现代扫描电镜的发展及其在材料科学中的应用

1 扫描电镜原理 
扫描电镜(Scanning Electron Microscope,简写为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。成像是采用二次电子或背散射电子等工作方式,随着扫描电镜的发展和应用的拓展,相继发展了宏观断口学和显微断口学。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(直径一般为1~5nm)的电子束(相应束流为10-11~10-12A)。在末级透镜上方扫描线圈的作用下,使电子束在试样表面做光栅扫描(行扫+帧扫)。扫描电镜主要是针对具有高低差较大、粗糙不平的厚块试样进行观察,因而在设计上突出了景深效果,一般用来分析断口以及未经人工处理的自然表面。扫描电镜的主要特征如下: 
(1)能够直接观察大尺寸试样的原始表面;
(2)试样在样品室中的自由度非常大; 
(3)观察的视场大; 
(4)图像景深大,立体感强; 
(5)对厚块试样可得到高分辨率图像; (6)辐照对试样表面的污染小; 
(7)能够进行动态观察(如动态拉伸、压缩、弯曲、升降温等); 
(8)能获得与形貌相对应的多方面信息; 
(9)在不牺牲扫描电镜特性的情况下扩充附加功能,如微区成分及晶体学分析。 

2 近代扫描电镜的发展 
扫描电镜的设计思想早在1935年便已提出,1942年在实验室制成第一台扫描电镜,但因受各种技术条件的限制,进展一直很慢。1965年,在各项基础技术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一台实用化的商品仪器。此后,荷兰、美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜,日本二战后在美国的支持下生产出扫描电镜,中国则在20世纪70年代生产出自己的扫描电镜。前期近20年,扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展,80年代末期,各厂家的扫描电镜的二次电子像分辨率均已达到4.5nm。在提高分辨率方面各厂家主要采取了如下措施: 
(1)降低透镜球像差系数,以获得小束斑; 
(2)增强照明源即提高电子枪亮度(如采用LaB6或场发射电子枪); 
(3)提高真空度和检测系统的接收效率; 
(4)尽可能减小外界振动干扰。
目前,采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到3.5 nm;采用场发射电子枪扫描电镜的分辨率可达1 nm。到20世纪90年代中期,各厂家又相继采用计算机技术,实现了计算机控制和信息处理。 

2.1 场发射扫描电镜 
采用场致发射电子枪代替普通钨灯丝电子枪,这项技术从1968年就已开始应用,由于该电子枪的亮度(即发射电子的能力)大为提高,因而可得到很高的二次电子像分辨率。采用场发射电子枪需要很高的真空度,在高真空度下由于电子束的散射更小,其分辨率进一步得到提高。近几年来,各厂家采用多级真空系统(机械泵+分子泵+离子泵),真空度可达10-7Pa。同时,采用磁悬浮技术,噪音振动大为降低,灯丝寿命也有增加。束流稳定度在12 h内<0.8 %。 

2.2 分析型扫描电镜及其附件 
所谓分析型扫描电镜即是指将扫描电镜配备多种附加仪器,以便对被测试样进行多种信息的分析,其附件一般有如下几种。 

2.2.1 能谱仪附件 
能谱仪(即X射线能量色散谱仪,简称EDS)通常是指X射线能谱仪。自能谱仪在20世纪70 年代末和80年代初期普遍推广以来,首先是在扫描电镜和电子探针分析仪器上得到应用,其优点是可以分析微小区域(几个微米)的成分,并且可以不用标样。能谱仪收集谱线时一次即可得到可测的全部元素,因而分析速度快,另外,在扫描电镜所观察的微观领域中,一般并不要求所测成分具有很高的精确度,所以,扫描电镜配备能谱仪得到了广大用户的认可,并且其无标样分析的精确度能胜任常规研究工作。目前,最先进的采用超导材料生产的能谱仪,分辨率达到了5~15 eV,已超过了25 eV分辨率的波谱仪,这是目前能谱仪发展的最高水平。 

2.2.2 EBSD附件 
早在20世纪70年代中期,有些材料工作者在扫描电镜上发现了背散射电子的衍射现象,由于这些衍射花样与所测单晶体的晶体结构有关,便将其用作材料的结构研究。直到90年代中期,有些厂家针对背散射电子衍射作用制作了专门的探测器并引进计算机技术,形成了背散射电子衍射分析技术,这就是我们通常说的EBSD(电子背散射衍射)。EBSD主要可做单晶体的物相分析,同时提供花样质量、置信度指数、彩色晶粒图,可做单晶体的空间位向测定、两颗单晶体之间夹角的测定、可做特选取向图、共格晶界图、特殊晶界图,同时提供不同晶界类型的绝对数量和相对比例,即多晶粒夹角的统计分析、晶粒取向的统计分析以及它们的彩色图和直方统计图,还可做晶粒尺寸分布图,将多颗单晶的空间取向投影到极图或反极图上可做二维织构分析,也可做三维织构即ODF分析。 

2.2.3 波谱仪附件 
波谱仪(即X射线波长色散谱仪,简称WDS)本是随着电子探针的发明而诞生的,它是电子探针的核心部件,用作成分分析。成分分析的原理可用K= (d/R)L公式表示。K是电子束激发试样时产生的X射线波长,跟元素有关;d是分光晶体的面间距,为已知数;R是波谱仪聚焦园的半径,为已知数;L是X射线发射源与分光晶体之间的距离。对于不同的L则有不同的X射线波长,根据X射线波长就可得知是什么元素。因此,波谱仪是通过机械装置的运动改变距离L来实现成分分析。

3 现代扫描电镜的发展