掃描電子顯微鏡成像模式在金屬材料研究中的選用

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)重慶市高校市級重點實驗室， 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倍；相較于透射電鏡，其制樣簡單，并且成像立體感強，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微結(jié)構(gòu)。SEM可以結(jié)合X射線能譜儀(EDS)和背散射電子衍射分析儀(EBSD)快速便捷地對樣品表面進行無損化學(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)配件進行材料的原位拉伸、壓縮、彎曲以及原位升降溫等實時動態(tài)檢測[2]，在冶金、建筑、機械等領(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。近年來隨著社會對新型材料需求的不斷增長，SEM測試技術(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)生的不同信號進行成像?，F(xiàn)代SEM允許各種各樣的成像模式和檢測技術(shù)，通過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材料進行高尺度、多通量表征。

SEM的成像原理是采用細聚焦高壓電子束在材料表面掃描時激發(fā)的某些物理信號來調(diào)制成像。由于電子束對固體材料表面作用下物理現(xiàn)象和信號的發(fā)生復(fù)雜，而固體材料，尤其是金屬材料對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。根據(jù)各種信號的產(chǎn)額大小，將信號放大以明暗顯示的圖像形式，實現(xiàn)試樣表面特征。電子束與固體樣品作用產(chǎn)生的信號包括二次電子、背散射電子、俄歇電子、透射電子、吸收電子、特征X射線等[3]，見圖1(a)。

在目前常見的SEM上，二次電子(SE)和背散射電子(BSE)信號是最重要的用來進行金屬材料組織表征的信號。

SE是在入射電子束作用下被轟擊出來并離開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)射出來的，發(fā)生區(qū)域很小，因而二次電子像分辨率高。根據(jù)來源和距離電子束轟擊點深度的不同，二次電子主要可分為4類[4-5]，見圖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；

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

SE3：由背散射電子撞擊樣品倉壁或極靴產(chǎn)生的二次電子信號；

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。

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是SE1與SE2的混合像。隨著加速電壓的提高，SE2信號比例也在提高，深層信息增多。而為獲得高分辨率，通常需要通過降低電壓的方式來獲取更多的SE1信號。

圖1 電子束與固體樣品表面作用時的物理現(xiàn)象

BSE是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子，來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，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有損失，能量能達到數(shù)千到數(shù)萬電子伏。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，利用對試樣表面形貌變化敏感的物理信號調(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，如SE、BSE等，其強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)表面相對于入射電子束的傾角不同，因此電子束在試樣上掃描時任何兩點的形貌差別，表現(xiàn)為信號強度的差別，從而在圖像上形成形貌的襯度。在凸起、尖銳和傾斜面時，探頭接收到的信號強，圖像較亮。由于SE信號主要來自樣品表層5～10 nm深度范圍，對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。利用對試樣表面原子序數(shù)Z表面敏感的物理信號作為調(diào)制信號，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，產(chǎn)額隨原子序數(shù)Z增加而增加；當(dāng)Z>20時，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，不用來做成分分析。不過，在原子序數(shù)較低或者差異較大的時候，也能看出原子序數(shù)襯度[7]。BSE對原子序數(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，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，而且可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地進行成分分析。

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，探頭接收到的信號越強，圖像部位越亮。反之，則圖像越暗[8]。

2 掃描電鏡(SEM)主要信號探測器

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發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)。該類電鏡通過在陰極添加一個強電場引導(dǎo)電子發(fā)射，并通過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1 nm。

SEM通過信號探測器采集樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，經(jīng)過視頻放大后成像。SEM通用的信號探測器為旁置式(E-T)二次電子探測器，常見配備還包括背散射電子(BSE)探測器，而高分辨FE-SEM一般還配備有In-lens二次電子探測器。3種常用電子探測器在掃描電鏡中的分布如圖2所示。其中：E-T二次電子探測器是位于樣品倉內(nèi)的二次電子探測器，用于生成常規(guī)二次電子像；In-lens二次電子探測器的探頭位于鏡筒內(nèi)部光軸上，主要收集的是SE1信號，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二次電子探測器，E-T二次電子探測器和背散射電子探測器在SEM中的位置分布

3 成像模式在材料研究中的選用

本文所采用的實驗設(shè)備為Zeiss Sigma HD型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)，見圖3，配備有E-T二次電子探測器、In-lens二次電子探測器、BSE探測器，Oxford Instruments公司的X射線能譜儀(EDS)和背散射電子衍射分析儀(EBSD)。各探測器和分析儀的具體分布見圖3。

圖3 Zeiss Sigma HD型FE-SEM中各信號探測器位置分布

以下列舉3組特征圖片對比說明E-T SE、In-lens和BSE 這3種成像模式的特點。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，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。這是因為In-lens成像模式對較低能量的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

李建國等[10]在對Al-Si-Mg系的A356合金中Mg2Si沉淀相分析的研究時發(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，往往可采用低電壓、短工作距離，使用In-lens探測器成像的方式。也因此，對于導(dǎo)電性差的薄膜樣品，表面無需進行常規(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，這是場發(fā)射掃描電鏡相較于傳統(tǒng)掃描電鏡的一大優(yōu)勢。在使用In-lens成像模式時，盡量不使用傾斜樣品，不加BSE探頭，以免信號受到干擾。E-T SE成像模式因其探測器位于樣品側(cè)面，所以形貌襯度最明顯。在SEM測試中需注意其與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會產(chǎn)生陰影效應(yīng)[7]。

筆者在實踐交流中發(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器，也很少或從來沒有使用過。形貌襯度和原子序數(shù)襯度是樣品表征中最常見的襯度，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，樣品通常需先進行細致的磨平拋光處理，不做浸蝕，盡可能保證表面的平整，最大程度上過濾掉形貌襯度的影響。用背散射電子信號進行形貌分析，因為背散射電子被入射電子激發(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)果最終會結(jié)合BSE成像與二次電子成像模式，使細節(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成像模式時的圖像，(c)(d)為BSE成像模式時的圖像，選區(qū)中的組織為珠光體。對其進行比較，E-T SE探測圖像立體感最強，可明顯看到凸起的點狀部分；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微的白色點狀分布；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探測器收集到的圖像，制樣最終工序為電解拋光，可以看出這是一個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說要弱很多，故可以通過增強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

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，利用這兩種信號可以很好地對金屬材料的形貌襯度、原子序數(shù)襯度和晶體取向襯度進行表征。只有充分了解了兩種信號和襯度之間的關(guān)系，通過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。