通过JSM-6380LA型扫描电镜和JED-2300型能谱仪对氧化铝非导电化合物进行高真空、低真空下形貌观察及成分检验

目录

摘要...................................................................................................... - 1 -1 前言.................................................................................................. - 2 -1.1研究背景与意义 ························································ - 2 -1.2扫描电子显微镜SEM的工作原理与结构简介··················· - 2 -

1.2.1电子束的发射............................................................. - 2 -

1.2.2电镜的光阑作用与偏转扫描系统 ............................ - 2 -

1.2.3电子束激发出的信号类型及作用 ............................ - 2 -

1.2.4信号的接收与处理..................................................... - 2 -

1.2.5 EDS的原理介绍 ........................................................ - 3 -

2 实验内容及方法.............................................................................. -

3 -2.1试验材料及试样制备 ·················································· - 3 -2.2非导电化合物的SEM观察实验····································· -

4 -

2.3非导电化合物的EDS分析 ··········································· - 4 -

3 实验数据与分析.............................................................................. - 5 -3.1高真空SEM试验参数对分辨率的影响结果及讨论············· - 5 -

3.1.1电子束斑直径对图像分辨率的影响 ........................ - 5 -

3.1.2加速电压对图像分辨率的影响 ................................ - 6 -

3.1.3工作距离对图像分辨率的影响 ................................ - 7 -3.2低真空SEM对非导电化合物的观察实验························· - 8 -

3.2.1光阑选择对图像影响................................................. - 9 -

3.2.2加速电压对图像分辨率的影响 .............................. - 10 -

3.2.3电子束斑直径对图像分辨率影响 .......................... - 10 -

3.2.4真空度对图像分辨率影响....................................... - 11 -3.3特征X射线能谱对非导电化合物的分析························ - 14 -

3.3.1表面喷铂金对非导电化合物EDS成分分析的影响- 14

-

3.3.2真空度对非导电化合物EDS成分分析的影响..... - 14 -

4 结论................................................................................................ - 17 -参考文献............................................................................................ - 18 -

摘要

本文通过JSM-6380LA型扫描电子显微镜和JED-2300型能谱仪对氧化铝非导电化合物进行高真空、低真空下形貌观察及成分检验。

关键词：高真空；低真空；SEM；EDS；图像分辨率；氧化铝粉末

1前言

1.1研究背景与意义

1.2扫描电子显微镜SEM的工作原理与结构简介

1.2.1电子束的发射

图2电子枪的结构

1.2.2电镜的光阑作用与偏转扫描系统

1.2.3电子束激发出的信号类型及作用

图3电子束滴状作用体积[1]图4电子束与样品作用时产生的信号[1] 1.2.4信号的接收与处理

1.2.5 EDS的原理介绍

图5 EDS示意图[4]

2实验内容及方法

本次试验的主要目的在于：第一，研究操作条件对非导电化合物在高、低真空SEM成像质量的影响，换句话说就是研究: 加速电压、束斑直径、样品处理、真空度分别在高/低真空模式时对成像效果的影响规律；第二，研究非导电化合物X射线能谱分析时，喷涂导电涂层与否对图谱中试样各组分含量的变化规律的影响及不同的真空度对图谱中试样各组分含量的变化规律影响，并分析其中原因。试验方法是进行若干组对照实验，具体实验方法如下。

2.1试验材料及试样制备

本次试验的样品以氧化铝作为观察对象。氧化铝为白色结晶性粉末，无臭无味，质极硬，常温状态下非导电，比较容易获取。

氧化铝粉末的筛选：首先称取3~5克氧化铝抛光粉，然后混入200ml水配成悬浊液，静置5分钟后用滴管取上清液20ml，转移至培养皿中，放入YW-1型远红外电热干燥箱中104℃烘干20分钟。这样便得到比较细小干燥的氧化铝颗粒。

氧化铝粉末表面喷金：将导电胶带粘在黄铜基座上，粘取少量粉末于胶带上之后，用试样表面喷金仪器JFC-1600 AUTO FINE COATER进行表面喷铂金8min。然后将黄铜基座安置在载物台上，放入SEM样品室中抽至高真空。

2.2非导电化合物的SEM观察实验

采用数字式扫描电子显微镜Al2O3粉末进行微观表面形貌进行分析，扫描电子显微型号为JSM-6380LA。

JSM-6380LA扫描电子显微镜的性能指标是：

工作距离WD：5 mm ~ 48 mm；

加速电压U：0.5 kV ~30 kV；

放大倍数：×8~×300,000；

二次电子图像分辨率：HV mode：3.0 nm（30 kV），20 nm（1kV）,

LV mode：4.0 nm（30 kV）；

束斑直径SP（无单位）：30、40、50、60；

真空条件Pa：（<0.0015 Pa）、1Pa、10Pa、25Pa、50Pa、75Pa、100Pa。

高真空模式下各参数选择：

电子束斑直径Spotsize：10、15、20、25、30、35、40；

加速电压U：3kv、5kv、10kv、15kv、20kv、25kv、30kv；

工作距离WD：7mm, 10mm, 15mm, 20mm, 25mm, 30mm。

低真空模式下各参数选择：

光阑选择：2#光阑φ=30μm；3#光阑φ=100μm；

加速电压U：5kv，10kv，5kv;，20kv;，25kv，30kv；

电子束斑直径SP：30，35，40，45，50；

真空度Pa：1pa，10pa，25pa，50pa，75pa，100pa，125pa，150pa，175pa，200pa。

2.3非导电化合物的EDS分析

采用JED-2300能谱仪对Al2O3粉末进行成分分析。

JED-2300能谱仪主要性能指标：

元素测量范围：5B～92U；

能量分辨率：138eV。

3 实验数据与分析3.1高真空SEM试验参数对分辨率的影响结果及讨论3.1.1电子束斑直径对图像分辨率的影响

由图6可以看出。

a ) c ) e )

b ) d ) f )

g )

图6高真空模式下/不同电子束斑直径下试样的观察图像

a)10; b)15; c)20; d)25; e)30; f)35; g)40

3.1.2加速电压对图像分辨率的影响

图7是在束斑直径SP为30时，在不同加速电压下观察到的试样图像。

a )

b )

c )

d )

e )

f )

g )

图7高真空模式下不同加速电压对试样的观察图像

a)3kv；b)5kv；c)10kv；d)15kv；e)20kv；f)25kv；g)30kv

3.1.3工作距离对图像分辨率的影响

图8是在高真空模式、束斑直径30、加速电压30kv的条件下以不同工作距离拍摄的一组图像。

a )

b )

图8高真空模式下不同工作距离对试样的观察图像

a)7mm ；b)10mm ；c)15mm ；d)20mm ；e)25mm ；f)30mm

3.2低真空SEM 对非导电化合物的观察实验

利用气体分子与电子的撞击，使气体电离产生正离子，并且正离子和气体分子在电场力的作用下飘向带负电的样品表面，中和非导电化合物样品表面积累的负电荷，如图9所示。

图9 用气体分子缓和试样表面的电荷积累[ 2]

当正离子电流恰好能抵消样品表面积累的负电荷时，便达到了电荷平衡状态。在实际拍摄图像时各个参数数值的设置相当重要，其中压强、电子束能量c ) d ) e ) f )

和电流、工作距离、二次电子和背散射电子产额等对图像分辨率有很大影响。

本次试验使用的JSM-6380LA扫描电镜由高真空模式转变为低真空模式时，接收使用的成像信号会由二次电子信号自动转变为能量较高的背散射电子信号。此时固定在金属板上的样品在气体中起到一个电极的作用，在观察时气体离子漂向电极，由电压产生的电场使得各种电子信号加速朝向接收器运动。低真空模式下，离子化的气体分子产生气流与二次电子相互作用使二次电子得到足够多的能量，加大了低真空二次电子信号的强度，其强度是原来的2～3倍[7]。电极中样品和回路间诱导产生的电流可以携带电荷运动，高能的二次电子也可在背散射电子接收器中产生电流，而被认为是图像的信号。所有在样品和背散射电子接收器间的这些信号在气体中都被放大[8]，所以在低真空条件下需要对各个参数进行适度调节才能得到最佳的图像。

由高真空模式的实验数据分析可知，随着工作距离加大，电子束流强度会有所减小，图像质量也随之有所降低。而在低真空模式下，由于样品室内有气体分子的存在，气体分子对电子束的散射作用成为主要的干扰因素。随着工作距离的增加，电子束的散射作用越发明显，出现的干扰信号也会增多；另一方面，随着电子束的散射，其强度也会逐渐下降，在试样表面激发出的背散射电子的几率也会下降，因此在低真空分析时工作距离采用10mm，以确保成像的顺利进行。

3.2.1光阑选择对图像影响

光阑的作用就将光束汇聚，使电子束光路越来越细，同时提高光源的质量。我们平时只能调节物镜光阑，有三个档位，从3#到1#，孔径依次缩小。一般认为，光阑孔径越小，电子束流的成像质量越高，分辨率也越高；但同时由于电子束能量的减弱，信噪比（SNR）会变差，最直观的现象就是图像出现很多噪音。在使用过程中要根据实际需要来调节光阑档位。一般来讲，2#光阑是使用最多的，1#光阑用于样品的高分辨观察，3#光阑用于能谱分析。图10是使用不同光阑孔径获得的样品图像。

a)

b)

图10低真空模式下不同光阑孔径的图像

a）2#光阑φ=30μm；b）3#光阑φ=100μm

3.2.2加速电压对图像分辨率的影响

图11是低真空模式下，不同加速电压下得到的样品图像。

3.2.3电子束斑直径对图像分辨率影响

图12是低真空模式在15kv加速电压下不同电子束斑直径下试样的观察图像。

a) b )

d)

c)

图11 低真空模式下不同加速电压U 下的观察图像

a)5kv ；b)10kv ；c)15kv ；d)20kv ；e)25kv ；f)30kv

3.2.4真空度对图像分辨率影响

图13是低真空模式不同真空度下的观察图像。 f) e) a) b) c) d)

图12 低真空模式不同电子束斑直径SP 下的观察图像

a)30；b)35；c)40；d)45；e)50 e) c) d) b) a) e) f)

图13 低真空模式不同真空度Pa 下的观察图像

a)1pa ；b)10pa ；c)50pa ；d)75pa ；e)100pa ；f)150pa ；g)175pa ；h)200pa

低真空下，由于样品室有气体存在，就不可避免的发生电子束与气体分子的碰撞并散射。虽然电子束通过的气体时的路径长度只有几毫米，但是高能电子散射的平均自由程可以达到几毫米，电子能量与散射平均自由程的倒数的关系[15]。图14表示的是各种能量的电子在前进路径上散射发生的概率与压强-距离的乘积的函数关系。假设发生的是泊松散射，发生散射的电子的平均数量是没有散射电子数量总数的e

1，以上是一个经验法则，在图像阴影区域内（1Pa~75Pa ）选择参数均能获得比较高质量的图像[15]。

图14电子散射次数与气压-距离乘积的关系[15]

另一方面，改变气压(也就是提高气体的在样品室的含量)会改变离子产生率和离子的平均自由程[7]。对于气体分子来说，相邻两次碰撞之间的平均距离，即称为分子的平均自由程。若分子的直径为σ，气体压强为P ，则平均自由程ι公式为：P =

22πσιkT （k 为玻尔兹曼常数）。可见气体压强与平均自由程成g)

h)

反比，因此气压提高后，平均自由程会减小。由于平均自由程的减小，电子束与气体分子相互作用的几率会增加，从而增大了电子的散射几率。另一方面，由于气压增大，气体分子对信号的散射作用以及气体离子的诱导作用导致检测器接收背散射电子信号减少，也会使图像的分辨率下降。从图13可以看出样品的图像分辨率是逐渐降低的，特别是75Pa以后图像分辨率会明显降低。

3.3特征X射线能谱对非导电化合物的分析

3.3.1表面喷铂金对非导电化合物EDS成分分析的影响

在非导电化合物SEM观察时，一般都会在试样表面喷涂导电涂层，增加试样表面的导电性，进而增加图像的衬度及立体感，提高了图像的清晰度[9]。但是表面喷导电涂层后会对材料表面的微区成分表征将产生一定的影响。本次试验采用JED-2300能谱仪对AlO2粉末进行了成分分析。图14是氧化铝粉末分别在无涂层和有涂层的情况下得到的EDS图谱。表1是Al2O3试样表面无涂层与试样表面喷Pt的EDS成分表。

3.3.2真空度对非导电化合物EDS成分分析的影响

真空度不仅对SEM观察有着重大影响，而且对于EDS成分分析也有不容忽视的影响。图16是在不同的真空度下，测得的一组EDS图谱数据。

图15 Al 2O 3试样的EDS 能谱峰

a)试样表面无导电层；b)试样表面喷Pt

表1 Al 2O 3试样表面无涂层与试样表面喷Pt 的EDS 成分表

Element

试样表面无导电层 Wt% 试样表面喷Pt Wt% C

0 43.10 O

27.83 22.43 Al

68.84 24.43 Cu

3.33 2.36 Pt

0 7.80 Total

100 100

a) b)

图16 无涂层非导电化合物在不同真空度下EDS

a) 高真空；b)1pa ；c) 50pa ；d) 100pa ；

表2 无涂层非导电化合物在不同真空度下EDS 成分对比

Element

0pa Wt% 1pa Wt% 25pa Wt% 50pa Wt% 75pa Wt% 100pa Wt% O

27.83 32.23 32.23 29.26 22.59 24.42 Al

68.84 65.63 65.63 61.69 64.55 58.91 Cu

3.33 2.13 2.13 5.51 6.97 9.89 Zn

0 0 3.08 3.54 5.89 6.79 Total

100 100 100 100 100 100

c) d) a) b)

4结论

本次试验通过使用JSM-6380LA扫描电子显微镜和JED-2300型能谱仪对氧化铝非导电化合物进行高真空、低真空模式下形貌观察及成分检验，得到了以下结论：

1.加速电压值越大电子束能量越大，反之亦然。越高的加速电压可以获得电子束的束流密度也越大、球差扩散越小这有利于获得高分辨率的图像;但加速电压过高会产生不利因素，电子束对样品穿透能力增大，在样品中的扩散区也增大，会发射二次电子和散射电子甚至二次电子也被散射，过多的散射电子使信号产生叠加的虚影从而降低分辨率。因此加速电压这一对扫描电镜分辨能力最重要的影响因素并不是越大越好，而会出现一个类高斯分布那样有一个最高点的出现，至于这个最高点出现在那个电压值那要看样品的组成元素以及样品的密度等影响因素。

2.束斑直径大小由电子光学系统控制，并同末及透镜的质量有关，在工作距离一定的情况下，束斑直径越小图像的分辨率越高。当透镜质量一定是，为了获得高分辨率图像，宜采用较小的束斑直径，同时采用小的工作距离。

3.光阑可过滤电子束中的远轴电子，减小电子透镜像差影响，但在减小像差同时，降低了束流强度，是对成像不利的影响；改变孔径角度，从而调节图像景深。光阑孔径越小，电子束流的成像质量越高，分辨率也越高；但同时由于电子束能量的减弱，信噪比（SNR）会变差，最直观的现象就是图像出现很多噪音。在使用过程中要根据实际需要来调节光阑档位。

4.压强的提高会增大电子的散射几率，还会使气体分子对信号的散射作用以及气体离子的诱导作用导致检测器接收背散射电子信号减少，这都会使图像的分辨率下降。压强一定时工作距离减小，能加大入射角，从而提高图像分辨率。

参考文献

[1] 近藤大辅，及川哲夫，刘安生.材料评测的分析电子显微方法[M].北京：冶金工业出版社, 2001:144-148.

[2] 低真空分析ＳＥＭの絶縁体試料への応用JEOL技術情報,

http://www.jeol.co.jp/technical/eo/sousa/eds_sem/eds_sem.htm Copyright(C)1996-2011

[3] 汪建民.材料分析[J], 中国材料科学学会,1998:10.

[4] 常铁军，高灵清，张海峰. 材料现代研究方法电子探针显微分析[M].黑龙江：哈尔滨工程大学出版社, 2002:56-67

[5] 陈力俊.材料电子显微镜[J].精密仪器发展中心,1999:09

[6] 史永红，许长锋，缪有志，邹珍友.扫描电镜工作距离和加速电压与图像清晰度的关系研究[J]. 实验技术与管理, 2010,27(8):49-53

[7] 周广荣. 低真空SEM影响二次电子图像分辨率的研究[J].现代仪器，2008,14(4):42-44

[8]D. J. Stokes, J-Y. Mugnier, C. J. Clarke. Static and dynamic experiments in cryo-electron microscopy: comparative observations using high-vacuum, low-voltage and low-vacuum SEM[J]. Journal of Microscopy, 2004, 213: 198-204.

[9] 周玉，武高辉.材料分析测试技术材料X射线衍射与电子显微分析（第2版）[M].

黑龙江：哈尔滨工业大学出版社, 2009:208-227

[10]陈力俊.微电子材料与工程[J]. 中国材料科学学会,2000.11:36-45

[11] G. Shipper, E. S. Grossman, A. J. Botha, et al. Marginal adaptation of mineral trioxide aggregate (MTA) compared with amalgam as a root-end filling material: q low-vacuum (LV) versus high- vacuum (HV) SEM study[J]. International Endodotic Journal, 2004, 37: 325-336. [12] J.P.Craven, F.S.Baker, B.L.Thiel, et al. Consequences of positive ions imaging in low vacuum scanning electron microscopy[J]. Journal of Microscopy, 2002, 205: 96-105.

[13] M.Toth, B.L.Thiel&A.M.Donald. On the role of electron-ion recombination in low vacuum scanning electron microscopy [J]. Journal of Microscopy, 2002, 205: 86-95.

[14] B.L. Thiel, I.C.Bache, A.L.Fletcher , et al. An improved model for gaseous amplification in the environmental SEM[M], 1997, 187: 143-157.

[15] Bradley L.Thiela, Milos Tothb. Secondary electron contrast in low-vacuum/environmental