扫描电镜的分辨能力适用表征尺度范围

现代分析方法纳米材料的表征与测试技术分析科学现代方法正是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一，它不仅是研究的对象，而且又是观察和探索世界，特别是微观世界的重要手段，各行各业都离不开它。

随着纳米材料科学技术的发展，要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念，提高其灵敏度、准确度和可靠性，从中提取更多信息，提高测试质量、效率和经济性。

纳米科学和技术是在纳米尺度上（0.1-100nm之间）研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用，并且利用这些特性的多学科的高科技。

纳米科技是未来高科技的基础，而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。

因此，纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用。

纳米技术与纳米材料是一个典型的新兴高技术领域。

虽然许多研究人员已经涉足了该领域的研究，但还有很多研究人员以及相关产业的从业人员对纳米材料还不很熟悉，尤其是如何分析和表征纳米材料、如何获得纳米材料的一些特征信息。

为了满足纳米科技工作者的需要，本文对纳米材料的一些常用分析和表征技术，主要从纳米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、结构分析以及表面界面分析等几个方面进行简要阐述。

1. 纳米材料的粒度分析1.1粒度分析的概念大部分固体材料均是由各种形状不同的颗粒构造而成，因此，细微颗粒材料的形状和大小对材料结构和性能具有重要的影响。

尤其对纳米材料，其颗粒大小和形状对材料的性能起着决定性的作用。

因此，对纳米材料的颗粒大小、形状的表征和控制具有重要意义。

一般固体材料颗粒大小可以用颗粒粒度概念来表述。

对于不同原理的粒度分析仪器，所依据的测量原理不同，其颗粒特性也不同，只能进行有效对比，不能进行横向直接对比。

由于粉体材料颗粒形状不可能都是均匀球形的，有各种各样的结构，因此，在大多数情况下粒度分析仪所测的粒径是一种等效意义上的粒径，和实际的颗粒大小分布会有一定的差异，因此只具有相对比较的意义。

此外，各种不同粒度分析方法获得的粒径大小和分布数据也可能不能相互印证，不能进行绝对的横向比较。

MV_RR_CNJ_0010分析型扫描电子显微镜方法通则1.分析型扫描电子显微镜方法通则的说明编号JY/T 010—1996名称(中文)分析型扫描电子显微镜方法通则(英文)General rules for analytical scanning electron microscopy归口单位国家教育委员会起草单位国家教育委员会主要起草人林承毅 万德锐批准日期 1997年1月22日实施日期 1997年4月1日替代规程号无适用范围本通则适用于各种类型的扫描电子显微镜和X射线能谱仪。

定义主要技术要求 1.2. 方法原理3. 仪器4. 样品5. 分析步骤6. 分析结果表述是否分级无检定周期(年)附录数目无出版单位科学技术文献出版社检定用标准物质相关技术文件备注2.分析型扫描电子显微镜方法通则的摘要本通则适用于各种类型的扫描电子显微镜和X射线能谱仪。

2 定义2.1二次电子 secondary electron在入射电子的作用下，从固体样品中出射的，能量小于50eV的电子，通常以SE表示。

2.2背散射电子 backscattered electron被固体样品中的原子反射回来的入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子，通常以BSE表示。

它又称为反射电子(Reflected Electron)，以RE表示。

其中弹性背散射电子完全改变了入射电子的运动方向，但基本上没有改变入射电子的能量；而非弹性背散射电子不仅改变了入射电子的运动方向，在不同程度上还损失了部分能量。

2.3 放大倍数 magnification扫描电镜的放大倍数是指其图像的线性放大倍数，以M表示。

如果样品上长度为L s直线上的信息，在显像管上成像在L c 长度上，则放大倍数为M ＝－L L －c s扫描电镜的有效放大倍数与电子束直径有关。

如果样品上电子束编址的单位区域，即像素，小于电子束直径，每次取样传送的信息包含一个以上的像素，前后传送的信息互相部分重叠。

扫描电镜相关参数·关键技术参数1.分辨率：对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。

分辨率大小由入射电子束直径和调制信号类型共同决定。

电子束直径越小，分辨率越高。

但由于用于成像的物理信号不同，例如二次电子和背反射电子，在样品表面的发射范围也不相同，从而影响其分辨率。

一般二次电子像的分辨率约为5-10nm，背反射电子像的分辨率约为50-200nm。

2.放大倍数：当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度为As，在荧光屏阴极射线同步扫描的幅度为Ac，则扫描电镜的放大倍数为: M=Ac/As3.真空系统Pa4.加速电压Kv5.电子束电流 uA6.样品室内部尺寸mm7.样品台行程8.样品最大高度 mm·样品减薄技术复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能揭示晶体内部组织结构信息，受复型材料本身尺寸的限制，电镜的高分辨率本领不能得到充分发挥，萃取复型虽然能对萃取物相作结构分析，但对基体组织仍是表面性貌的复制。

在这种情况下，样品减薄技术具有许多特点，特别是金属薄膜样品：可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领；能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，把性貌信息于结构信息联系起来；能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的运动与交互作用。

·表面复型技术谓复型技术就是把金相样品表面经浸蚀后产生的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型”）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用于显示金属材料的显微组织有了实际的可能。

用于制备复型的材料必须满足以下特点：本身必须是“无结构”的（或“非晶体”的），也就是说，为了不干扰对复制表面形貌的观察，要求复型材料即使在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。

必须对电子束足够透明（物质原子序数低）；必须具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；必须具有良好的导电性，耐电子束轰击；最好是分子尺寸较小的物质---分辨率较高。

材料检测表征方法之扫描电镜自从1965年第一台商品扫描电镜问世以来，经过40多年的不断改进，扫描电镜的分辨率从第一台的25nm提高到现在的0.01nm，而且大多数扫描电镜都能与X射线波谱仪、X射线能谱仪等组合，成为一种对表面微观世界能够经行全面分析的多功能电子显微仪器。

在材料领域中，扫描电镜技术发挥着极其重要的作用，被广泛应用于各种材料的形态结构、界面状况、损伤机制及材料性能预测等方面的研究。

利用扫描电镜可以直接研究晶体缺陷及其产生过程，可以观察金属材料内部原子的集结方式和它们的真实边界，也可以观察在不同条件下边界移动的方式，还可以检查晶体在表面机械加工中引起的损伤和辐射损伤等。

1、扫描电镜的结构及主要性能扫描电镜可粗略分为镜体和电源电路系统两部分。

镜体部分由电子光学系统、信号收集和显示系统以及真空抽气系统组成。

1.1 电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。

其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。

为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

1.2 信号收集及显示系统检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。

现在普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。

1.3 真空系统真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染，一般情况下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。

1.4 电源系统电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。

2、扫描电镜工作原理扫描电镜由电子枪发射出来的电子束，在加速电压的作用下，经过磁透镜系统汇聚，形成直径为5nm，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。

在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。

由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。

扫描电镜标准
扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种用于观察和分析样品表面形貌、结构和成分的显微镜技术。

以下是扫描电镜的一些关键标准和特点：
1. 分辨率：扫描电镜的分辨率是指能够分辨的最小物体细节的能力。

通常以纳米（nm）为单位表示，较高的分辨率可以提供更精细的图像。

2. 放大倍数：扫描电镜可以提供从几倍到几十万倍的放大倍数，使研究人员能够观察到样品的微观结构。

3. 电子束源：扫描电镜使用电子束作为照明源，电子束的能量和束流强度会影响图像的质量和分辨率。

4. 样品制备：样品通常需要进行适当的制备，如切割、抛光、镀金等，以确保其表面能够反射电子束并产生良好的图像。

5. 探测器：扫描电镜配备多种探测器，如二次电子探测器、背散射电子探测器和X 射线能谱仪等，用于收集不同类型的信号，提供有关样品表面形貌、成分和结构的信息。

6. 操作模式：扫描电镜可以在不同的操作模式下工作，如高真空模式、低真空模式和环境扫描电镜模式，以适应不同类型的样品。

7. 数据分析和处理：扫描电镜通常配备专用的软件用于图像处理、数据分析和测量。

扫描电镜是一种功能强大的显微镜技术，广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术等领域的研究和分析。

扫描电子显微镜技术参数1. 扫描电镜主机★1.1 分辨率二次电子探测器分辨率：<3.0 nm （30 KV）；<8nm (3 KV )，背散射电子探测器分辨率：<3.5nm（30kv )。

★1.2 放大倍数：最低倍率可达到1倍，最高倍率可达到1000,000。

1.3 真空系统★1.3.1 具有高低真空功能,高低真空自动转换；★1.3.2 样品室真空度：高真空可达到5×10-4 Pa；低真空范围不小于5-500Pa；1.4 电子光学系统1.4.1 电子枪：钨灯丝，具有自动加热及对中的功能；1.4.2 聚光镜：具有自动可变焦功能；1.4.3 加速电压:200V-30kV，10V步进可调；1.4.4电子探针束流：最大束流不小于2uA，并连续可调。

★1.4.5电子光学镜筒可全自动自动调节，可以精确控制束流和束斑尺寸；1.5 样品室和样品台★1.5.1 样品台尺寸：装载直径≥200mm样品；★1.5.2全自动五轴优中心台：具有全自动五轴马达驱动功能；样品台移动范围：X=100 mm，Y=100mm，Z=100 mm旋转：360度连续倾斜：-30度到+90度更换样品后抽真空时间：< 5分钟；1.5.3 样品台具有报警与自动停止功能，具有样品位置感知功能。

1.6 探测器及成像系统★1.6.1具备高灵敏度YAG晶体二次电子探测器具备可伸缩的YAG晶体背散射电子探测器具备用于观察样品室情况的红外摄像机；★1.6.2 成像模式：同时得到二次电子像，背散射电子像，两种图像混合像，也可四幅图像同时成像，BSE可分别成像，并和SE任意叠加混合；1.6.3具备五种电子光学工作模式；★1.6.4扫描速度：从20 ns至10 ms像素，可阶段或连续式的调整，可进行3维电子束扫描，电子束沿X和Y轴倾斜扫描实时立体成像。

1.7电镜控制1.7.1电镜操作控制系统：鼠标、键盘、轨迹球；1.7.2工作站：Intel® Core 3.6GHz，8GB内存，500GB硬盘，nVIDIA GT630 2GB DDR3，Windows81.7.3完善的软件用于SEM控制，图像采集、存档、处理和分析；★1.7.4具备中英文操作系统。

材料分析⽅法⼀.名词解释1.背散射电⼦是指被固体样品中的原⼦核反弹回来的⼀部分⼊射电⼦。

2.弹性背散射电⼦是指被样品中原⼦核反弹回来的散射⾓⼤于90?的那些⼊射电⼦，其能量基本上没有变化。

3.⾮弹性背散射电⼦是⼊射电⼦和核外电⼦撞击后产⽣⾮弹性散射⽽造成的，不仅能量变化，⽅向也发⽣变化。

4.⼆次电⼦是指被⼊射电⼦轰击出来的核外电⼦。

⼆次电⼦来⾃表⾯50-500 ?的区域，能量为0-50 eV。

它对试样表⾯状态⾮常敏感，能有效地显⽰试样表⾯的微观形貌。

5.扫描电⼦显微镜的分辨率通常就是⼆次电⼦分辨率。

⼆次电于产额随原于序数的变化不明显，它主要决定于表⾯形貌。

6. 透射电⼦：如果样品厚度⼩于⼊射电⼦的有效穿透深度，那么就会有相当数量的⼊射电⼦能够穿过薄样品⽽成为透射电⼦。

7.特征X射线是原⼦的内层电⼦受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的⼀种电磁波辐射。

8.俄歇电⼦：如果原⼦内层电⼦能级跃迁过程中释放出来的能量?E不以X射线的形式释放，⽽是⽤该能量将核外另⼀电⼦打出，脱离原⼦变为⼆次电⼦，这种⼆次电⼦叫做俄歇电⼦。

俄歇电⼦信号适⽤于表层化学成分分析。

X射线与物质相互作⽤1.散射(相⼲,⾮相⼲)2.光电效应(俄歇,⼆次荧光,光电⼦)3.透射4.热电⼦束与物质相互作⽤1.背散射; 2.⼆次电⼦3.透射电⼦; 4.吸收电⼦5.俄歇; 6.特征X射线7.阴极荧光9.偏光显微镜：⾃然光源经偏振器过滤，成偏振光，依据光在玻璃透镜中折射聚焦原理进⾏放⼤成像。

10.有效放⼤倍数 = ⾁眼分辨率/显微分辨率11.透射电镜利⽤透射电⼦通过磁透镜原理成像的电镜技术，简称为透射电镜。

Transmittance ElectronMicroscopy, TEM。

11.扫描电镜 SEM 通过反射电⼦或⼆次电⼦对样品表⾯进⾏分析的电镜技术，简称为扫描电镜Scanning Electron Microscopy, SEM。

材料的显微结构包含：化学组成、元素分布和组成相的形貌（尺寸、分布和形状）显微结构：在各种显微镜下看到所有相区（phase region）及所包含的缺陷。

通常包括晶粒和气孔的尺寸、大小和分布、相组成和分布、晶界特性、缺陷及裂纹，包括组成的均匀性。

显微结构表征的主要任务：根据不同类型显微镜下观察的显微机构的特征，对他们的形成原因做出合理的分析和判断。

微束分析（Microbeam Analysis）：利用一束细电子束、离子束、光束或粒子束作用于试样产生的各种信息，进行成分、形貌、结构及其他物理和化学特性的分析。

束斑大小：微米-纳米主要功能：成分分析、结构分析、图像分析。

主要指标：束斑大小、分辨率、空间分辨率、灵敏度、准确度定量分析：微束分析是物理方法，由于物理过程的复杂性，成分定量基本都用标样比较法并进行修正计算。

俄歇电子谱仪（AES：Auger Electron Spectroscope）称为扫描俄歇显微镜。

表面分析仪器，进行元素定量分析（三维元素分析）、形貌观察、价态分析等。

分析深度为1nm-2nm。

分析H和He以外元素，对轻元素灵敏度高。

1.扫描电镜电子探针：（1）图像分辨率高、放大倍率大。

分辨率为3nm-0.6nm，相对应最大有效放大倍率为100000-1600000倍；电子探针图像分辨率为3nm-6nm。

（2）景深大。

扫描电镜的景深是透射电镜的10倍，是光学显微镜的100倍，特别适合观察一些粗糙不平的断口。

（3）无损分析。

对大部分材料，只要尺寸能放入样品室，采用合适条件无需对试样进行任何处理即可再进行观察分析。

（4）试样制备简单。

可以是自然表面、断口、块体、反光和透光光片。

EPMA和SEM的区别EPMA：价格贵2-3倍（1）成分分析，形貌观察，以成分分析为主。

主要用WDS进行元素成分分析，出射角大、有OM，电流大，有较成熟的定量方法，所以定量结果的准确度较高。

（2）真空腔体大，成分分析束流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，EPMA二次像分辨率3-6nm。