电镜SEM扫面电镜成像原理ppt课件

1、扫描电镜扫描电镜 SEMn SEM SEM的特点的特点n SEMSEM成像的物理信号成像的物理信号 n SEMSEM的构造与任务原理的构造与任务原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像衬度像衬度n SEMSEM样品制备样品制备 扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不一样，它不用什么透镜来进展放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。特点特点 n仪器分辨身手较高。二次电子像分辨身手可达仪器分辨身手较高。二次电子像分辨身手可达1.0nm(1.0nm(场发射场发射),3.0nm(),3.0nm(钨灯丝钨灯丝) )；n仪器放大倍数变化范围大从几倍到几十万倍，仪器放大倍数变化范

2、围大从几倍到几十万倍，且延续可调；且延续可调；n图像景深大，富有立体感。可直接察看起伏较大图像景深大，富有立体感。可直接察看起伏较大的粗糙外表如金属和陶瓷的断口等；的粗糙外表如金属和陶瓷的断口等；n试样制备简单。块状或粉末的试样不加处置或稍试样制备简单。块状或粉末的试样不加处置或稍加处置，就可直接放到加处置，就可直接放到SEMSEM中进展察看中进展察看, ,比透射比透射电子显微镜电子显微镜TEMTEM的制样简单。的制样简单。n SEM SEM的特点的特点n SEMSEM成像的物理信号成像的物理信号 n SEMSEM的构造与任务原理的构造与任务原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEM

3、SEM像衬度像衬度n SEMSEM样品制备样品制备 背散射电子背散射电子 它是被固体样品中原子反射回来它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。又分弹性背散射的一部分入射电子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电电子和非弹性背散射电子。背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子子的能量比较高，其约等于入射电子能量能量 E0E0。二次电子二次电子 它是被入射电子轰击出来的样品它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电子。二次电核外电子，又称为次级电子。二次电子的能量比较低，普通小于子的能量比较低，普通小于50eV50eV；吸收电子吸收电子 是随着与样品中原子核或核外是随着与样

4、品中原子核或核外电子发生非电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活弹性散射次数的增多，其能量和活动才干不断动才干不断降低以致最后被样品所吸收的入射降低以致最后被样品所吸收的入射电子。电子。电子在铜中的透射、吸收电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系和背散射系数的关系 由图知，样质量量厚度越大，那么透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越大，但达一定值时坚持定值。透射透射吸收吸收背散射背散射+二次电子二次电子n SEM SEM的特点的特点n SEMSEM成像的物理信号成像的物理信号 n SEMSEM的构造与任务原理的构造与任务原理 n SEMSEM的主要性能的主要

5、性能n SEMSEM像衬度像衬度n SEMSEM样品制备样品制备 扫描电镜的构造扫描电镜的构造 由五个系统组成由五个系统组成(1)(1)电子光学系统镜筒电子光学系统镜筒 (2)(2)扫描系统扫描系统(3)(3)信号搜集和图像显示系统信号搜集和图像显示系统(4)(4)真空系统真空系统(5)(5)电源系统电源系统SEM电子枪发射的电子束电子枪发射的电子束经过经过2-32-3个电磁透镜聚焦个电磁透镜聚焦信号强度随样品外表特信号强度随样品外表特征而变。它们分别被相征而变。它们分别被相应的搜集器接受，经放应的搜集器接受，经放大器按顺序、成比例地大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。放大后，送到显像管。

6、 在样品外表按顺序逐行在样品外表按顺序逐行扫描，激发样品产生各种扫描，激发样品产生各种物理信号物理信号: :二次电子、背二次电子、背散射电子、吸收电子等。散射电子、吸收电子等。 (1)电子光学系统镜筒电子光学系统镜筒 由电子枪、聚光镜、物镜和样品室由电子枪、聚光镜、物镜和样品室 等部件组成。等部件组成。n扫描电镜普通有三个聚光镜：扫描电镜普通有三个聚光镜：n前两个透镜是强透镜，用来减少电前两个透镜是强透镜，用来减少电子束光斑尺寸。子束光斑尺寸。n第三个聚光镜是弱透镜，具有较长第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可的焦距，在该透镜下方放置样品可防止磁场对电子轨迹的干扰。防止

7、磁场对电子轨迹的干扰。 (2) 扫描系统扫描系统 扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：成。它的作用是： 1) 使入射电子束在样品外表扫描，使入射电子束在样品外表扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描；作同步扫描； 2) 改动入射束在样品外表的扫描幅改动入射束在样品外表的扫描幅度，从而改动扫描像的放大倍数。度，从而改动扫描像的放大倍数。 (3) 信号搜集和图像显示系统信号搜集和图像显示系统 扫描电镜运用的物理信号可分为：扫描电镜运用的物理信号可分为： 1) 电子信号，包括二次电子、背散射电子信号，包括二次电

8、子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用电可直接用电流表测，其他电子信号用电子搜集器；子搜集器； 2) 特征特征X射线信号，用射线信号，用X射线谱仪检射线谱仪检测；测；n 常见的电子搜集器由三部分组成：闪烁体：搜集电子信号 ，光导管：然后成比例地转换成 光 信号，光电倍增管：经放大后再转换成 电信号 输出(增益达106)，作为扫描像的调制信号。加偏压前后的二次电子搜集情况加偏压前后的二次电子搜集情况 (a) 加偏压前加偏压前 (b) 加偏压后加偏压后 搜集二次电子时，常在搜集器前端栅网上加上+250V偏压，使分开样品的二次电

9、子走弯曲轨道，到达搜集器，提高了搜集效率即使是在非常粗糙的外表上，包括凹坑底部或突起外的反面部分，都能得到明晰的图像。背散射电子能量比较高，受栅网上偏压的影响背散射电子能量比较高，受栅网上偏压的影响比较小，搜集器只能搜集直接沿直线到达的电子。比较小，搜集器只能搜集直接沿直线到达的电子。 同时，为了挡住二次电子进入搜集器，在栅网上加上-250V的偏压。图像显示和记录图像显示和记录 这一系统的作用是将电信号这一系统的作用是将电信号转换为阴极射线显像管电子束强度转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，得到一幅亮度变化的扫描的变化，得到一幅亮度变化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或像，同时用照相方式记

10、录下来，或用数字化方式存储于计算机中。用数字化方式存储于计算机中。(5)(5)真空系统真空系统 (6)(6)电源系统电源系统 扫描电镜的真空系统和电扫描电镜的真空系统和电源系统的作用与透射电镜的一样。源系统的作用与透射电镜的一样。n SEM SEM的特点的特点n SEMSEM成像的物理信号成像的物理信号 n SEMSEM的构造与任务原理的构造与任务原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像衬度像衬度n SEMSEM样品制备样品制备 (1)(1)放大倍数放大倍数 扫描电镜的放大倍数扫描电镜的放大倍数可用表达式可用表达式 M=AC/AS M=AC/AS AC AC是荧光屏上图像的

11、是荧光屏上图像的边长，边长， ASAS是电子束在样品上的是电子束在样品上的扫描幅度。扫描幅度。 目前大多数商品扫描目前大多数商品扫描电镜放大倍数为电镜放大倍数为20-20000020-200000倍，倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。介于光学显微镜和透射电镜之间。(2) (2) 分辨身手分辨身手 SEMSEM的分辨身手与以下要素的分辨身手与以下要素有关：有关： 入射电子束束斑直径入射电子束束斑直径 由于扫描成像，小于入由于扫描成像，小于入射电子束束斑的细节不能分辨。射电子束束斑的细节不能分辨。热阴极电子枪的最小束斑直径热阴极电子枪的最小束斑直径6nm6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于场发射电

12、子枪可使束斑直径小于3nm3nm。不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨身手。身手。二次电子扫描象的分辨身手最高，约等于入二次电子扫描象的分辨身手最高，约等于入射电子束直径，普通为射电子束直径，普通为6-10nm，背散射电子为背散射电子为50-200 nm，吸收电子和吸收电子和X射线为射线为100-1000nm。影响分辨身手的要素还有信噪比、杂散电磁影响分辨身手的要素还有信噪比、杂散电磁场和机械震动等。场和机械震动等。(3)(3)景深景深 SEMSEM景深很景深很大。它的景深取大。它的景深取决于分辨身手和决于分辨身手和电子束入射半角电子束入射半角acac。

13、由图可知，。由图可知，扫描电镜的景深扫描电镜的景深F F为为 由于由于acac很小，所很小，所以上式可写作以上式可写作ctgdF0cdF0景深的依赖关系景深的依赖关系 n扫描电子显微镜末级透镜采用小孔径扫描电子显微镜末级透镜采用小孔径角角, ,长焦距长焦距, ,的的角很小约角很小约10-3rad10-3rad，所以它的景深很大。所以它的景深很大。n它比普通光学显微镜景深大它比普通光学显微镜景深大100-500100-500倍，倍，比透射电子显微镜的景深大比透射电子显微镜的景深大1010倍。倍。n例如在放大倍数是例如在放大倍数是500500倍时，焦深可倍时，焦深可达达1000m1000m。n因此

14、对于复杂而粗糙的样品外表，因此对于复杂而粗糙的样品外表，依然可得明晰聚焦的图像。并且图依然可得明晰聚焦的图像。并且图像立体感强，易于分析像立体感强，易于分析 . .n SEM SEM的特点的特点n SEMSEM成像的物理信号成像的物理信号 n SEMSEM的构造与任务原理的构造与任务原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像衬度像衬度n SEMSEM样品制备样品制备 SEM像衬度像衬度形貌衬度形貌衬度原子序数衬度原子序数衬度外表形貌衬度n由于二次电子信号主要来自样品表层由于二次电子信号主要来自样品表层5-l0 nm5-l0 nm深度范围，它深度范围，它的强度与原子序数没有明确

15、的关系，适用于显示形貌衬度。的强度与原子序数没有明确的关系，适用于显示形貌衬度。 n入射电子束与试样外表法线间夹角愈大，二次电子产额愈入射电子束与试样外表法线间夹角愈大，二次电子产额愈大大 背散射电子信号对外表形貌的变化不背散射电子信号对外表形貌的变化不那么敏感，分辨率不如二次电子像高，信那么敏感，分辨率不如二次电子像高，信号强度低。号强度低。 2 2 原子序数衬度原子序数衬度 原子序数衬度又称为化学成分衬原子序数衬度又称为化学成分衬度，它是利用对样品微区原子序数或度，它是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区化学成分制

16、信号得到的一种显示微区化学成分差别的像衬度。差别的像衬度。这些信号主要有背散射电子、吸收这些信号主要有背散射电子、吸收电子和特征电子和特征X X射线等。射线等。(1) (1) 背散射电子像衬度背散射电子像衬度 ; 样品外表上平均样品外表上平均原子原子序数较高的区域，序数较高的区域，产生较强的信号，产生较强的信号，在背散射电子像上在背散射电子像上显示较亮的衬度。显示较亮的衬度。 背散背散射电射电子产子产率率二次电子二次电子产率产率(2) (2) 吸收电子像衬度吸收电子像衬度 +=1+=1：背散射，：背散射，：二次：二次：吸收：吸收因此可以以为，样品外表因此可以以为，样品外表平均原子序数大的微区，

17、背散平均原子序数大的微区，背散射电子信号强度较高，而吸收射电子信号强度较高，而吸收电子信号强度较低，两者衬度电子信号强度较低，两者衬度正好相反。正好相反。 背散射电子像背散射电子像吸收电子像吸收电子像奥氏体铸铁的显微构造奥氏体铸铁的显微构造在背散射电子像上的石墨条呈现暗的衬度，在背散射电子像上的石墨条呈现暗的衬度，而在吸收电子像上呈现亮的衬度。而在吸收电子像上呈现亮的衬度。 外表形貌衬度的运用外表形貌衬度的运用 n基于二次电子像外表形貌衬度的分辨率比基于二次电子像外表形貌衬度的分辨率比较高且不易构成阴影等诸多优点，使其成为扫较高且不易构成阴影等诸多优点，使其成为扫描电镜运用最广的一种方式，尤其

18、在失效工件描电镜运用最广的一种方式，尤其在失效工件的断口检测、磨损外表察看以及各种资料形貌的断口检测、磨损外表察看以及各种资料形貌特征察看上，已成为目前最方便、最有效的手特征察看上，已成为目前最方便、最有效的手段。段。1 1资料外表形状组织察看资料外表形状组织察看2 2断口形貌察看断口形貌察看2 2断口形貌察看断口形貌察看3 3磨损外表形貌察看磨损外表形貌察看4 4纳米构造资料形状察看纳米构造资料形状察看5 5生物样品的形貌察看生物样品的形貌察看原子序数衬度像原子序数衬度像n SEM SEM的特点的特点n SEMSEM成像的物理信号成像的物理信号 n SEMSEM的构造与任务原理的构造与任务原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像衬度像衬度n SEMSEM样品制备样品制备 SEMSEM样品制备样品制备 SEM SEM 固体资料样品制备方便，固体资料样品制备方便，只需样品尺寸适宜，就可以直接放只需样品尺寸适宜，就可以直接放到仪器中去察看。样品直径和厚度到仪器中去察看。样品直径和厚度普通从几毫米至几厘米，视样品的普通从几毫米至几厘米，视样品的性质和电镜的样品室空间而定。性质和电镜的样品室空间而定。 对于绝缘体或导电性差的资料来说，那么需求预先在分析外表上蒸镀一层厚度约1020 nm的导电层。 否那么，在电子束