实验二 扫描电子显微镜观察聚合物的微观结构
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种观察材料表面微观形貌和分析元素及其含量的非常重要的大型仪器，目前被各种科学研究领域和工业生产部门广泛应用。SEM有利于研究材料的表面微观形貌、成分或者元素种类及含量对其各种性能的影响，建立宏观性能与微观结构之间的内在联系；通过对该仪器的工作原理、各种功能、仪器结构、操作技能的学习和掌握，能够提高研究人员科研水平，从而促进科学的进步和社会的发展。
一、实验目的与要求
1.了解扫描电子显微镜的工作原理、仪器结构和各种功能。
2.掌握仪器的基本操作和数据的相关处理。
二、实验原理
1.聚焦电子与试样的相互作用
扫描电镜的聚焦电子束轰击试样时，在其表面区域会与原子产生两种相互作用。当高能入射电子与原子核碰撞时，由于二者质量相差太大，因而除电子运动方向发生偏移外，其能量几乎不变，即为弹性散射作用；而当入射电子与原子内核外电子碰撞时，除运动方向发生变化外，其能量也将有所损失，即为非弹性散射作用。扫描电镜入射电子束与试样表面原子发生上述两种相互作用并激发出二次电子、背散射电子、透射电子、俄歇电子以及特征X射线等信号物质。
（1）背散射电子 背散射电子是被试样表面的原子核反弹回来的部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指被原子核所反弹的散射角大于90°的入射电子，其能量没有损失或极少损失；非弹性背散射电子是入射电子和试样表面的核外电子多次碰撞所反弹的入射电子，不仅运动方向改变，能量也根据碰撞次数有不同程度的损失，因此能量分布范围很宽，从数十电子伏直到数千电子伏。但从总体分析，弹性背散射电子数量占绝大部分。背散射电子来自试样表层以下几百纳米的深度范围，其产额可用π=KEm表示，式中，K、m均为与原子序数有关的常数，背散射电子产额随试样原子序数增大而增多。因此，采用背散射电子信号不仅能够分析表面形貌，而且可以显示原子序数的衬度，定性地分析成分。
（2）二次电子 当高能入射电子与试样表面原子核外电子发生非弹性散射作用时，入射电子将能量传递给核外电子，使其获得足够能量后脱离原子核的束缚而逃逸出来的核外电子叫做二次电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层价电子比较容易脱离原子束缚而逃逸，使原子发生电离，根据统计学分析，二次电子中90％来自原子外层的价电子。
二次电子的能量很低（一般低于50eV），因此仅只有试样表层以下5～10nm的深度范围内的二次电子能够逃逸至样品室，因此扫描电镜利用二电子信号所观察的是试样的表面微观形貌。二次电子出射比例为δ=Ns/Ni，式中，Ns为二次电子数量；Ni为入射电子数量。出射系数与入射角α（入射电子和试样表面法线之间的夹角）有很大关系，由δα=δ/cosα表示。可见，二次电子产额随入射角的增加而增大，并且增加幅度也越来越大，所以试样表面入射角度大的区域如边缘、棱角、尖峰等区域会产生非常多的二次电子，因此，二次电子产额对试样的表面形貌十分敏感，扫描电子显微镜利用二次电子信号能够非常直观有效地显示样品的表面形貌。
（3）特征X射线 当高能电子束轰击试样时，受到试样原子的非弹性散射，将其能量传递给原子而使其中某个内壳层的电子被电离激发而脱离该原子，内壳层上出现一个空位，原子处于不稳定的高能激发态。根据能量的最低原则，在激发后的瞬间（10-12s内）一系列外层电子向内层空轨跃迁以填补内层电子的空缺，促使原子恢复到最低能量的基态，在此转换过程中的能量差以特征X射线和俄歇电子形式释放。X射线辐射是一种量子或者光子组成的粒子流，具有能量。特征X射线能量E与样品原子序数Z存在特定函数关系：E=A（Z-C）2，式中，A和C是与X射线谱线系有关的常数。根据Moseley定律，如果采用X射线探测器检测到试样微区中存在某一种特征能量的X射线，可以判定该微区中存在相应的元素。
2.工作原理
扫描电子显微镜利用聚焦电子束轰击试样表面，与其发生相互作用从而激发出二次电子、背散射电子和特征X射线三类与样品微观形貌或者成分有关的信号物质，采用相应的探测器收集表达样品表面特征信息的信号，转变成电压信号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，在其荧光屏上便得到了与样品表面的形态相对应的灰度，使电子束在银光屏上的扫描与电子束在样品表面上的扫描同步，在屏幕上便形成了一幅反映样品表面形态的真实图像或者微区成分图谱。
三、实验仪器与试样
（1）仪器：扫描电子显微镜（JSM 6510LV）；能谱仪（EDXA 32）。
（2）试样：粉末、薄膜、聚合物块状物、生物样品（树叶）。
四、实验步骤
1.样品制备
剪取适当长度导电双面胶粘贴在选择的样品台上，将所需观察的样品牢固地粘接至双面胶表面，根据不同样品做适当处理，如较厚的块状样品需要做表面的导电胶搭接；粉末样品需要采用强力吹进行吹扫处理等。
2.样品喷金处理
对于导电性差或者根本不导电材料需要进行喷金处理，防止电荷在样品表面积累使得样品放电，导致图像观察不清楚、图像漂移、亮暗条纹出现等画面异常现象，同时也避免高能电子束对样品损伤。采用离子溅射仪对样品表面喷金处理工艺包含喷金电流、时间、惰性气体的循环清洗，根据本设备的说明书载录，当参数设置为I=20mA，t=30s时，中心区域覆盖的靶材厚度为8nm。因此，依据近几年的实践操作设置不同样品的技术参数为：I=20mA，t=40～50s（半导体）；I=20mA，t=80～100s（聚合物）。
3.样品观测
将处理过的样品放入样品室内，关闭舱门，启动抽真空模式（EVAC）直至样品真空度达到观察要求。当Vacuum Status显示Ready时，静候1～2min后，开启电子枪高压至［HTON］状态，移动样品台寻找需要观测的样品区域，调整合适的放大倍数、加速电压、电子束斑以及工作距离等仪器参数，调节焦距旋钮、像散XY轴旋钮，直至图像呈现清晰画面，调节图像对比度和亮度，最后点击SCAN4或者PHOTO启动照相模式进行拍照，选择JPG、PMN等格式进行保存。如果需要采用背散射电子信号观察微区的成分像，将信号源切换到BEIW的Compo、Topo或者Shadow信号，其他步骤同上。
4.更换样品
关闭电子枪高压至HT OFF状态，启动充气模式（VENT）至对话框出现，此时样品室气压内外一致，打开样品室舱门，更换样品，其他操作步骤如上述3所示。
5.关机
点击电子枪高压使之由［HT ON］变成［HT OFF］状态，然后关闭SEM主程序，关闭计算机，旋转主机电源钥匙使之由［I］到［O］位置，关掉SEM电源，大约30min关掉循环水系统。
五、数据处理
选择需要的试样区域后，调节各种参数至图像清晰可见，点击SCAN 4或者PHOTO启动照相模式进行拍照，选择JPG、PMN等格式进行保存即可。
六、注意事项
1.本实验操作中各种仪器参数的调节不到位特别是像散的消除不完全很容易造成图像的不清晰。
2.样品的导电性差或者导电处理不好也不容易获得好的图像。
七、思考题
1.为什么扫描电镜可以利用二次电子信号反应试样微区形貌特征？
2.电镜的固有缺陷有哪几种？像散是怎样产生的？