最新一代的扫描电子显微镜(SEM)提供了快速、简便、三维成像和涂层常用材料的成分分析。扫描电镜以其高分辨率成像能力而闻名。然而，它在涂料应用中的接受性受到其对样品类型的限制，对大量样品制备的要求，以及其图像的仅表面性质的限制。低真空(LV)和扩展低真空(ESEM，也称为环境扫描电镜)的最新发展已经消除了对样品类型和样品制备的许多要求。聚焦离子束(FIB)的加入可以研究地下特征和三维结构。

图1

扫描电镜

所有sem通过在样品表面扫描一束精细聚焦的电子束，并将电子束与被扫描区域内每个点的样品原子之间相互作用产生的各种信号映射到二维图像上，从而形成图像。因为电子很容易从它们遇到的任何气体分子中散射出去，所以包含电子源和用于聚焦电子束的电磁透镜的电子柱必须在高真空下工作。传统的sem没有将色谱柱的真空与样品室的真空分开，因此要求样品也能与高真空条件兼容。一般来说，样品必须是干净、干燥、不易挥发的，并且不含有可能逸出破坏真空或电子光学系统的捕获或溶解气体。此外，样品必须是导电的，以防止电荷的积累，可以导致严重的伪影在图像中。

显微镜学家已经开发了一系列样品制备技术，扩展了扫描电镜的适用性。然而，这些准备工作在时间、费用、复杂性和难度方面增加了负担。同样重要的是，所有的制备都可能在某种程度上修改样本，给解释和使用它们所包含的信息带来一层复杂性和不确定性。



图2

低真空扫描电镜和ESEM

为了解决传统高真空扫描电镜(HVSEM)的局限性，开发了低真空扫描电镜。低真空系统将样品室的真空从色谱柱中分离出来，在保持色谱柱所需的高真空条件的同时，允许在色谱室中有更高的压力。在简单的lvsem中，电子束沿电子柱的最终孔径和样品表面之间相对较长的路径散射，将最大腔室压力限制在几百帕斯卡。在此范围内的腔室压力消除了对样品类型的大部分限制，并显著减少了样品制备负担。

SEM中使用的主要成像信号是次级电子(SE)，它是通过与初级电子束的相互作用从样品原子中喷射出来的电子，以及后向散射电子(BSE)，它是来自初级电子束的电子，被样品原子的原子核散射回样品中。二次电子具有非常低的能量，只有当它们在非常接近样品表面时才能被检测到。SE信号具有较高的空间分辨率，对地表形貌非常敏感。BSE具有更高的能量，可以在样品中传播更远的距离。BSE信号具有较低的分辨率，并携带有关样品组成(原子序数)的信息。传统的(Everhardt-Thornley) SE探测器不能在低真空条件下工作，因此一些lvsem依赖于BSE作为主要成像信号。虽然BSE的分辨率较低，但它对充电也不太敏感，并且允许在没有导电涂层的情况下成像导电性能较差的样品。

ESEM将扫描电镜的能力扩展到更高的腔室压力，提供高分辨率的SE成像，以及一种即使在高绝缘样品上也能中和电荷的方法。较高的腔室压力是通过不同的抽真空阶段，降低样品和电子源之间的压力水平来实现的。级由限压孔(PLA)分开，这可能也可能不作为电子光学系统中的光束限制孔。根据探测器设计的具体应用，最终PLA可以放置在靠近样品表面的位置，超出最终光学孔径，从而通过缩短光束必须通过最终高压区域的距离来减少光束散射。

二次电子探测器实际上在放大过程中使用了样品附近的气体。从样品表面冒出的二次电子在外加电场的作用下向探测器加速。加速的电子使气体分子电离，产生额外的电子和正离子。这个过程在样品和检测器之间重复了几次，导致二次电子信号的级联放大。同样重要的是，在级联中产生的正离子可以中和在样品表面积聚的任何电荷。

由于ESEM不需要完整的导电涂层，并且对样品产生的气体或污染不敏感，因此可以用于研究常规SEM无法观察到的动态过程。的新兴领域原位SEM实际上是将样品环境作为实验参数进行操作，观察样品对环境变化的响应变化。例如，ESEM可用于通过热和湿度循环监测涂层行为，或者更确切地说，在溶剂蒸发时“观察涂料干燥”。



图3

x射线微量分析

x射线显微分析可以以微米级的空间分辨率确定样品的元素组成。当电子束将样本原子的内层电子散射时，来自同一原子的外层电子就会填补空位。在这个过程中，它发射出x射线，其能量等于两层壳之间的差值。这种能量差是由原子的电子结构决定的，因此也表明了原子的元素特性。能量色散光谱仪根据这些x射线的能量收集、分类和计数，可以对元素组成进行定性和定量分析。

图4

DualBeam

DualBeam系统将SEM的成像和分析能力与FIB的样品修改能力相结合。DualBeam的横截面分析可以获取SEM成像无法获取的地下信息。在双光束中，离子束和电子束以52°角相交。在操作中，样品被放置于离子束的正常位置，其表面位于离子束的交点处。在这种配置中，被离子束切割的横截面的面同时暴露于电子束以进行高分辨率成像。实时横断面成像确保了当目标特征被揭示时，在目标特征被破坏之前，该过程可以停止。

“切片&查看”技术将三维成像提升到一个新的水平。它以指定的间隔在样本中切割一系列横截面，自动获取并保存每个部分的图像。然后将图像堆栈重建为样本的虚拟模型。模型可以旋转到任何视角，虚拟切除，并渲染表面，遵循对比轮廓，以强调结构细节。

FIB还可以在纳米级控制下沉积材料。在沉积过程中，挥发性前驱体材料通过细针在梁和样品表面附近引入。光束将前驱体分解为沉积在表面的非挥发性组分和被真空系统抽走的挥发性组分。有多种材料可供选择，包括金属和绝缘体。同一类型的注入器系统可用于引入气体，以提高FIB铣削速度。

FIB作为一种成像技术本身不应被忽视。FIB图像对通道效应特别敏感，对于可视化颗粒结构非常有用。



图5

SEM在失效分析中的应用

在下面的例子中，扫描电镜被用来发现汽车油漆样品中的缺陷。当然，样品是一辆模型车，但它确实说明了样品室和舞台的多功能性。对缺陷进行横切，成像并确定其元素组成(图2)。

图3显示了以逐渐提高的放大倍率拍摄的SEM图像的缩放系列。左上方的低倍率图像显示了大的视野和优秀的景深可用。这个系列聚焦于一个缺陷。右下角的图片是用4000倍的放大率拍摄的。其中，缺陷已被离子束横切，样品重新倾斜，从上方显示楔形FIB坑。缺陷顶部的矩形特征是大约2微米厚的保护层，由FIB在横截面之前沉积，以保护任何微妙的表面结构，免受铣削过程中离子束“尾巴”的侵蚀。

图4显示了三幅图像，分别是二次电子SEM图像(左)、fib诱导的二次电子图像(中)和覆盖在SEM图像上的x射线图。缺陷似乎是颗粒夹杂。fib沉积的保护层覆盖在颗粒上。左图中明亮的“液体”粒子外观是带电的产物。中间图像下层的颗粒对比度变化表明了FIB图像由于通道效应对颗粒方向的敏感性。在右侧图像中叠加的x射线地图被设置为红色显示Ca，绿色显示Si。包含内容的组成通常有助于识别源。

在图5中，我们看到了演示切片和视图技术的三张图片。该系统自动通过感兴趣的区域切割一系列横截面，并获得每个横截面的高分辨率图像。将图像堆栈(左)组合起来重建该区域的三维模型(中)。模型可以旋转，切除和渲染，以揭示内部结构。

图6包含相同多层汽车涂料样品的图像。左边的二次电子图像说明了SE信号对表面形貌的敏感性。中间的背散射电子图像显示了BSE信号对每一层不同成分的敏感性。两幅图像都是在低真空条件下获得的，SE图像使用大场气体探测器(ESEM)， BSE图像使用固态探测器，尽管样品具有绝缘性质，但显示没有电荷。x射线光谱(下)采集自顶层。光谱峰的能级(x轴)表明了发射原子的元素特性。每个元素浓度的定量测定可以从峰的强度(y轴)得出。



图6

结论

最新一代的sem提供快速，简单的成像和分析，即使是在涂料应用中常见的湿，脏，挥发性，除气，绝缘材料。低真空和扩展低真空操作消除了许多样品限制和传统高真空SEM所需的大量样品制备。结合SEM和FIB的DualBeam系统可以揭示亚表面结构，实现完整的三维建模和分析。

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