楊 顯，胡建軍,2，郭 寧，何 川，張雨晴，王 靜

(1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶 400054；2.模具技術(shù)重慶市高校市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054;3.西南大學(xué) 材料與能源學(xué)部， 重慶 400715)

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)是20世紀(jì)30年代在透射電鏡的研究基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種電子顯微鏡[1]。相較于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，SEM具有更高且連續(xù)可調(diào)的放大倍數(shù)，可從幾倍放大至幾十萬(wàn)倍；相較于透射電鏡，其制樣簡(jiǎn)單，并且成像立體感強(qiáng)，景深大，適用于直接觀察試樣凹凸不平的表面尤其是斷口的細(xì)微結(jié)構(gòu)。SEM可以結(jié)合X射線(xiàn)能譜儀(EDS)和背散射電子衍射分析儀(EBSD)快速便捷地對(duì)樣品表面進(jìn)行無(wú)損化學(xué)成分定性、定量以及組織等晶體學(xué)分析，還可以結(jié)合力學(xué)、熱學(xué)配件進(jìn)行材料的原位拉伸、壓縮、彎曲以及原位升降溫等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)[2]，在冶金、建筑、機(jī)械等領(lǐng)域的材料表征上都獲得了極廣泛的應(yīng)用。

利用SEM的圖像研究方法分析顯微結(jié)構(gòu)，其內(nèi)容豐富、方法直觀。近年來(lái)隨著社會(huì)對(duì)新型材料需求的不斷增長(zhǎng)，SEM測(cè)試技術(shù)在新型材料科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡不同，SEM可以通過(guò)記錄樣品表面和入射電子束的交互作用產(chǎn)生的不同信號(hào)進(jìn)行成像。現(xiàn)代SEM允許各種各樣的成像模式和檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)選取合適的成像模式，結(jié)合EDS、原位升降溫以及原位變形可以對(duì)材料進(jìn)行高尺度、多通量表征。

SEM的成像原理是采用細(xì)聚焦高壓電子束在材料表面掃描時(shí)激發(fā)的某些物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成像。由于電子束對(duì)固體材料表面作用下物理現(xiàn)象和信號(hào)的發(fā)生復(fù)雜，而固體材料，尤其是金屬材料對(duì)這些物理特性敏感程度各不相同。因此，SEM成像模式在金屬材料研究中的選用顯得尤為重要。

1 電子成像原理

1.1 電子束與固體材料表層作用

SEM的原理是利用聚焦高能電子束在試樣表面逐步掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)。根據(jù)各種信號(hào)的產(chǎn)額大小，將信號(hào)放大以明暗顯示的圖像形式，實(shí)現(xiàn)試樣表面特征。電子束與固體樣品作用產(chǎn)生的信號(hào)包括二次電子、背散射電子、俄歇電子、透射電子、吸收電子、特征X射線(xiàn)等[3]，見(jiàn)圖1(a)。

在目前常見(jiàn)的SEM上，二次電子(SE)和背散射電子(BSE)信號(hào)是最重要的用來(lái)進(jìn)行金屬材料組織表征的信號(hào)。

SE是在入射電子束作用下被轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的樣品的核外電子，其能量較低，習(xí)慣上把能量小于50 eV的電子統(tǒng)稱(chēng)為二次電子。SE一般都是在表層5～10 nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來(lái)的，發(fā)生區(qū)域很小，因而二次電子像分辨率高。根據(jù)來(lái)源和距離電子束轟擊點(diǎn)深度的不同，二次電子主要可分為4類(lèi)[4-5]，見(jiàn)圖1(b)：

SE1：電子束與材料表面作用直接產(chǎn)生的二次電子信號(hào)；

SE2：入射電子在材料內(nèi)部反應(yīng)區(qū)域內(nèi)經(jīng)過(guò)多次散射后激發(fā)產(chǎn)生的二次電子信號(hào)，并離電子束原轟擊點(diǎn)有一定距離；

SE3：由背散射電子撞擊樣品倉(cāng)壁或極靴產(chǎn)生的二次電子信號(hào)；

SE4:由入射束的電子在電子光學(xué)鏡筒內(nèi)產(chǎn)生的二次電子信號(hào)。

根據(jù)二次電子的發(fā)生源頭，可將二次電子SE分為SE1、SE2、SE3、SE4。SE1即為入射電子激發(fā)的二次電子，對(duì)極表面的信息反映最佳；SE2是由背散射電子在樣品表面激發(fā)的二次電子，帶有樣品深層信息；SE3和SE4為圖像噪聲，基本不反映樣品信息。因此，一般接收到的有效信號(hào)是SE1與SE2的混合像。隨著加速電壓的提高，SE2信號(hào)比例也在提高，深層信息增多。而為獲得高分辨率，通常需要通過(guò)降低電壓的方式來(lái)獲取更多的SE1信號(hào)。

圖1 電子束與固體樣品表面作用時(shí)的物理現(xiàn)象

BSE是被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子，來(lái)自樣品表層幾百納米的深度范圍，其中包括彈性BSE(BS1)和非彈性BSE (BS2)。彈性BSE是指被樣品中原子核反彈回來(lái)，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒(méi)有損失，能量能達(dá)到數(shù)千到數(shù)萬(wàn)電子伏。非彈性BSE (BS2)是入射電子和樣品核外電子撞擊后產(chǎn)生的非彈性散射，其產(chǎn)生主要取決于主電子束的能量、樣品原子序數(shù)和樣品厚度等因素，不僅方向改變，能量也有不同程度的損失。非彈性BSE的能量分布范圍很寬，從數(shù)十電子伏直到數(shù)千電子伏。從數(shù)量上看，彈性BSE遠(yuǎn)比非BSE所占的份額多。彈性BSE包含了高分辨的原子序數(shù)信息[5]。

1.2 電子成像技術(shù)

金屬材料作為多晶體，電子束和試樣表層作用產(chǎn)生的電子主要包含3種信息:形貌信息、原子序數(shù)信息和晶體取向信息[6]。掃描電子顯微鏡就是針對(duì)這些信息，調(diào)制為用于觀察表征的不同襯度圖像。

表面形貌襯度是由表面形貌差別而形成的襯度，如圖1(a)中的位置A，利用對(duì)試樣表面形貌變化敏感的物理信號(hào)調(diào)制成像，可以得到形貌襯度圖像。形貌襯度的形成是由于某些信號(hào)，如SE、BSE等，其強(qiáng)度是試樣表面傾角的函數(shù)。而試樣表面微區(qū)形貌差別就是各微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束的傾角不同，因此電子束在試樣上掃描時(shí)任何兩點(diǎn)的形貌差別，表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)度的差別，從而在圖像上形成形貌的襯度。在凸起、尖銳和傾斜面時(shí)，探頭接收到的信號(hào)強(qiáng)，圖像較亮。由于SE信號(hào)主要來(lái)自樣品表層5～10 nm深度范圍，對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，因此，相較BSE，SE能更有效地顯示樣品的表面形貌，分辨率更高。

原子序數(shù)襯度是由于試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)(或化學(xué)成分)差別而形成的襯度，如圖1中的位置B。利用對(duì)試樣表面原子序數(shù)Z表面敏感的物理信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，可以得到原子序數(shù)襯度圖像。不同原子序數(shù)的物質(zhì)由于核外電子數(shù)目不同以及電離能的差別，導(dǎo)致SE產(chǎn)額與原子序數(shù)也有一定關(guān)系。當(dāng)Z<20時(shí)，產(chǎn)額隨原子序數(shù)Z增加而增加；當(dāng)Z>20時(shí)，產(chǎn)額基本不隨原子序數(shù)變化。因此SE通常用于表面形貌表征，不用來(lái)做成分分析。不過(guò)，在原子序數(shù)較低或者差異較大的時(shí)候，也能看出原子序數(shù)襯度[7]。BSE對(duì)原子序數(shù)的敏感度比SE高很多，其產(chǎn)額隨樣品原子序數(shù)增大而增多，也就是說(shuō)，原子序數(shù)越大的區(qū)域圖像就越亮。因此BSE不僅能用作形貌分析，而且可以用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，定性地進(jìn)行成分分析。

如果樣品具備晶體結(jié)構(gòu),背散射電子的產(chǎn)額還與入射電子束與晶面的相對(duì)取向有關(guān)，因此能夠反映出晶體取向信息，這就是電子通道襯度[7]，如圖1中的位置C。入射電子束與晶面間的夾角越大，溢出試樣表面的背散射電子就越多，探頭接收到的信號(hào)越強(qiáng)，圖像部位越亮。反之，則圖像越暗[8]。

2 掃描電鏡(SEM)主要信號(hào)探測(cè)器

因鎢燈絲掃描電鏡熱電子發(fā)射效率低，儀器分辨率受到限制。為獲得高分辨的掃描電子成像，現(xiàn)今科研單位中大多使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)。該類(lèi)電鏡通過(guò)在陰極添加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)引導(dǎo)電子發(fā)射，并通過(guò)不同的電子槍控制方式大大提高電子槍亮度，縮小光源束直徑，從而獲得更高的圖像分辨率[7]，二次電子像分辨率可達(dá)1 nm。

SEM通過(guò)信號(hào)探測(cè)器采集樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，經(jīng)過(guò)視頻放大后成像。SEM通用的信號(hào)探測(cè)器為旁置式(E-T)二次電子探測(cè)器，常見(jiàn)配備還包括背散射電子(BSE)探測(cè)器，而高分辨FE-SEM一般還配備有In-lens二次電子探測(cè)器。3種常用電子探測(cè)器在掃描電鏡中的分布如圖2所示。其中：E-T二次電子探測(cè)器是位于樣品倉(cāng)內(nèi)的二次電子探測(cè)器，用于生成常規(guī)二次電子像；In-lens二次電子探測(cè)器的探頭位于鏡筒內(nèi)部光軸上，主要收集的是SE1信號(hào)，因而具備更高的空間分辨率[5]，用于生成高分辨的二次電子像；BSE探測(cè)器的探頭位于極靴正下方，用于生成背散射電子像。

圖2 In-lens二次電子探測(cè)器，E-T二次電子探測(cè)器和背散射電子探測(cè)器在SEM中的位置分布

3 成像模式在材料研究中的選用

本文所采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Zeiss Sigma HD型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)，見(jiàn)圖3，配備有E-T二次電子探測(cè)器、In-lens二次電子探測(cè)器、BSE探測(cè)器，Oxford Instruments公司的X射線(xiàn)能譜儀(EDS)和背散射電子衍射分析儀(EBSD)。各探測(cè)器和分析儀的具體分布見(jiàn)圖3。

圖3 Zeiss Sigma HD型FE-SEM中各信號(hào)探測(cè)器位置分布

以下列舉3組特征圖片對(duì)比說(shuō)明E-T SE、In-lens和BSE 這3種成像模式的特點(diǎn)。圖4為經(jīng)電子束表面處理后的310不銹鋼樣品，其中：(a)為E-T SE成像模式；(b)為In-lens成像模式。由圖可觀察到，E-T SE模式下得到的圖像形貌襯度明顯，立體感強(qiáng)，景深大，可清晰觀察電子束與表面作用后產(chǎn)生的熔坑，熔坑直徑基本大于20 μm。在大熔坑的外圈以及樣品基底上還可觀察到顆粒狀的晶粒。In-lens模式下，圖像立體感明顯不如E-T SE模式，但如圖中白圈標(biāo)記，可觀察到直徑大小約10 μm以下的圓圈，這是電子束在樣品表面形成的極淺熔坑，而E-T SE模式下很難觀察到。這是因?yàn)镮n-lens成像模式對(duì)較低能量的SE更加敏感。 In-lens圖像主要由能量小于40 eV的低能電子組成，因而圖像具有更高的表面靈敏度，分辨率明顯優(yōu)于E-T SE圖像。而對(duì)于E-T SE成像模式，SE大部分具有更高的能量，因此圖像包含更多基底材料的信息[9]。

圖4 310 s不銹鋼經(jīng)電子束處理后的表面表征

李建國(guó)等[10]在對(duì)Al-Si-Mg系的A356合金中Mg2Si沉淀相分析的研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低壓觀察模式下，使用In-lens探頭能觀察到清晰的失效析出相，而在常規(guī)SE成像模式下，不論高低壓，都很難清楚觀察。因入射電子束的穿透深度隨著加速電壓的升高而增大，所以在需獲得樣品極表面形貌信息時(shí)，往往可采用低電壓、短工作距離，使用In-lens探測(cè)器成像的方式。也因此，對(duì)于導(dǎo)電性差的薄膜樣品，表面無(wú)需進(jìn)行常規(guī)的噴金或噴碳預(yù)處理，可直接觀察，大大提高了SEM分析效率，這是場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡相較于傳統(tǒng)掃描電鏡的一大優(yōu)勢(shì)。在使用In-lens成像模式時(shí)，盡量不使用傾斜樣品，不加BSE探頭，以免信號(hào)受到干擾。E-T SE成像模式因其探測(cè)器位于樣品側(cè)面，所以形貌襯度最明顯。在SEM測(cè)試中需注意其與In-lens成像模式操作的不同：工作距離不能太近，否則低于4 mm會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)[7]。

筆者在實(shí)踐交流中發(fā)現(xiàn)，很多科研工作者往往在掃描電鏡的使用中，對(duì)于二次電子模式比較了解而忽略了背散射電子的應(yīng)用。即使電鏡配備有背散射電子探測(cè)器，也很少或從來(lái)沒(méi)有使用過(guò)。形貌襯度和原子序數(shù)襯度是樣品表征中最常見(jiàn)的襯度，只有合理使用二次電子和背散射電子成像，才能充分發(fā)揮掃描電鏡的作用。圖5為退火態(tài)球墨鑄鐵在3種成像模式下的圖像。由E-T SE與In-lens兩種二次電子成像模式所得圖像(a)(b)可清楚得到深色的球狀石墨和淺色的鐵素體基體。而在圖5(c)的BSE模式中，因碳原子和鐵原子原子序數(shù)差異很大，襯度區(qū)別較(a)(b)更明顯，細(xì)節(jié)更突出。

圖5 退火態(tài)球墨鑄鐵組織表征

為獲得清晰的原子序數(shù)襯度，利用背散射電子成像，樣品通常需先進(jìn)行細(xì)致的磨平拋光處理，不做浸蝕，盡可能保證表面的平整，最大程度上過(guò)濾掉形貌襯度的影響。用背散射電子信號(hào)進(jìn)行形貌分析，因?yàn)楸成⑸潆娮颖蝗肷潆娮蛹ぐl(fā)的作用體積比二次電子大，成像單元變大，所以分辨率比二次電子低。二次電子的分辨率為5～10 nm,背散射電子的分辨率為50～200 nm。因此，通常SEM結(jié)果最終會(huì)結(jié)合BSE成像與二次電子成像模式，使細(xì)節(jié)呈現(xiàn)更清楚，從而做出更準(zhǔn)確的分析。

圖6為不同成像模式下的40Cr基體和熱擴(kuò)滲Cr層界面的圖像。其中(a)、(b)分別為E-T SE、In-lens成像模式時(shí)的圖像，(c)(d)為BSE成像模式時(shí)的圖像，選區(qū)中的組織為珠光體。對(duì)其進(jìn)行比較，E-T SE探測(cè)圖像立體感最強(qiáng)，可明顯看到凸起的點(diǎn)狀部分；In-lens成像模式中，珠光體片層更清晰，且基體表面能看到更細(xì)微的白色點(diǎn)狀分布；BSE成像模式圖像1中除能觀察到珠光體片層形貌特征以外，因相鄰晶粒晶體取向不同，出現(xiàn)以灰度區(qū)分的電子通道襯度，各晶體之間界限非常清晰。圖6(d)為BSE探測(cè)器收集到的圖像，制樣最終工序?yàn)殡娊鈷伖?，可以看出這是一個(gè)形貌和電子通道的混合襯度，上部為含有高Cr合金滲碳體的珠光體，由于在電解拋光時(shí)電極電位不同，形成的形貌襯度，下部由于出現(xiàn)貧碳現(xiàn)象組織主要為鐵素體，圖像主要表現(xiàn)為電子通道襯度。根據(jù)圖像結(jié)果能非常便捷地分析出晶粒尺寸大小、形變程度等重要信息。

圖6 FE-SEM不同成像模式下的40Cr基體和擴(kuò)滲Cr層

要獲得理想的電子通道襯度，樣品須為金屬或晶體等多晶材料。對(duì)樣品表面要求很高，需非常平整，以減少形貌襯度的影響；并需盡可能減小多余的殘余應(yīng)力，使表面保持完整的晶體結(jié)構(gòu)。因電子通道襯度相比形貌襯度來(lái)說(shuō)要弱很多，故可以通過(guò)增強(qiáng)入射電子束流的辦法提高電子通道襯度的清晰度[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

SEM放大倍數(shù)范圍區(qū)間廣，景深大，分辨率高，成像清晰。二次電子和背散射電子是掃描電鏡使用最多的兩種信號(hào)，利用這兩種信號(hào)可以很好地對(duì)金屬材料的形貌襯度、原子序數(shù)襯度和晶體取向襯度進(jìn)行表征。只有充分了解了兩種信號(hào)和襯度之間的關(guān)系，通過(guò)合理制樣和成像模式的選擇，才能使掃描電鏡得到充分利用，從電鏡圖像中獲取更多的信息，在金屬材料的研究中發(fā)揮重要的作用。