班大小：微米－納米。主要功能：成分分析；結(jié)構(gòu)分析；圖像分析。主要指標：束班大小、分辨率、空間分辨率、靈敏度、準確度等。定量分析：微束分析是物理方法，由于物理過程的復雜性，成分定量基本都用標樣比較法并進行修正計算。典型微束分析儀器1.:

電子探針(EPMA)；掃描電鏡(SEM-EDS)；分析電鏡(AEM)；俄歇電子譜(AES)。2.離子微束:離子探針(IMMA)；3.光子束:顯微激光光譜(LMCES);光電子譜:ESCA(ElectronChemical

ysis),

或Spectronscopy

for稱

XPS(X

－

rayPhotoelectron

Spectroscopy).4.粒子束:

質(zhì)子探針(PIXA)常用微區(qū)分析儀器俄歇電子譜儀（AES:Auger

ElectronSpectroscope),也稱掃描俄歇顯微鏡。表面分析儀器，可進行元素定量分析（能做三維元素分

析）、形貌觀察、價態(tài)分析等。分析深度一般為1nm－2nm。分析H,He以外元素，對輕元素靈敏度高。Al(Z=13),

X射線產(chǎn)額：k＝0.04,

Auger電子產(chǎn)額：k=0.96C(Z=6),

k

=0.001，

k=0.999離子探針I(yè)MMA(Ion

Microprobe

Mass

yser)全元素分析（H,He…..),靈敏度高（10－8－10－14），分析直徑1m－2

m，有損分析。定量分析模型不完善，主要用作微量元素分析，絕對感量為10－18－10－19g，分析表面一般要剝離，可進行深度分析。透射電鏡分辨率高(JEM-2010F點分辨率：0.19nm)，放大倍率高，可放大一百多萬倍。可進行形貌觀察,成分分析,微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)(晶格像,結(jié)構(gòu)像),晶界分析。制樣

,分析區(qū)域小，代表性差。定量結(jié)果準確度較差，無標準樣品。掃描探針顯微鏡(SPM)是利用一種小探針(如Si3N4)在試樣表面上掃描，能提供高放大倍率觀察的一系列顯微鏡的總稱（鏡群）。例如：原子力顯微鏡（AFM）、掃獎）、掃描隧道顯微鏡（STM，86年獲描熱顯微鏡（SThM）等。特點：高倍率表面形貌觀察、測量特征尺寸可以從原子間距到100微米，能測量表面其他性能。試樣在大氣中操作，表面不需處理，可以獲得樣品表面的三維形貌象。是nm材料研究的重要 。不能進行成分分析，有假象。掃描力顯微鏡（SFM）能控制并檢測針尖與試樣間的相互作用力的顯微鏡。例如：原子力顯微鏡（AFM）、摩擦力顯微鏡（

LFM

）、磁力顯微鏡（MFM）和靜電力顯微鏡（EFM）等。EPMA概述電子探針英文縮寫為EPMA或EMA

(Electronprobe

X-ray

micro

yser)。一種

顯微分析的儀器，是通過

激發(fā)試樣微區(qū)產(chǎn)生的二次電子、背散射電子、及X射線等信息，進行試樣表面形貌觀察及成分分析。成分分析主要用波譜儀（WDS），也可以用能譜附件進行成分分析。SEM概述掃描電子顯微境英文縮寫為SEM（ScanningElectron

Microscope）。EPMA、SEM這兩種儀器是分別發(fā)展起來的，但現(xiàn)在EPMA都具有SEM

的圖像觀察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，這兩種儀器的基本構(gòu)造、分析原理

及功能日趨相同。特別是現(xiàn)代能譜儀，英文縮寫

為EDS（Energy

Dispersive

Spectrometer），或者EDX（Energy

Dispersive

X-ray

Spectrometer）與SEM組合時，可以進行綜合分析。操作簡便、得到的顯微結(jié)構(gòu)信息直觀，是目前材料微區(qū)顯微結(jié)構(gòu)觀察和成分分析最常見的工具。掃描電鏡電子探針主要特點：圖像分辨率高、放大倍率大。目前掃描電鏡的分辨率為3nm-0.6nm，相對應最大有效放大倍率達到100,000－1,600,000；電子探針圖像分辨率為3nm-6nm。景深大。一般情況下，掃描電鏡的景深是透射電鏡的10倍，是光學顯微鏡的100倍，特別適合觀察一些粗糙不平的斷口。無損分析。對大部分材料，只要尺寸能夠放入樣品室的話，采用合適的條件無需對試樣進行任何處理即可直接進行觀察分析。試樣 簡單。試樣可以是自然表面、斷口、塊體、反光及透光光片。EPMA、SEM區(qū)別EPMA：成分分析，形貌觀察。以成分分析為主。主要用WDS進行元素成分分析，出射角大、有定量方法，所以定量OM，電流大，有較成結(jié)果準確度高。真空腔體大，成分分析束流大，所以電子光路、光闌等易污染，圖像質(zhì)量下降速度快，EPMA二次電子像分辨率約為3－6nm。SEM：形貌觀察，成分分析。圖像分辨率高FESEM:優(yōu)于1納米，W燈絲：3納米EPMA比SEM價格貴2－3倍。掃描電子顯微鏡的基本原理由Knoll于二十世紀三十年代提出并實現(xiàn)。Ardenne于1938年通過理論計算和實驗對磁透鏡系統(tǒng)進行了改進從而能夠縮小寬以得到更高的分辨率。Ardenne的實驗裝置實際上是掃描透射顯微鏡，既允許電子

薄樣品直接在膠卷上成像，同時也可以通過收集二次電子與背散射電子信號通過陰極射線管成像。1942年，Zworykin等人設計了第一臺真正意義上的掃描電子顯微鏡（加速電壓僅為800V），不僅加速電壓低，真空度不高，因此其圖像分辨率很差。因此他們將研究的重點轉(zhuǎn)向透射電子顯微鏡（TEM），掃描電子顯微鏡的發(fā)展暫時停滯。1948年起， 大學的Oatley帶領其學生開始了一系列的構(gòu)造新型掃描電子顯微鏡的研究。1掃描電鏡發(fā)展歷史McMullen首先參與搭建了掃描電子顯微鏡的雛形。之后Smith引入了雙偏折系統(tǒng)作為補償器線圈。Everhart和Thornley對信號檢測裝置加以改進，通過引入光導管使閃爍體和光電倍增管之間進行光學耦合大大提高效率。該檢測器被命名為Everhart-Thornley檢測器。最終Pease和Nixon將所有改進整合到單個裝置中，其中采用了倒向腔體、雙偏折掃描系統(tǒng)、補償器線圈以及Everhart-Thornley檢測器，它是第一臺商業(yè)電子掃描顯微鏡（1965年 科學儀器公司的Mark）的原型。這也標志著掃描電子顯微鏡技術(shù) 成熟。經(jīng)過近60年的發(fā)展，掃描電鏡的電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及探測器技術(shù)的長足發(fā)展使得現(xiàn)在掃描電鏡的分辨率已經(jīng)達到了亞納米尺度，且出現(xiàn)了分辨率更高（0.4nm）的掃描透射模式(Scanning

Transmission)，而且有了利用背散射電子衍射進行相鑒定的附件。總之，現(xiàn)在的掃描電鏡不僅可以達到亞納米尺度的分辨率，還可以利用能譜進行元素組分分析，還可以利用背散射電子衍射進行相鑒定。2掃描電鏡的原理掃描電鏡構(gòu)造和原理示意圖電子槍發(fā)射電子，在加速電壓（為加速從電子

槍發(fā)射的電子而加在燈絲到陽極之間的電位差，其可變范圍一般為幾百伏到30kV）的加速下形成一個幾微米的交叉點，再經(jīng)過會聚透鏡和物鏡的聚焦，在樣品表面形成一個直徑約為0.5-3nm的

（

斑直徑一般小于掃描電鏡分辨率）；當通過掃描線圈在試樣表面掃描時，另一個掃描線圈同步掃描觀察圖像的顯示屏，通過二次電子或者背散射電子探測器收集試樣每點的二次電子信號，將二次電子信號同步調(diào)制成觀察圖像的顯示屏對應點的亮度。因此，

可以通過顯示屏上成的像得到試樣表面的顯微結(jié)構(gòu)信息。EPMA分析特點微區(qū)（1

m

－5

m）、顯微結(jié)構(gòu)分析元素分析范圍廣：鈹(Be)——鈾(Ｕ）定量準確度高EDS:0.1%檢測極限:

WDS:0.01%左右;左右不損壞試樣、分析速度快微區(qū)離子遷移動力學研究顯微結(jié)構(gòu)在顯微鏡(OM、SEM、TEM等)下觀察到的結(jié)構(gòu)稱顯微結(jié)構(gòu)。EPMA是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器之一。顯微結(jié)構(gòu)記錄了材料工藝全過程；是性能表征及材料評價的依據(jù)；顯微結(jié)構(gòu)所研究的內(nèi)容十分廣泛，包括相組成、相分布、晶粒大小和形態(tài)、雜質(zhì)及缺陷的特征與分布、晶界與相界、斷裂特征及斷裂方式等。顯微結(jié)構(gòu)分析EPMA是利用束徑0.5μm－1μm的高能激發(fā)所分析的試樣.分析試樣μm范圍的成份、形貌和化學結(jié)合狀態(tài)等特征。成分分析的空間分辨率（微區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個立方μm范圍，

微區(qū)分析是它的一個重要特點之一,它能將微區(qū)化學成份與顯微結(jié)構(gòu)對應起來，是一種顯微結(jié)構(gòu)的分析。而一般化學分析、

X光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較大范圍內(nèi)的平均化學組成，也無法與顯微結(jié)構(gòu)相對應,

不能對材料顯微結(jié)構(gòu)與材料性能關系進行研究。元素分析范圍廣電子探針的WDS、EDS所分析的元素范圍一般都從硼(B)——鈾(Ｕ)。氫和氦原子只有K層電子，不能產(chǎn)生特征X射線 。鋰(Li)和鈹(Be)雖然能產(chǎn)生X射線，但產(chǎn)生的特征X射線波長太長，通常無法進行檢測，少數(shù)電子探針用大面間距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測Be元素，現(xiàn)在EDS也可以分析Be，但強度非常低。定量分析準確度高EPMA是目前微區(qū)元素定量分析最準確的儀器，檢測極限(能檢測到的元素最低濃度)一般為（0.01－0.05）%，不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限，但由于所分析的體積小，檢測的絕對感量極限值約為

10-14g，主元素定量分析的相對誤差為(1—3)%，對原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%

以上的時，其相對誤差通常小于2%。不損壞試樣、分析速度快EPMA可自動進行多種分析方法，并自動進行數(shù)

據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，對含10個元素以下的試樣定

性、定量分析，新型EPMA在30min左右可以完成。如果用EDS進行定性、定量分析，幾min即可完成。對表面不平的大試樣進行元素面分析時，還可以自動聚焦分析。分析過程中一般不損壞試樣，試樣分析后，可以完好保存或繼續(xù)進行其它方面的分析測試，這對于、古陶瓷、古硬幣及等的稀有試樣分析尤為重要。微區(qū)離子遷移研究多年來，還用電子探針的入射注入試樣，來誘發(fā)離子遷移，研究固體中微區(qū)離子遷移動力學、離子遷移機理、離子遷移種類、離子遷移的非均勻性及固體電解質(zhì)離子遷移損壞過程等，已經(jīng)取得了許多有價值的結(jié)果。SEM特點放大倍率高，幾十倍－幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)，倍率選擇要根據(jù)試樣特點。分辨率高，W燈絲SEM分辨率：3nm-6nm,場發(fā)射SEM分辨率可達到1nm

景深大，圖像

感強，可對粗糙不平的斷口試樣觀察。保真度好，試樣

簡單

，保存試樣原貌。3掃描電鏡的分辨率掃描電鏡的分辨率：能將樣品表面細節(jié)放大，其分辨率是指掃描電鏡圖像中能肉眼分辨出的兩點之間的最小距離。顯微鏡（包括掃描電鏡、透射電鏡和光學顯微鏡）的分辨率d理論上可以用貝克公式來表述：加速電壓越高， 的波長也就越短，掃描電鏡理論分辨率也相應更優(yōu)。根據(jù)公式可知，加速電壓30kV，透鏡孔徑半張角10mrad時，掃描電鏡的理論分辨率小于0.09A。目前最好的掃描電鏡實際可達到的分辨率為0.8nm(30kV,二次電子像)，0.4nm(30kV,掃描透射像)；0.9nm(1kV,二次電子像)。λ為

的波長；α為透鏡孔徑半張角；n為透鏡和樣品之間介質(zhì)的折射率（在掃描電鏡的真空環(huán)境下可認為是1）。碳襯底上金顆粒表面形貌Jeol

6700F（×300,000）;

b)Hitachi

S4800（×220,000）;

c)

FEI

Magellan

400

（×500,000）上圖為幾種不同類型掃描電鏡對碳基體上金顆粒（所謂分辨率測量標準樣品）進行形貌觀察得到的二次電子像；如果二次電子像分辨率為1nm，在

上用肉眼清晰辨別間距為1nm的兩點，則需要至少放大0.1mm/10-9m（100,000倍）。考慮到誤差等因素，目前掃描電鏡制造商要提供具有1nm分辨率則需要提供150,000-250,000倍清晰的圖像；由圖中可知，不管哪種掃描電鏡，只要其標稱分辨率為1nm(30kV)的掃描電鏡均能對分辨率標準樣品得到200,000倍以上清晰的圖像，圖像質(zhì)量無明顯區(qū)別。因此，目前影響掃描電鏡性能的關鍵指標是低電壓下的分辨率。隨著透鏡系統(tǒng)的改善、 模式的應用以及單色器或者色差校正器的引入使得掃描電鏡在低電壓下的分辨率顯著提高，這為納米材料的研究提供了方便、可靠的表征工具。右圖給出了加速電壓為2kV下500,000和1,000,000倍下二次電子圖像，樣品為不銹鋼基體上外延生長氧化鉭薄膜，薄膜上引入Pt顆粒作為催化劑。氧化鉭襯底上Pt顆粒形貌（二次電子像，×1,000,000）直徑為3nm左右的Pt顆粒可以被清晰地表征出來。NaYF4納米球形貌（STEM模式，1,600,000倍）a明場像；b暗場像上圖給出了放大倍率為1,600,000倍（標稱倍率為4,000,000倍，實際倍率約為

1,600,000。這種差別是由于不同倍率計算方式產(chǎn)生）的STEM明場和暗場像，樣品為NaYF4顆粒。由圖中可知，所制得的顆粒高度分散且均勻，顆粒尺寸約為15nm。目前掃描電鏡在低電壓下 優(yōu)秀的分辨率。3影響分辨率的因素與理論值相比，掃描電鏡的實際分辨率還是相差10-100倍。這個巨大的差異主要是由以下三個因素導致的：透鏡的球差、色差等像差；入射 同樣品相互作用降低了分辨率；信噪比也影響了掃描電鏡的分辨率。球差通過透鏡則聚焦在高斯球差是由于透鏡邊緣部分對入射電子的折射比旁軸部分更強而導致的。旁軸后在高斯像平面與光軸的焦點上聚焦；由于折射角度的不同，非旁軸的像平面的左側(cè)。因此，對于一個點源在通過透鏡后不能在高斯像平面上形成清晰的聚焦點，而是在光軸靠近高斯像平面附件一定距離內(nèi)成像(如圖1-5a所示)。在這段距離內(nèi)可以找到一個位置使點源在該平面成像較清晰、且具有最小直徑的園斑（球差擴散彌散圓）。球差擴散彌散圓直徑可以表述為以下公式：α為透鏡孔徑半張角；Cs為球差系數(shù)。球差和色差示意圖球差擴散彌散圓直徑正比于孔徑半張角的三次方，同時樣品電流與孔徑半張角的平方成正比。要想得到進行能譜或者背散射衍射分析所需要的大電流，必然會導致透鏡球差顯著增加。因此，這兩者之間是一對

體。一般來說要想獲得高分辨率的圖像，就應盡量減少球差，采用小孔光闌擋住 ，這會大大降低樣品電流，從而無法得到進行能譜或者背散射衍射分析所需的束流。球差系數(shù)與透鏡的焦距成正比關系，一般來說，透鏡焦距越長，其球差系數(shù)也就越大。而工作距離指的是透鏡極靴下表面與試樣表面之間的距離，隨著工作距離的增加其透鏡聚焦焦距也相應增加，透鏡球差系數(shù)也相應增加。因此，一般要獲得高分辨率的圖像應采用較小的工作距離，以保證球差擴散彌散圓足夠小。色差色差是由于電子槍產(chǎn)生的電子經(jīng)過加速后形成的高能

能量存在一定的能量擴展范圍，能量大的電子焦距較長，反之，能量小的電子相應焦距較短。也就是說透鏡對能量大的電子的偏轉(zhuǎn)作用小于能量較小的電子。一束高能電子經(jīng)過透鏡后不會聚焦成為一個點，而是形成一個色差擴展彌散斑，其直徑可以表示為：Cc是色差系數(shù)；E0為入射電子能量；和能量擴展范圍；是透鏡孔徑半張角。色差導致的彌散斑直徑與入射電子能量成反比，也就是加速電壓越低，入射電子能量就越小，相應地色差就越大。衍射效應限定衍射效應限定主要來自艾里斑，即一個無限小的理想點光源經(jīng)過會聚透鏡成像后，由于光闌限制的光束產(chǎn)生衍射，從而使得其所成的像不是一個點，而是一個由不同直徑明暗相間的衍射環(huán)包圍著的亮斑-艾里斑。根據(jù)瑞利判據(jù)，如果兩個點光源之間的距離使得它們通過透鏡形成的艾里斑中心距離等于第一級暗環(huán)的半徑，且兩個亮斑之間的光強度與峰值的差小于或者等于19%,則可認為該距離是衍射效應的極限分辨率，即衍射效應擴散斑直徑。其可以用下式來表示：衍射效應限示意圖波長與加速電壓關系示意圖加速電壓與

波長的關系。當加速電壓降低時，波長變長，相應的衍射效應分辨率也變差。綜上所示，球差、色差和衍射效應均會對掃描電鏡分辨率帶來影響，最終分辨率可以表述為：Ib為入射流；а為透鏡半張角；β為電子槍亮度；d0為高斯斑直徑。掃描電鏡的分辨率主要受入射電子的能量即入射電子的加速電壓、透鏡孔徑半張角、 能量擴展范圍、電子槍亮度、球差系數(shù)、色差系數(shù)等等因素的影響。加速電壓的影響加速電壓降低時，入射電子能量E0也相應降低，加速電壓為1kV時，電子獲得的能量僅為加速電壓為30kV的1/30。隨著入射電子能量的降低，在低加速電壓下透鏡的色差會顯著增加，從而大大增加色差擴散斑直徑；當加速電壓的降低到小于5kV時，也會使得波長顯著增加，從而使得由于衍射效應導致擴散斑直徑顯著增加。低電壓導致色差增加和衍射效應擴散斑增大，從而顯著降低其分辨率。透鏡孔徑半張角的影響掃描電鏡透鏡半張角是影響其分辨率的關鍵因 一，其對色差、球差和衍射效應形成的擴散斑直徑都會有重要影響。半張角越小，其色差和球差就相應越小；隨著半張角的減小其衍射效應限制就會越大。在相同的束流大小和電子槍亮度的情況下，半張角越小，在高斯平面像上形成的最小彌散斑直徑就會越大，從而顯著降低其最終分辨率。因此，要想得到最佳分辨率，必須平衡各種影響，選擇一個合適的半張角。表1為不同球差系數(shù)和加速電壓下，理論計算的最佳半張角值。Cs(

10-

2·cm)аop(10-2rad)VA=

30kVVA=

15kVVA=

1kV110.9771.0661.49191.0271.1201.56871.0951.1951.67151.1901.2981.81631.3831.4762.0652.51.4181.5472.16421.4891.6242.2721.51.6091.7542.45411.7761.9372.7090.52.1172.3083.2290.13.1743.4494.826表1

不 壓和球差系數(shù)下的最佳半張角αop值電子槍亮度電子槍亮度是電鏡電子光學系統(tǒng)的重要參數(shù)之一。掃描電鏡要成像，必須要有足夠的信噪比。在滿足基本信噪比要求的最小樣品電流的情況下，電子槍亮度越大，則相應的高斯平面像上形成的最小彌散斑尺寸最小，相應圖像的分辨率也就越高。提高電子槍亮度是獲得高分辨率掃描電鏡圖像的一個重要方向之一。3.能量擴展范圍△E能量擴展范圍△E會對色差產(chǎn)生重要影響，擴展范圍越大，相應色差就越大。尤其是在低加速電壓下，E0較小，能量擴展范圍△E些許的增加都會導致色差的顯著增加。因此，對低壓掃描電鏡來說，獲得盡可能小的 能量擴展范圍是提高其分辨率的重要 之一。總之，電鏡分辨率由

斑直徑?jīng)Q定。

斑直徑受多個因素影響，這些因素相互制約。只有綜合多種因素才能獲得最佳分辨率的電鏡。日立S-4700掃描電鏡束斑大小同孔徑半張角以及工作距離的關系:隨著半張角α的增加 斑直徑先降低然后再增加；且隨著加速電壓的降低，斑直徑也顯著增加。同樣半張角的情形下，2kV加速電壓的束斑直徑約為20kV加速電壓下的2.5倍，即在同樣電流、工作距離等情形下2kV圖像的分辨率要比20kV低2-3倍。圖像分辨率。在圖a中曲線的拐點即為最佳的半張角，在該半張角下束斑直徑最小，相應分辨率也最高。圖b為

斑直徑與工作距離的關系。隨著工作距離的增加，球差系數(shù)cs也相應增加，導致ds增加，最終導致束斑直徑也相應變大。在20kV下，工作距離

3mm的束斑直徑約為1nm，而15mm工作距離時束斑直徑約為2.5nm。這表明：在20kV下，該電鏡的最佳分辨率約為1nm；而2kV的最佳分辨率僅為2.5nm。斑直徑與半張角和工作距離關系除了 斑直徑外，掃描電鏡的分辨率還和另外兩個因素密切相關。一個是與樣品的作用范圍，另一個是信噪比。與樣品的相互作用電子在進入固體后，將在其中發(fā)生一系列的散射，這些散射過程根據(jù)能量變化與否可以分為彈性散射和非彈性散射兩個基本過程。彈性散射導致大的角度變化從而主要導致電子在固體中擴散；與此同時非彈性散射導致電子方向改變較小，但主導了能量的變化。入射電子與固體原子的彈性散射是原子核及核外電子云的庫侖勢對電子的散射，此時原子不被激發(fā)，電子與原子體系在散射前后總動能及總動量保持守恒，運動方向發(fā)生變化。實際上，由于散射中有較大的動量轉(zhuǎn)移，原子的反沖作用將導致電子有小的能量損失，但由于電子的質(zhì)量遠遠小于原子核的質(zhì)量（三個數(shù)量級），這種損失在小能量電子散射情況下可以忽略不計，但對于較大能量（>10keV）電子在輕原子核的大角散射下，其能量損失將可以被探測。入射電子與樣品發(fā)生作用后發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞示意圖（1）單電子激發(fā)：入射電子和和固固體內(nèi)電子碰撞，使其發(fā)生電離或激發(fā)到真空能級；即價電子激發(fā)和內(nèi)層電子激發(fā)。受激的價電子可以成為游離態(tài)的

電子，二次電子中的絕大部分是由它們組成。金屬和半導體的價電子也可以從導帶中較低的能態(tài)躍遷到較高的空態(tài)，稱作帶內(nèi)躍遷；或是從價帶躍遷到導帶，稱為帶間躍遷，產(chǎn)生電子-空穴對。內(nèi)層電子受激脫離束縛能，留下空穴，對三能級以上原子，會或發(fā)生俄歇躍遷，發(fā)射俄歇電子；或發(fā)生電子能級躍遷，發(fā)射特征X射線。低能入射電子與固體原子的碰撞過程中，產(chǎn)生價電子激發(fā)的幾率遠遠大于內(nèi)層電子激發(fā)的幾率。一般來說，在價電子激發(fā)過程中，入射電子的能量損失相對于其能量來說較小，發(fā)生大角度散射的幾率也很小，因此價電子激發(fā)不會使入射電子的方向發(fā)生顯著變化。內(nèi)殼層電子激發(fā)中盡管可能有大的能量損失，但其電離截面很小，因而使電子發(fā)生大角度散射的幾率也不大。電子在固體中的作用會激發(fā)固體

電子的運動

度，滿足體系能量、動量守恒，導致入射電子發(fā)生能量損失，即電子在固體中的非彈性散射。對于能量為10-

104

eV的電子，這一過程主要伴隨幾種不同的機制的激發(fā)，電子將有能量的損失和運動方向的變化。非彈性散射的機制主要包括（如圖1-12所示）：非彈性碰撞激發(fā)信息示意圖2等離激元激發(fā)：入射電子使樣品中的價電子云相對于正離子實發(fā)生集體振蕩，激發(fā)等離子體激元。對于近完全

的價帶電子和導帶電子，它們可以在正離子實的背景上形成電荷密度的一種集體震蕩，其波動頻率或量子能量ωp有確切的值，它與價電子密度有關。因為它是正、負電荷組成的等離子體的固體對應，其能量子（約為5-30eV

）稱為等離子體激元（Plasmon）。入射到固體中的電子，只要能量高于ωp，就可以激發(fā)離子體激元振蕩。3聲子激發(fā)：入射電子使樣品中的晶格振動加劇，激發(fā)出聲子（晶格振動的能量量子），使入射電子能量減小。一般情況下，聲子激發(fā)能量損失較小，通常可以忽略處理。4

軔致輻射：入射電子在原子核的庫侖力作用下突然

，電子損失的部分能量以輻射光子的方式出射，形成X射線連續(xù)譜。電子在散射過程中的大角度散射主要發(fā)生在與原子碰撞的彈性散射過程中，而與電子碰撞的非彈性散射的作用主要是引起運動電子的能量損失，決定損失能量在材料中的分布，并產(chǎn)生二次電子、X光子、俄歇電子或光電子等信號。激發(fā)出的這些信號攜帶著與物質(zhì)材料性質(zhì)相關的信息，因此常被用來作為電子能譜學中的收集信號。掃描電鏡中的

作用在樣品上時，能產(chǎn)生多種信號。信號類型

子束作用深度有關，信號的范圍和分辨率取決于加速電壓和材料類型。圖1-13給出了掃描電鏡中入射與樣品作用后作用范圍和信號產(chǎn)生范圍的示意圖，同時給出了出射電子的相應信號范圍。下圖給出了典型的各種信號的能量分布圖，可以看到大量的電子處于低能端以及高能端，在兩者之間的能譜背景上疊加了一些特征峰。根據(jù)這些電子的能量可以分為三類：二次電子（<50

eV），背散射電子（>50

eV）以及特定能量位置的俄歇電子（Augerelectron,

AE）。各種信號激發(fā)機制及有效信號深度分布。其中PE為入射電子，SE為二次電子，BSE為背散射電子，AE為俄歇電子。俄歇電子最初由法國科學家P.

Auger[17]發(fā)現(xiàn)并給予解釋。俄歇電子是由于內(nèi)殼層空穴被外殼層電子填充的同時

出的能量激發(fā)另一個外殼層電子而產(chǎn)生的。由于整個過程僅涉及到元素

能級，因此所產(chǎn)生的俄歇電子能量也是與元素相關的，可以用于鑒別元素。俄歇電子可以應用于俄歇電子能譜（Augerelectronspectroscopy,

AES）以及掃描俄歇探針（scanning

Auger

microscope,SAM）。二次電子是掃描電子顯微鏡中應用最多的信號，由圖可以看到其信號量較大，且由于其能量較低，易通過電場收集。不僅如此，二次電子的非彈性散射平均程很短，非常容易損失能量，因此其作用范圍集中于表面及亞表面，適合于對材料表面的分析。同時二次電子極易受到實驗條件以及材料變化的影響，由此可以利用其得到多種實驗可觀測的襯度。電子與固體相互作用所產(chǎn)生電子能譜圖二次電子二次電子能量a)及電子產(chǎn)額

b)分布圖對大多數(shù)材料來說，二次電子產(chǎn)額一般為0-0.1。金元素的二次電子產(chǎn)額約為0.2，而碳元素的二次電子產(chǎn)額僅為0.05。一般來說，要獲得最高的二次電子產(chǎn)額，其二次電子的產(chǎn)生深度大部分應集中在平均

程深度。按照來源的不同，二次電子可以分為三類:SE1主要是是產(chǎn)生于樣品表面1-10nm范圍內(nèi)的二次電子，它的電子數(shù)最多，因而它對圖像成像的貢獻最大。SE2主要是在入射電子作用區(qū)域內(nèi)由背散射電子激發(fā)產(chǎn)生的二次電子，在高加速電壓下(>5kV)產(chǎn)生SE2二次電子的產(chǎn)生深度約為0.1-1μm，低加速電壓下產(chǎn)生深度約為5-50nm。對重元素來說，SE2的產(chǎn)額約為SE1的1.5倍；而對輕元素來說，SE2的量僅為SE1的1/5。SE3通常被稱為“系統(tǒng)電子”，因為它主要是由于背散射電子同掃描電鏡物鏡底部作用后產(chǎn)生的二次電子。在某些半浸沒式透鏡系統(tǒng)的掃描電鏡中，在低加速電壓下SE3可以用來增加透鏡內(nèi)探測器所能探測到的二次電子信號量。掃描電子顯微鏡中二次電子的分類二次電子產(chǎn)額與入射電子能量關系二次電子產(chǎn)生機制研究二次電子在

產(chǎn)生的理論需要提供

電子激發(fā)的機制以及相關的源函數(shù)S(E)

，即能量為E的電子產(chǎn)生能量為ES的二次電子的幾率。電子的輸運過程的理論研究是針對于電子在樣品中連續(xù)的擴散過程，其中包括電子的級聯(lián)和

過程。在實際的研究中，由于實驗中二次電子產(chǎn)額約為1，可以理解級聯(lián)過程的存在，這意味著對于每個入射電子，將在表面以下很淺的二次電子逃逸深度內(nèi)產(chǎn)生1-2個二次電子，而

的二次電子將產(chǎn)生在更深的地方并最終被吸收。實驗觀測到的能量與角度分布無法反映原始的激發(fā)特征，其會被二次電子的級聯(lián)過程所掩蓋。因此正確的描述二次電子的級聯(lián)過程在理論計算二次電子出射中是非常重要的。對于電子輸運的解析計算一般基于求解Boltzmann輸運方程等方法，然而這類方法對輸運過程中復雜的級聯(lián)現(xiàn)象難以描述，同時也不適用于任意邊界的情況。Monte

Carlo方法對于電子輸運過程的計算則有著天然的優(yōu)勢。使用MonteCarlo方法模擬電子輸運過程如下圖所示，當能量為EP的電子（作為經(jīng)典電子處理）以入射角θ0入射至固體中后，根據(jù)其性以及非彈性散射的截面，可以通過隨機數(shù)抽樣來得到其飛行的步長如S0、S1、S2，彈性或者非彈性散射導致的角度改變θ、φ以及非彈性散射中的能量損失ΔE，并且其能量損失將進一步級聯(lián)產(chǎn)生能量為E2的二次電子或俄歇電子等等，這樣就可以通過一系列隨機數(shù)模擬整個輸運過程。MonteCarlo模擬電子輸運的示意圖。其中EP為入射電子能量，θ0為入射角度，S0、S1、S2為散射前電子 飛行的步長，θ、φ為彈性或非彈性散射的角度改變，

ΔE為能量損

失，Ｅ２為級聯(lián)電子或X射線的能量。考慮到Bethe本領僅在高能情況下成立，Rao-Sahib和Wittry通過假設的拋物線函數(shù)經(jīng)驗的將Bethe本領外推到低能區(qū)域，其被廣泛的應用于計算低能電子的慢化。但這個公式給出的

本領與能量的依賴關系與Lindhard介電函數(shù)所的是相反的[70]并過高估計了低能電子的能量損失。為了模擬二次電子的產(chǎn)生，在能量損失的過程中加入了二次電子的激發(fā)，如通過

本領公式或者上文提到的Streitwolf公式，但在這些處理中都需要引入調(diào)節(jié)參數(shù)來使二次電子產(chǎn)額與實驗符合。對于隨后的二次電子產(chǎn)生后的出射過程，Joy簡單的采用指數(shù)衰減率來描述，Luo等人則引入專門的二次電子產(chǎn)生的級聯(lián)以及出射模型。因此，采用一致的模型來處理電子的非彈性散射以及二次電子產(chǎn)生和出射是必要的。改進的無參數(shù)光學介電函數(shù)外推方法由Penn]在1987年提出，該方法基于Quinn對電子自能虛部的計算以及改進了的統(tǒng)計近似（由Lindhard等發(fā)展并曾被Tung等人用于計算平均

程），利用Lindhard介電函數(shù)來外推光學介電函數(shù)。當時由于計算能力的限制，Penn同時給出了一種簡化的算法，即單極近似，其中Lindhard介電函數(shù)被簡化為沿著其等離子體激元色散曲線的δ函數(shù)。該方法被迅速用于Monte

Carlo模擬中用以描述分立的電子非彈性散射過程。該方法不僅能夠很好的符合Bethe 本領，同時其給出的非彈性平均 程對于許多元素及化合物在極廣泛的能量區(qū)域與實驗結(jié)果保持一致。之后單極近似被廣泛的應用于電子輸運過程的MonteCarlo模擬。然而最近的研究表明對于Al之類的

電子金屬，特別是在電子能量低于等離子體激元激發(fā)閾值時，單極近似低估了低能電子的能量損失的幾率，即忽略了低能電子激發(fā)費米電子形成電子-空穴對的過程。為了能夠更好的在Monte

Carlo模擬中描述二次電子的產(chǎn)生以及級聯(lián)過程，重新采取了Penn原始給出的方法，這里稱之為full

Penn方法。模擬結(jié)果表明，Al的二次電子產(chǎn)額和能譜較單極近似能夠更好的與實驗符合。二次電子圖像襯度(1)形貌襯度：這是二次電子圖像中最為重要的襯度機制。如圖1-19

(a)所示，由于二次電子的產(chǎn)額會隨著

與表面法線方向夾角的增加而增大，而由于局部區(qū)域形貌的變化導致電子入射角度的變化從而會產(chǎn)生襯度。而在類似于圖1-19

(b)的情況下，由于二次電子出射后會被遮蔽而無法被檢測器接收，進而導致產(chǎn)額下降，在圖像上會形成較暗的區(qū)域，這種情況被稱為遮蔽效應（shadowing

effect）。此外，在臺階結(jié)構(gòu)中邊緣會有很高的二次電子產(chǎn)額，一個原因就是入射電子的軌跡本身就處于二次電子的發(fā)射區(qū)域，這樣由入射電子產(chǎn)生的SE1有

的幾率出射。更重要的是邊緣本身就處于入射電子以及背散射電子的作用范圍內(nèi)，這將導致

的二次電子出射，圖1-19(c)描述的即這種情況。這種邊緣導致高二次電子產(chǎn)額的效應稱為邊緣效應（edgeeffect）。圖1-19掃描電子顯微圖像的形貌襯度機制。（a）由于相對入射電子不同的傾斜角導致二次電子產(chǎn)額不同。（b）遮蔽效應：由于在縫隙中產(chǎn)生的二次電子被遮蔽而無法到達檢測器導致二次電子產(chǎn)額降低。（c）邊緣效應：由于邊緣處于

的作用范圍內(nèi)導致二次電子產(chǎn)額極大增加。其中λ為二次電子逃逸深度，R為入射電子作用范圍。(2)材料襯度：由于材料的不同，將會導致二次電子產(chǎn)額的不同。圖1-20給出了碳襯底上的金顆粒在不同加速電壓下二次電子像，襯底的碳元素和上面的金元

間原子序數(shù)存在巨大差別，因此兩者在二次電子電子圖像中有圖像襯度。由圖中可知，在120,000倍的放大倍率下，碳襯底上分布著大量的尺寸約為5nm的金顆粒。當加速電壓為20V時，金顆粒與碳襯底之間襯度幾乎沒有區(qū)別，有些金顆粒甚至出現(xiàn)比碳襯底更黑的現(xiàn)象；隨著加速電壓增加到100V時，金顆粒與碳襯底之間襯度也不明顯，局部碳襯底甚至比金顆粒更白；加速電壓增加到200V時，金顆粒與碳襯底之間的襯度差別也不明顯。當加速電壓為500V時，金顆粒明顯呈現(xiàn)比碳襯底亮得多的襯度；加速電壓進一步增加至1kV直至

5kV時，金顆粒與碳襯底之間襯度差變化不明顯，但總體呈現(xiàn)金顆粒比碳襯底要更亮的趨勢。這種不同原子序數(shù)材料呈現(xiàn)的襯度差變化可以通過蒙特卡洛模擬計算出碳元素和金元素二次電子產(chǎn)額的變化來解釋。圖1-21給出了模擬計算得到的兩種元素二次電子產(chǎn)額隨加速電壓變化的曲線。采用full

Penn方法模擬得到的Au和C的二次電子產(chǎn)額隨入射能量的變化當加速電壓為100V時，碳元素的二次電子產(chǎn)額約為0.38,金元素的產(chǎn)額約為0.42；加速電壓為200V時，碳元素的產(chǎn)額增加為0.45，金元素的產(chǎn)額為0.61；當加速電壓為500V時，兩種元素二次電子產(chǎn)額相差最大。隨著加速電壓的進一步增加（如1kV,2kV和5kV），兩者的二次電子產(chǎn)額之間的差減小，這意味著兩者間的襯度差會變小，但同時隨著加速電壓增加背散射電子的產(chǎn)額也相應增加，導致由背散射電子引起的二次電子產(chǎn)額增加。在兩者的共同作用下，碳襯底和金顆粒之間襯度差幾乎保持500V時的不變,即金顆粒呈現(xiàn)比碳顆粒更亮的襯度。不同加速電壓下碳襯底上金顆粒形貌

a)20V;b)50V;c)100V;d)200V;e)500V;f)1000V(3)電位襯度：由于樣品不同區(qū)域表面荷電狀況的不同，會導致二次電子探測器接受到的二次電子數(shù)量不同，在圖像中表現(xiàn)為形成暗的或者亮的區(qū)域。這種由于表面荷電不同形成的襯度被稱為電位襯度。以下以電位襯度在碳化硅外延膜厚度測量中的應用為例來說明電位襯度的作用。以碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶材料，是繼Si和CaAs之后的第三代半導體。與Si相比，

SiC具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點，特別適合制作高溫、高壓、大功率、耐輻照等半導體器件;同時又是一種有效的半導體發(fā)光材料;SiC寬帶隙和低電流等特點使它成為紫外敏感器件的較好候選材料;此外SiC還成為條件下MEMS的主要候選材料。SiC材料的這些優(yōu)越的特性，使它在國民經(jīng)濟和軍事領域中有著廣泛的應用前景。目前大部分碳化硅器件并不是制作在體晶晶片上而是制作在外延層上，因為外延層缺陷少，晶格排列整齊，比直接的體晶襯底性能好，在外延層上制造半導體器件，性能更加優(yōu)越。因此SiC晶體材料的外延生長成為發(fā)展SiC半導體技術(shù)的關鍵因

一。目前SiC存在的難點之一是獲得厚度可控的大面積晶片「9」。因此碳化硅單晶上外延生長的碳化硅外延層的厚度測量是獲得厚度可控的晶片的重要表征技術(shù)。目前對4H-SiC

同質(zhì)外延薄膜厚度數(shù)據(jù)是利用傅里葉變換紅外光譜（FourierTransform

Infrared

Spectromtry)儀測試得到的。其測量原理是根據(jù)

4H-SiC

同質(zhì)外延薄膜表面和襯底表面之間的折射光的光程之差，然后通過相關運算獲得

4H-SiC

同質(zhì)外延薄膜的厚度。該方法得到是測量點的厚度信息，對外延層厚度的均勻性無法表征。掃描電鏡法進行厚度測量時，由于制樣簡單，測量過程直觀，且能同時給出厚度均勻性信息，在外延層和涂層厚度測量中發(fā)揮了重要作用。目前 對厚度的測量很多都采用掃描電鏡法。在用掃描電鏡進行厚度測量時，必須要確保圖像中外延層和碳化硅單晶晶片具有襯度差，能清晰地辨認出外延層和晶片。由于碳化硅同質(zhì)外延層和晶片的化學組成是同質(zhì)，即均

為碳化硅。不管是二次電子像還是背散射電子像均很難顯示出外延層，從而無法進行厚

度測量。碳化硅單晶晶片斷面拋光后的二次電子像加速電壓5KV加速電壓:2KV加速電壓1KV加速電壓0.5KV上圖完全無法區(qū)別晶片層和外延薄膜層，不能得到相應厚度信息。因為碳化硅單晶晶片和外延層薄膜的組成均為SiC，其平均原子序數(shù)無區(qū)別，所以無法用背散射電子像來區(qū)別晶片和外延薄膜；且晶片與外延層的晶體結(jié)構(gòu)和晶體取向也完全相同，采用一般二次電子像也無法進行區(qū)別。同加速電壓5kV時相比，當加速電壓為2kV時，外延層薄膜隱約可見；加速電壓為1kV時，外延層薄膜可清晰辨別；加速電壓進一步降低至0.5kV時，外延層薄膜反而變得更不能辨別了。由圖中可知，外延層與晶片之間結(jié)合較好，且厚度均勻，其平均厚度約為873nm。加速電壓5KV加速電壓:2KV加速電壓1KV加速電壓0.5KV晶片為摻氮的摻氮6H-SiC單晶(N型半導體)，其電阻率約為0.3Ω·cm，屬于半導體。外延層薄膜是碳化硅本征半導體，其電阻率約為65Ω·cm，屬于半絕緣體。如圖3所示，當電子而碳化硅束在晶片和外延層薄膜上掃描時，由于外延層薄膜的導電性更差，在外延層更容易產(chǎn)生荷電現(xiàn)象，因此，可以通過荷電產(chǎn)生的電位襯度來區(qū)別基體和薄膜掃描樣品截面e-（碳N化型硅半單導晶體）e-e-

e-

e-

e-（碳

本化征硅半單導晶體）荷電碳化硅外延層和基體電位襯度產(chǎn)生機理荷電與材料的二次電子以及背散射電子產(chǎn)額率直接相關，如圖1-24所示，在1kV時，二次電子以及背散射電子產(chǎn)額率相差最大，因此在該加速電壓下，基體與薄膜之間荷電電子的數(shù)量相差最大。因此，只有在該電壓下，才能通過荷電襯度清晰區(qū)別碳化硅基體和薄膜。SiC單晶(本征半導體)SiC單晶(N型半導體導體)二次電子產(chǎn)額率δ0.51

2加速電壓（kV）碳化硅二次電子產(chǎn)額與加速電壓關系(3)電子通道及晶體襯度：對于晶體，由于電子通道效應會導致背散射電子的不對稱性，進而導致二次電子產(chǎn)額的變化。樣品中晶粒取向不同的時候，會在不同區(qū)域形成襯度。下圖給出了某種合金拋光后的表面二次電子形貌，由于材料組分均勻且表面光潔，無法形成元素襯度和成分襯度像。因此，其表面圖像襯度極低。圖1-25b給出了同樣放大倍率下，采用角度選擇探測器得到的背散射電子通道像。由圖中可知，該材料晶粒尺寸約為8-15微米，這些晶粒的組分都一致，不同襯度的晶粒代表著不同取向的晶粒。某種合金表面形貌二次電子形貌像；

b)電子通道襯度像電子通道襯度圖像對樣品表面光潔度要求較高，一般地機械拋光較難得到最佳效果，最好的方式是采用氬離子刻蝕技術(shù)對材料進行拋光以確保通道效應襯度更清晰顯示。圖1-26給出了采用砂紙拋光、石液體磨拋以及氬離子刻蝕三種方法得到的Ni合金表面電子通道效應襯度像。由圖中可知，采用砂紙磨后表面僅有劃痕，無法形成通道效應襯度；采用石液體磨拋后表面還存在部分劃痕，能顯示不同晶體取向的晶粒，但晶粒之間襯度差不明顯；采用氬離子刻蝕后的圖像，通道效應襯度明顯，且不同取向的晶粒之間能清晰辨別。Ni合金表面通道效應襯度像a)砂紙磨；b)

石液體磨拋；c)氬離子刻蝕背散射電子在低加速電壓下，由于Mott彈性散射截面的影響，背散射電子產(chǎn)額率

不同的規(guī)律。上圖給出了背散射電子產(chǎn)額同加速電壓的關系示意圖。當加速電壓小于5kV時，對于原子序數(shù)小于30的原子來說，背散射電子產(chǎn)額隨著入射能量的增加而降低；對于原子序數(shù)大于30的原子而言，則隨著入射能量的增加而增加。正是由于這種復雜的背散射電子產(chǎn)額關系，使得在低加速電壓下，背散射電子圖像的襯度會變得與高加速電壓下得到的信息完全不同。因此在低電壓下背散射電子像襯度會發(fā)生變化，在進行分析時要尤其謹慎。a)背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)的關系;b)材料背散射電子產(chǎn)額與加速電壓關系綜上所述，同高加速電壓相比，在低加速電壓下 與樣品的作用范圍顯著減小了，提高了空間分辨率，同時二次電子和背散射電子的產(chǎn)額也發(fā)生了明顯變化，這些變化導致在低加速電壓下材料表面的形貌特征會更傾向于真實的表面細節(jié)。掃描電子顯微鏡的分辨率最終是由產(chǎn)生成像信號(二次電子或背散射電子)的作用體積大小來決定，而作用體積的大小是由 在樣品表面聚焦形成的斑點直徑大小以及 在樣品內(nèi)作用深度和橫向直徑?jīng)Q定的。通過降低加速電壓，可顯著減少

在樣品內(nèi)作用深度和橫向直徑。但是當 加速電壓降低后，作用深度和橫向直徑的減小效應會被增加的 斑點直徑抵消，最終導致掃描電鏡加速分辨率的降低。信號噪聲比對分辨率的影響由式（7-6）可以看出，要提高信噪比P，可以采取以下措施：1提高IS：因為探測器接受到的信號IS是與

流IP成正比的，故可采用較大的電子束流來提高IS。提高

流有兩個途徑，一方面可增大束斑來增大束電流，但束斑增大會導致圖像分辨率下降，這是 不希望的；另一方面可改用高亮度電子源，如用場發(fā)射槍可達到提高IP的目的。2采用長的幀掃描時間τ：但由于電路穩(wěn)定度的限制，τ不能太長，目前掃描最慢速度約為100s。3減少像元數(shù)目，但這樣會降低圖像的清晰度。故提高信噪比的有效途徑是提高 亮度或適當延長幀掃描時間。分辨率測量掃描電子顯微鏡的分辨率一般按照慣例通過觀察二次電子圖像上可分辨的最短距離來確定，但這樣的確定方法顯然會引入

的人為因素而導致很大的不確定性。為了能夠得到一種不受人為因素影響，且能夠快速準確的測量掃描電鏡分辨率的方法，人們嘗試著提出了一些方法：間隙法：即操作者根據(jù)用于測量分辨率的Au/C的樣品（在表面有很多獨立的小顆粒）的掃描電鏡圖像，檢查表面高襯度的Au顆粒之間的距離并將分辨率定義為最短的間距。梯度法：首先需要計算水平以及垂直方向的微分圖像。局域分辨率定義為積分值由最大值的25%升至75%的距離（或者是10%-90%）。傅里葉變換方法：首先通過快速傅里葉變換將掃描電鏡圖像轉(zhuǎn)化為頻率譜，分辨率根據(jù)其中包含的最大的空間頻率所決定。襯度-梯度法：這種方法是對梯度法的一種改進。通過對局域分辨率的 平均，可以完全自動的得到圖像的分辨率。關聯(lián)方法：通過在相同的掃描電鏡圖像上選擇偏差了一定像素的兩個區(qū)域計算其關聯(lián)函數(shù)可以給出一個的峰，其峰位與中心的偏離等于連個圖像之間的像素差，而峰的半高寬可以認為是圖像分辨率的相應的瑞利判據(jù)。（為了檢測關聯(lián)法的有效性，Lorusso和Joy[256]利用了如圖1-28(a)-(c)的圖像來通過各個方法得到分辨率并進行了比較，其實通過構(gòu)成黑白兩色的圖并通過加以卷積一定寬度的高斯峰所給出的，其中R為高斯峰的寬度，即名義上的分辨率。圖1-28(d)則是Cizmar等人[257]通過公式產(chǎn)生表面上任意大小的顆粒分布并加以各種參數(shù)所給出的，其中包括邊緣效應、襯底的粗糙度、 聚焦以及儀器的 和漂移。）MonteCarlo法：MonteCarlo模擬得到的圖像可以是沒有任何外界干擾的理想圖像，通過這樣的圖像可以知道二次電子分辨率的極限。此外，儀器以及環(huán)境的影響可以進一步的通過改進MonteCarlo模擬來引入。利用MonteCarlo模擬得到的圖像可以優(yōu)化分辨率測量實驗的設置，并且如果樣品的詳細信息可以給出的話，通過Monte

Carlo模擬圖像與實驗圖像的對比還可以得到儀器的響應函數(shù)。圖1-29為等用Monte

Carlo模擬得到的二次電子圖像，每個像素點計算1000個電子入射，像素點之間間隔為0.1

nm。 ，可以看到即使對于0.2

nm這樣小的間距，二次電子圖像仍在兩個球之間給出了明顯的暗區(qū)。圖1-30為采用關聯(lián)法計算圖像中邊緣輪廓，然后再進行誤差函數(shù)匹配計算后給出的不同加速電壓下材料的分辨率測量示意圖。表1-2給出了不同加速電壓下所測得的圖像的分辨率。由表中可知，加速電壓小于1kV時，分辨率隨著加速電壓的減小而顯著變差；當加速電壓大于5kV時，分辨率隨加速電壓的增加而改善不明顯。目前掃描電鏡測量的最佳分辨率已經(jīng)達到了0.6nm(15kV)。采用關聯(lián)法進行分辨率測量示意圖綜上所述，同高加速電壓相比，在低加速電壓下 與樣品的作用范圍顯著減小了，提高了空間分辨率，同時二次電子和背散射電子的產(chǎn)額也發(fā)生了明顯變化，這些變化導致在低加速電壓下材料表面的形貌特征會更傾向于真實的表面細節(jié)。掃描電子顯微鏡的分辨率最終是由產(chǎn)生成像信號(二次電子或背散射電子)的電子束作用體積大小來決定，而作用體積的大小是由 在樣品表面聚焦形成的斑點直徑大小以及 在樣品內(nèi)作用深度和橫向直徑?jīng)Q定的。通過降低加速電壓，可顯著減少

在樣品內(nèi)作用深度和橫向直徑（圖5）。但是當

加速電壓降低后，作用深度和橫向直徑的減小效應會被增加的 斑點直徑抵消，最終導致掃描電鏡加速分辨率的降低。總而言之，隨著探測器技術(shù)和像差矯正技術(shù)的發(fā)展，同高加速電壓相比，低電壓下掃描電鏡圖像的信噪比提高了，分辨率也顯著提高。掃描電鏡的分辨率與入射 同樣品之間的相互作用密切相關,在 的作用下將材料內(nèi)層電子轟擊出來形成電離輻射。 與樣品的作用會使材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，這種損傷程度會隨著加速電壓的變化而變化。加速電壓越低，入射電子動能就越小，因此其對樣品的損傷也相應更小。但是，低加速電壓也會導致二次電子或者背散射電子信號的減弱和像差的增加，這是制約低加速電壓電鏡發(fā)展的重要因素。分析的基本原理EPMA和SEM都是用聚焦得很細的

照射被檢測的試樣表面，用X射線能譜儀或波譜儀，測量電子與試樣相互作用所產(chǎn)生的特征X射線的波長與強度，

從而對微小區(qū)域所含元素進行定性或定量分析，并可以用二次電子或背散射電子等進行形貌觀察。它們是現(xiàn)代固體材料微區(qū)成份、

形貌和結(jié)構(gòu)分析的最有用儀器之一。電子與固體試樣的交互作用一束細聚焦的轟擊試樣表面時，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，如二次電子、背散射電子、吸收電子、陰極發(fā)光和特征X射線等。電子與物質(zhì)相互作用各種信息在試樣中的深度二次電子特點入射電子使試樣原子較外層電子（價帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。特點：能量比較低(小于50eV),僅在試樣表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面。圖像無陰影效應；易受試樣表面狀態(tài)、電場和磁場的影響；SE的產(chǎn)額δ≒K/cosθ,K為常數(shù)，θ

為入射電子束與試樣表面法線之間的夾角，θ角越大，產(chǎn)額越高，所以對試樣表面狀態(tài)非常敏感；SE的產(chǎn)額還與加速電壓、試樣組成等有關。二次電子用于觀察表面形貌、電疇和磁疇等。二次電子探測器背散射電子特點背散射電子是指入射電子與試樣相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出試樣表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量(E。)。背散射電子的產(chǎn)額隨試樣的原子序數(shù)增大而增加，IZ2/3-3/4。所以，背散射電子信號的強度與試樣的化學組成有關，即與組成試樣的各元素平均原子序數(shù)有關。分辨率低于SEIBE、SE的信號強度與Z的關系背散射電子成份像和形貌像背散射電子成分像的主要用途：1、觀察單晶表面生長條紋和生長臺階。2、觀察不腐蝕樣品的拋光面元素及相分布,確定定性和定量分析點。3、析出相的觀察與分析。4、導電性差的試樣形貌觀察時，BEI優(yōu)于SEI。生長臺階的BEI和SEI背散射電子的強度還與試樣中的晶面取向及入射電子的入射方向有關。利用這種特性可以觀察單晶和大晶體顆粒的生長臺階和生長條紋。生長臺階和生長條紋的高差一般都很小，但背射電子像已有明顯襯度。例如單晶β—Al2O3生長臺階的背散射電子像表面清楚。如果用二次電子像觀察這類易產(chǎn)生污染的材料，不但臺階襯度小，而且圖像出現(xiàn)許多黑色污染斑。生長臺階的BEIβ—Al2O3β—Al2O3生長臺階SEI及污斑Al

X射線像ZrO2

BSIMg

X射線像特征X射線產(chǎn)生高能電子入射到試樣時，試樣中元素的原子內(nèi)殼層(如K、L殼層)電子將被激發(fā)到較高能量的外殼層，如L或M層，或直接將內(nèi)殼層電子激發(fā)到原子外，使該原子系統(tǒng)的能量升高——激發(fā)態(tài)，原子較外層電子將迅速躍遷到有空位的內(nèi)殼層，以填補空位降低原子系統(tǒng)的總能量，并以特征X射線或Auger電子的方式出多余的能量。如果原子的K層電子被激發(fā)，L3層電子向K層躍遷，所產(chǎn)生的特征X射線稱Kα1，M層電子向K層躍遷產(chǎn)生的X射線稱Kβ。特征X射線能級圖X射線產(chǎn)生原理2n2元素與特征X射線波長的關系電子探針和掃描電鏡用WDS或EDS的定性和定量分析時，就是利用 轟擊試樣所產(chǎn)生的特征X射線。每一個元素都有一個特征X射線波長與之對應：√＝

K(Z－σ)。

加速電壓V0＝（2—3）×Ve時，產(chǎn)生的特征X射線強度最高，根據(jù)所分析的元素不同，V0通常用10

kV－30kV。特征X射線名稱對應于不同殼層電子的躍遷。定性分析的基本原理用波譜或能譜，測量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X射線波長與強度，從而對試樣中元素進行定性、定量分析。定性分析的基礎是Moseley關系式:√

＝

K(Z－σ)

（

λ

＝C/

ν

)）式中ν為元素的特征X射線頻率，Z為原子序數(shù)，K與σ均為常數(shù)，C為光速。＝1.21103(Z

1)2組成試樣的元素(對應的原子序數(shù)Z)與它產(chǎn)生的特征X射線波長(λ)有單值關系，即每一種元素都有一個特定波長的特征X射線與之相對應，它不隨入射電子的能量而變化。如果用X射線波譜儀測量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X射線波長的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類。當σ≈1時，λ與Z的關系式可寫成:（?)EDS定性分析原理能譜定性分析主要是根據(jù)不同元

間的特征X射線能量不同，即E＝hν，h為普朗克常數(shù)，ν為特征X射頻率，

通過EDS檢測試樣中不同能量的特征X射線光子，即可進行元素的定性分析。EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射線譜峰往往相互

，必須正確判斷才能獲得正確的結(jié)果，分析過程中如果譜峰相互嚴重，可以用WDS和EDS聯(lián)合分析，這樣往往可以得到滿意的結(jié)果。定量分析的基本原理CA

CA＝K(

A)I樣中A元素的相對含量CA與該元素產(chǎn)生的特征

X射線的強度IA

(X射線計數(shù))成正比:CA∝IA，如果在相同的電子探針分析條件下，同時測量試樣和已知成份的標樣中A元素的同名X射線(如Kα線)強度，經(jīng)過修正計算，就可以得出試樣中A元素的相對百分含量CA:I

A儀器構(gòu)造電子探針儀的主要組成及結(jié)構(gòu)基本相同現(xiàn)在的電子探針與早期生產(chǎn)的電子探針，相比，操作面板的旋鈕和開關基本，設計更合理，操作簡化，分析過程和操作過程全部用計算機鼠標操作。，電子探針的主要組成部份?電子探針的主要組成部份為:1.

電子光學系統(tǒng)、2.

X射線譜儀系統(tǒng)、3.試樣室、4.計算機、5.掃描顯示系統(tǒng)、6.真空系統(tǒng)等。電子探針結(jié)構(gòu)的方框圖電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃描線圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的束流、盡可能小的、足夠大的電子直徑，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的X射線激發(fā)源。電子槍電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。它的主要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細聚焦(探針)。從加熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一個10μm～100μm交叉點（Crossover)，再經(jīng)會聚透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個小于1μm的

轟擊點。徑和束流隨電子槍的加速電壓而改變，加速電壓可變范圍一般為1kV～30kV。電磁透鏡電磁透鏡分會聚透鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡稱會聚透鏡，會聚透鏡一般分兩級，是把電子槍形成的10μm－100μm的交叉點縮小1－100倍后，進入試樣上方的物鏡，物鏡可將

再縮小并聚焦到試樣上。為了擋掉大散射角的雜散電子，使入射到試樣的電子束直徑盡可能小，會聚透鏡和物鏡下方都有光闌。小物鏡?為了在物鏡和試樣之間安置

的信號探測器，如二次電子探測器、能譜儀等，必須有一定的工作距離(W.D:

物鏡底面和試樣之間的距離)。工作距離加長必然會使球差系數(shù)增大，從而使電子束直徑變大，如果

幾何直徑為dg,

由于球差系數(shù)的影響，最終形成的 直徑

d應為：d2＝dg2＋ds2，ds為最小彌散圓直徑，它ds＝(1/2)Cs和球差系數(shù)Cs的關系為:2小物鏡α為探針在試樣表面的半張角。因此，增加工作距離受到球差的限制。為了解決這一，設計了一種小物鏡，是這類儀器的一項重要改進。小物鏡可以在不增加工作

距離的情況下，在物鏡和試樣之間安放更

多的信號探測器，如JCXA－733電子探針，工作距離為11mm。出射角出射角：X射