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锂电知识必备(8)——扫描电子显微镜(SEM)

来源:新能源网
时间:2022-03-16 08:07:22
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锂电知识必备(8)——扫描电子显微镜(SEM)这是该锂电知识必备系列文章的第8篇,希望大家可以持续关注。对于锂电材料(正极、负极、电解质(固态)、隔膜等)研发来讲,扫描电子显微镜发

这是该锂电知识必备系列文章的第8篇,希望大家可以持续关注。

对于锂电材料(正极、负极、电解质(固态)、隔膜等)研发来讲,扫描电子显微镜发挥着不可替代的作用。

扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)的工作原理是利用极细的聚焦电子束在样品表面作光栅扫描,电子束与样品表面相互作用产生各种信号,包括二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线等,这些信号被探测器接收放大显示在显示屏上,可用于分析样品的微观形貌、晶体特征、元素组成等。

想要了解扫描电镜的工作原理,知道构成扫描电镜的结构件和其相关作用是必要的。

组成

电子枪

电子枪用来提供高能电子束,可以说是整台电镜最重要的部件之一。电子枪的质量决定着扫描电镜成像的质量。

目前常用的电子枪包括钨阴极、氧化钇阴极、硼化物(LaB6CeB6等)阴极等

钨阴极是扫描电镜最常用的发射阴极。采用直径0.2mm左右的钨丝,弯曲成发夹型或“V”字型。当电流流过钨阴极时,钨灯丝被加热,钨灯丝中的电子被激发,在加速电场的作用下发射。钨灯丝的寿命一般在80~100h。钨阴极对真空度要求不是特别高,≤10-3Pa,发射电流和竖斑较大,抗干扰能力较强,结构简单,成本低。但是束流密度小,信噪比差,难以满足超高分辨率的需要,寿命短。

氧化钇铱(Y2O3-Ir)阴极以金属铱为基材,氧化钇为电子发射涂层的阴极。其工作温度约为2000K,发射电流密度为10A/cm2,逸出功约2eV。相较于钨阴极,工作温度比钨阴极低700K,所以蒸发量少,寿命略长;逸出功低。在相同工作温度下,亮度更高。但加工工艺复杂,成本较高,且耐离子轰击的能力较差。

六硼化镧(LaB6)阴极六硼化物具有良好的金属导电性,化学稳定性好。逸出功为2.4eV,在1500K左右即能获得与钨阴极相同的束流密度且亮度较高。工作温度较低,寿命约为钨阴极的10倍左右。但真空度要求较高,必须小于10-5Pa,需要附加一台离子泵,成本增加,此外LaB6本身的成本也较贵,维护成本较高。

冷场发射阴极电子枪场发射阴极仍然采用直径约为0.2mm的单晶钨弯曲成发夹型,再在弯曲的顶端处焊接钨针尖。场发射阴极尖端需承受较大的电场,会产生很大的机械应力,这也是选用钨的主要原因。冷场发射需要正空度小于10-7Pa,真空腔内的残余气体分子会导致发射电流的不稳定,需隔8小时左右进行2000℃的烧洗(Flashing),让电子枪表面附着的气体分子挥发掉。

热场发射阴极电子枪在钨丝针尖涂覆一小团金属氧化物(氧化锆等),氧化锆使钨阴极的电子逸出功从4.5eV下降到2.5eV。阴极尖端在1800K温度下工作,因此无需Flashing操作,真空度可比冷场小一个数量级。

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图片来源施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》

电磁透镜

定义通电的线圈产生的磁场所构成的透镜。

还有一种透镜为静电透镜静电场构成的透镜。钨阴极和LaB6阴极采用电磁透镜,场发射电镜的第一聚光镜为静电透镜,第二聚光镜为电磁透镜。

可见光可以通过玻璃透镜汇聚成像,而能让运动的电子产生偏折的方法是添加电场或磁场。

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图片来源施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》

工作原理电子束通过电磁透镜时,由于电子带负电,所以受到洛伦兹力使得运动方向发生偏转。电子在磁场和外加电场的作用下螺旋前进。

扫描偏转线圈

为了实现电子束在试样上可控的光栅状扫描,在镜筒内设计了设计了上下两组驱动电子束扫描偏转的线圈。扫描顺序是从上到下,从左至右,逐点,逐行扫描。

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图片来源施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》

当电子通过上偏转线圈时,方向发生偏折,再通过下偏转线圈时,方向再次发生偏折。使用双偏转线圈的目的是使电子束通过末级透镜的中心入射到样品上。

样品仓

样品仓的材料是优质的无磁性不锈钢。样品仓的容积越大,对铸造要求越高,对样品台的移动稳定性要求越高,对配套的真空泵和驱动电机的功率要求也相应增加。有些场发射电镜还加装了气锁装置和样品交换仓,当更换样品时,避免样品仓直接与大气相通。

真空泵

包括旋片式机械泵、无油干式机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵、离子吸附泵。

成像

二次电子

二次电子是高能电子束轰击样品表面而逸出的核外电子。当原子的核外电子从入射电子那大于相应的结合能后,脱离原子核的束缚成为自由电子,也就是二次电子。二次电子主要来自于样品表面1~10nm深度的表面。二次电子能很好的显示样品表面的微观形貌。市场上说的扫描电镜的分辨率指的就是二次电子的分辨率。

背散射电子

入射电子与样品作用后,一部分原入射电子会逸出样品表面,这部分电子称为背散射电子。背散射电子的分辨率仅次于二次电子。其成像信息主要来自逸出样品表面的原入射电子,所以能量较高,约为原入射电子能量的0.7~0.9倍。背散射电子的产生深度在样品表面1μm左右,产生的数量随原子序数的增大而增加。

此外,还有吸收电子、透射电子、特征X射线、连续谱X射线、俄歇电子、阴极荧光和二次荧光等,这里不再一一介绍。

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图片来源张大同《扫描电镜与能谱仪分析技术》

附本文参考文献

施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》 张大同《扫描电镜与能谱仪分析技术》