凌 妍，鐘嬌麗，唐曉山，李棟宇*

(1.嶺南師范學院 新材料研究院，廣東 湛江 524033;2.嶺南師范學院 物理科學與技術學院，廣東 湛江 524033)

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的一種觀察手段。其利用聚焦的很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質間的相互作用，來激發(fā)各種物理信息，對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質微觀形貌表征的目的。新式的掃描電子顯微鏡的分辨率可以達到1 nm；放大倍數可以達到30萬倍及以上連續(xù)可調；并且景深大，視野大，成像立體效果好[1]。此外，掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結合，可以做到觀察微觀形貌的同時進行物質微區(qū)成分分析。掃描電子顯微鏡在巖土[2]、石墨[3]、陶瓷[4]及納米材料[5]等的研究上有廣泛應用。因此掃描電子顯微鏡在科學研究領域具有重大作用。

掃描電鏡用于成像的信號來自于入射光束與樣品中不同深度的原子的相互作用。樣品在電子束的轟擊下會產生包括背散射電子、二次電子、特征X射線、吸收電子、透射電子、俄歇電子、陰極熒光、電子束感生效應等在內的多種信號，而一個單一機器能夠配有所有信號的探測器是很難的，背散射電子(BSE)、二次電子(SEI)、特征X射線探測器是一般掃描電子顯微鏡的標配探測器[6-8]。本文只討論掃描電鏡常利用的這三種信號的原理及應用。本校實驗室所配備的是日本電子生產的JSM-7610F熱場發(fā)射掃描電鏡，配備了美國Thermo Fisher Inc生產的NORAN System 7能譜儀探測器。

1 二次電子形貌襯度原理及應用

圖1 沙白粉末不同放大倍數下的SEM圖

二次電子是電子束轟擊樣品使樣品中原子的外層電子與原子脫離，產生的一種自由電子。二次電子的能量較低，一般在50 eV以下。由于二次電子產生于距離樣品表面很近的位置(一般距表層5～10 nm)，因此二次電子成像(SEI)可以對樣品表面進行高分辨率的表征，分辨率可以達到1 nm。

如圖1所示是本實驗室經過高溫煅燒研磨的沙白(一種廣泛分布于中國南海近海的貝類)粉末在二次電子模式下的照片，圖1(a)是5500放大倍數下觀察到的沙白團簇體，圖1(b)是9000放大倍數下的沙白單體，圖1(c)是110000放大倍數下沙白單體照片，從圖中可以很好的觀察沙白單體的表面形貌，沙白單體直徑大約在150～800 nm之間。

2 背散射電子原子序數襯度原理及應用

背散射電子(BSE)是電子束轟擊樣品過程中被樣品反射回來的部分電子，其中包括被原子核反射回來的彈性背散射電子，和被原子核外電子反射回來的非彈性背散射電子。彈性背散射電子的散射角大于90°，沒有能量損失，因此彈性背散射電子的能量很高，一般可以達到數千伏到數萬伏。非彈性背散射電子由于和核外電子碰撞，不僅方向改變，也會有不同程度的能量損失，因此非彈性背散射電子的能量分布范圍較廣，一般數十電子伏到數千電子伏。由于非彈性背散射電子需要經過多次散射才能逸出樣品表面，因此，彈性背散射電子的數量是遠高于非彈性背散射電子的，因此掃描電鏡中所指的背散射電子多指彈性背散射電子。背散射電子產生于距離樣品表面幾百納米的深度，因此背散射電子圖像的分辨率低于二次電子圖像分辨率。然而，背散射電子的產量與樣品原子序數有很大的關系，因此可以用來提供樣品原子序數襯度信息。在背散射模式下，樣品表面平均原子序數大的區(qū)域，背散射信號強，則電鏡圖中表現為亮度高，相反，原子序數小的區(qū)域比較暗[9-10]。所以在掃描電子顯微鏡的分析中通常將背散射電子與特征X射線產生的能譜相結合來做成分分析。此外，由于背散射信號的強度與樣品晶面與入射電子束的夾角有關，當入射電子束與晶面夾角越大，背散射信號越強，圖像越亮，反之越暗，因此背散射電子可以用作晶體的取向分析。

圖2 Pb-Sn合金的SEM圖[10]

圖2所示為鉛錫合金在兩種模式下的掃描電鏡照片，圖2(a)是二次電子模式下的照片，圖2(b)是背散射模式下的照片，從圖中可以看出二次電子像主要對樣品表面形貌做表征，而背散射模式下，亮的區(qū)域主要元素是鉛(原子序數82)，暗的區(qū)域主要元素是錫(原子序數50)，因此背散射模式可以提供原子序數襯度信息[10]。

3 特征X射線原理及能譜應用

當高能電子束轟擊樣品，將樣品中原子的內層電子電離，此時的原子處于較高激發(fā)態(tài)，外層的高能量電子會向內層躍遷以填補內層空缺從而釋放能量，這部分輻射能量稱為特征X射線。這些特征X射線可以用來鑒別組成成分以及測定樣品中豐富的元素。

圖3 (a)沙白團簇體SEM照片；(b)圖3(a)中標記點1處的能譜圖

圖3(a)是在加速電壓10 kV，放大倍數4500的條件下的沙白團簇體SEM照片，圖3(b)是對圖3(a)沙白團簇體中標記點1處探測的能譜，從能譜圖可以看出，沙白粉末中主要含有Ca和O兩種元素?？梢越Y合XRD衍射圖譜具體判斷是哪種化合物。

4 總結

本文介紹了掃描電子顯微鏡常用的三種信號原理及應用，二次電子產生于距離樣品表面5～10 nm的位置，能夠對樣品表面進行高分辨率的表征，因此二次電子模式用于觀察表面形貌特征，利用該功能對沙白貝殼粉顆粒的外觀形貌進行了分析，發(fā)現沙白粉末單體直徑大約在150～800 nm之間；背散射電子與樣品原子序數有很大關系，因此背散射模式常用于定性的成分分布分析；特征X射線是樣品中原子躍遷釋放的輻射能量，其能夠反映樣品的組成元素，因此特征X射線用于能譜探測，利用該功能對沙白粉末進行探測，發(fā)現其主要含有Ca和O兩種元素。

參考文獻

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