应用及原理解析

扫描电子声显微镜（SEAM）是将扫描电子显微镜和声学技术结合在一起，形成的一种非破坏性的表面和亚表面成像工具。但它又与通常的扫描电镜不同，通常的扫描电镜只能对试样的表面进行观察成像，而扫描电子声显微镜则能对试样的亚表面进行非破坏性的成像，这是普通扫描电镜和其他成像工具所无法比拟的^[32]。扫描电子声显微镜具有如下优点。

1）电子束斑尺寸一般比聚集过的光束斑尺寸小两个数量级，故扫描电子声显微镜具有较高的分辨率。

2）能够在试样的同一区域获得电子声像和二次电子像，这样可以把基于不同成像机理的两幅图像进行比较，进而获得与试样的电、热、弹性等性能有关的更加完善的信息。

图2-29所示为扫描电子声显微镜系统框图^[33]。加速后的电子束受到斩波器的控制，对其调制的是10kHz～1MHz的方波，强度受调制的电子束在经过聚焦之后周期地照射在试样表面。与试样良好耦合的压电换能器将试样中产生的电子声信号接收后送入前置放大器，然后由锁相放大器检测并放大。锁相放大器可同时输出电子声信号的振幅A、相位φ或x、y（即Acosφ，Asinφ）分量，它们由计算机采集存储并成像，最终可得到相应的电子声振幅像、相位像或电子声矢量（x、y）像，同时还可以得到相同条件下的二次电子像（SEI）。扫描电子声显微镜不仅可以实现快速扫描成像，而且能进行线扫描和点扫描，得到定量化的电子声信号，为定量分析提供依据。整个过程从扫描控制到成像输出都是由计算机控制的。

图2-29 扫描电子声显微镜系统框图^[33]

当一束能量受调制的电子束照射在试样表面上时，在离试样表面一定的距离内，电子将与试样发生相互作用，电子的部分能量将转化为试样的热能。由于电子是按照一定频率调制的，故它相当于一个瞬时热源，这热源的温度变化也同步于调制频率而反复升降，从而形成热波。对一半无限大固体，其热波传播方程为(www.xing528.com)

T（x，t）=Ae^-kx+Be^kx （2-50）

k=（1+i）/μ （2-51）

μ=（2λ/ρcω）1/2 （2-52）

式中，A、B为常数；μ为热扩散长度；λ为热导率；ρ为试样密度；c为比热容；ω=2πf（f为调制频率）。

从式（2-51）、式（2-52）可以看出，热波的强度与热源区内试样的热物性有关，当热波在其传播范围内遇到试样内部的不均匀性时（如缺陷、微裂纹、气孔、杂质等），就会被反射和散射。虽然热波是一种高阻尼波，在试样内仅能传播很短的距离，但由于周期性热波的作用，在试样内会产生热膨胀和收缩现象，这种周期变化会造成试样内周期性的弹性形变，从而产生一个与热波同频率（即与调制频率相同）的声波在试样内传输。而声波波长很长，传播距离较远，因而可以用一个与试样声耦合好的压电探测器来探测这一声波，从而达到电子声成像的目的。

材料热学或热弹性质的微小变化是由于试样的局部晶格结构的改变而引起的，因此它能反映出光学和电子显微镜不能反映的微观热性能或热弹性能的差异，可用于残余应力的表征。并且利用扫描电子声显微镜独特的分层成像能力，可揭示残余应力沿深度方向的分布状况，使测定三维残余应力分布成为可能。扫描电子声显微镜的穿透能力较强，适合对不透明材料中的残余应力进行无损测定^[34]。