扫描电子显微镜工作 原理、构造和性能

1、扫描电子显微镜Scanning Electron Microscope（SEM）第4章 扫描电子显微镜工作 原理、构造和性能Chapter 4 Principles, Structure and Performance of SEMKUSTContents4.1 工作原理4.2 扫描电子显微镜的构造4.3 扫描电子显微镜主要性能4.4 样品制备KUST4.1 工作原理Principles of Scanning Electron Microscope KUST4.1 工作原理 从原理上讲，扫描电子显微镜与闭路电视系统非常相似。闭路电视系统扫描电子显微镜KUST4.2 扫描电子显微镜的构造Str

2、ucture of Scanning Electron Microscope KUST4.2.1 电子光学系统 电子光学系统的作用：用来产生扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。 电子光学系统的组成部分：电子枪、电磁聚光镜、光阑、样品室。KUST 为了获得较高的信号强度和扫描像（尤其是二次电子像）分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。 如果要求样品表面扫描的电子束直径为dp，电子源（即电子枪第一交叉点）直径为de，则电子光学系统必须提供的缩小倍数M 为：4.2.1 电子光学系统dedpKUST4.2.2 电子枪 扫描电子显微镜的电子枪有热阴极电子枪和场发射电子枪两种

3、。普通热阴极电子枪产生的电子源直径为20-50m；六硼化镧热阴极电子枪产生的电子源直径为1-10m；而场发射电子枪产生的电子源直径可达0.01-0.1m。电子枪类型亮度A/cm2sr电子源直径m寿命hr真空度mmHg普通热阴极电子枪104-10520-505010-4LaB6电子枪105-1061-1050010-6场发射电子枪107-1080.01-0.1500010-9-10-10KUST4.2.2 电子枪热阴极电子枪场发射电子枪 普通热阴极或六硼化镧阴极电子枪都属于热发射电子枪，而场发射电子枪则属于冷发射电子枪。它是利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场（如107V/mm），使阴极尖

4、端发射电子的，所以叫场致发射（简称场发射）。KUST4.2.2 电子枪与热阴极电子枪相比，场发射电子枪可以得到直径更小、亮度更大的电子源。KUST4.2.3 电磁聚光镜与光阑电磁聚光镜光阑KUST4.2.4 样品室KUST4.2.5 扫描系统 扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号；改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍数的扫描像。它由扫描信号发生器、放大控制器等电子学线路和相应的扫描线圈所组成。DetectorSampleCondenserApertureObjective LensElectron gunScanning coil

5、sKUST 一般根据操作需要采用如图所示的双偏转系统来控制电子束在样品表面上作光栅扫描（图 a）或角光栅扫描（图 b）。上偏转线圈装在本级聚光镜的物平面位置上。当上、下偏转线圈同时起作用时，电子束在样品表面上作光栅扫描；若下偏转线圈不起作用，而末级聚光镜起着第二次偏转作用，则使电子束在样品表面作角光栅扫描（摆动）。4.2.5 扫描系统电子束在样品表面的扫描方式 a 光栅扫描（面扫描） b 角光栅扫描（线扫描）KUST4.2.6 信号检测放大系统 信号检测放大系统其作用是检测样品在人射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大，作为显像系统的调制信号。不同的物理信号，要用不同类型的检测系统。它大致

6、可以分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。KUST4.2.6 信号检测放大系统 电子检测器：通常采用闪烁计数器来检测二次电子、背散射电子、透射电子等信号。用来检测二次电子或背散射电子时，检测器装在样品上侧；用于检测透射电子时，装在薄样品的下方。 当信号电子撞击并进入闪烁体时，将引起电离；当离子与自由电子复合时，产生可见光信号沿光导管送到光电倍增器进行放大，输出电信号可达10mA左右，经视频放大器稍加放大后作为调制信号。KUST4.2.6 信号检测放大系统二次电子检测器This is a picture taken inside the sample chamberThis i

7、s an image of the broken surface of a piece of metal, formed using secondary electron imaging.KUST4.2.6 信号检测放大系统背散射电子检测器This image shows the inside of the sample chamberThis is an image of an aluminum copper alloy formed using backscattered electron imaging. The light area is mostly copper and the d

8、ark area is mostly aluminum .KUST4.2.7 图像记录系统 图像记录系统的作用：是把信号检测系统输出的调制信号，转换为在阴极射线管荧光屏上显示的样品表面某种特征的扫描图像，供观察或照相记录。KUST 阴极荧光检测器：由光导管、光电倍增器所组成。阴极荧光信号经光导管直接送到光电倍增器放大，再经视频放大器适当放大后即可作为调制信号。 X射线检测系统：由谱仪和检测器两部分组成，有关内容将在后面介绍。4.2.6 信号检测放大系统KUST4.2.8 真空系统 真空系统的作用：是建立能确保电子光学系统正常工作、防止样品污染所必须的真空度。一般情况下要求保持优于10-410-

9、6 mmHg的真空度。KUST4.3 扫描电子显微镜的主要性能Performance of Scanning Electron Microscope KUST4.3.1 放大倍数 扫描电子显微镜的放大倍数：一般可以从20倍连续调节到30万倍。AsAc在样品表面在显示屏上KUST4.3.2 分辨率 在特定的情况下拍摄的图象上，测量两亮区之间的暗间隙宽度，然后除以总放大倍数，其最小值即为分辨本领。d0KUST4.3.2 分辨率影响分辨率的主要因素：扫描电子束斑直径入射电子束在样品中的扩展效应操作方式及其所用的调制信号信号噪音比杂散磁场机械振动KUST4.3.2 分辨率1）扫描电子束斑直径 一般认为

10、扫描电子显微镜能分辨的最小间距（分辨本领）不可能小于扫面电子束斑直径。KUST4.3.2 分辨率2）入射电子束在样品中的扩展效应 高能入射电子在样品内经过上百次散射后，从整体来说便失去了方向性，向各个方向的散射几率相等，叫做漫散射。电子进入样品后达到漫散射的深度与原子序数有关。KUST4.3.2 分辨率轻元素样品“梨形作用体积”重元素样品“半球形作用体积”电子束作用体积KUST4.3.2 分辨率3）操作方式及其所用的调制信号 由于各种成像信息操作方式所用的调制信号不同，因而所得图像的分辨率也不一样。 二次电子：30（场发射），70（热阴极） 背散射电子：5002000 吸收电子、X射线、阴极荧

11、光、束感生电导或电位：100010000KUST4.3.2 分辨率 4）信号噪音比：信号强度是扫描电子显微镜成像的关键，主要取决于如射电子能量和束流等；噪音则干扰成像，使图像分辨率降低。信号噪音比越高，图像分辨率越高。 5）杂散磁场：无论是机内的还是周围环境的杂散磁场都可能使扫描电子束形状发生畸变、改变样品发射二次电子运动轨迹，降低图像质量，从而使分辨率下降。 6）机械振动：机械振动将引起束斑漂移等，从而使图像分辨率降低。KUST4.4 样品制备Preparation of Samples KUST 扫描电子显微镜的样品制备方法非常简便。对于导电性材料来说，除要求尺寸不得超过仪器规定的范围外，只要用导电胶把它粘贴在铜或铝制的样品座上，即可放到扫描电子显微镜中直接进行观察。 对于导电性较差或绝缘的样品来说，由于在电子束作用下会产生电荷堆集，影响人射电子束斑形状和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此，这类样品粘贴到样品座之后要进行喷镀导电层处理。通常采用二次电子发射系数比较高的金、银或碳真空蒸发膜做导电层，膜厚控制在200左右。形状比较复杂的样品在喷镀过程中要不断旋转，