第25节电子显微镜的结构及工作原理

材料电子显微分析第25节扫描电子显微镜的结构及工作原理燕山大学材料电子显微分析

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前言扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope),简称扫描电镜（SEM），是一种利用电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。目前，扫描电镜已经在多个领域得到了应用，尤其在材料研究领域，扫描电镜已经成为了应用最为广泛的设备之一，这就迫切要求我们对扫描电镜要进行细致深入的了解。扫描电子显微镜的历史扫描电子显微镜的构造扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜的类型燕山大学材料电子显微分析

主要内容燕山大学材料电子显微分析

1、扫描电子显微镜的历史

德国科学家MaxKnoll在1935年设计的一台仪器被认为是第一台扫描电子显微镜。如左下图，他将一个阴极射线管改装，以便放入样品，从另一个阴极射线管获得图像。（两管用一个扫描发生器同步扫描，用二次电子信号调制另一台显示器。）束斑尺寸在0.1~1mm之间，因为二次电子发射的变化产生反差，但没有实用价值。装置虽然简单，但勾画出了扫描电镜的原理性轮廓。

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二战后

英国剑桥大学工程系的CharlesOatley和McMullan在英格兰建造了他们的第一台SEM,到1952年，他们实现了50nm的分辨率。CharlesOatley和McMullan建造的扫描电镜第一台可以用来检测样品的扫描电镜是1942年，Zworykinetal在美国RCA实验室建造的，分辨率1微米。燕山大学材料电子显微分析

1965年首台商品化扫描电镜诞生，体现扫描电镜具有广泛的应用价值。英国剑桥仪器公司制造的第一台商品化扫描电镜燕山大学材料电子显微分析

1967年观察到由于晶体取向，电子和晶格的相互作用而产生的电子通道花样反差，从而发展出现在广泛使用的商品化EBSD技术。

1975年美国Amray公司率先将计算机引入到扫描电镜中，用于程序协调控制加速电压，放大倍数和磁透镜焦距的关系，二次电子图像分辨率达到6nm。

1980年代，扫描电镜开始加入EDS\WDS等分析装备，围绕扫描电镜发展的各种商品化探测器趋于成熟，很大程度拓展了扫描电镜的应用价值。

1985年德国蔡司公司推出计算机控制的带有帧存器的数字图像扫描电镜。

1990年全面进入数字图像扫描电镜时代。

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2、扫描电子显微镜的构造现代扫描电镜结构示意图燕山大学材料电子显微分析

真空系统电子束系统成像系统扫描电子显微镜扫描电子显微镜系统组成真空柱真空泵电子枪电磁透镜机械泵扩散泵分子泵离子泵钨灯丝枪LaB6灯丝枪场发射电子枪燕山大学材料电子显微分析

Q1：为什么需要真空环境？（1）电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效；（2）为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多。Q2：各种样式的电子枪发射源有何差别？钨灯丝LaB6灯丝热场发射灯丝燕山大学材料电子显微分析

扫描电镜电子源比较燕山大学材料电子显微分析

3、扫描电子显微镜的工作原理3.1

材料与电子的相互作用被散射电子二次电子特征X光俄歇电子吸收电子入射电子透射电子试样燕山大学材料电子显微分析

3.2

扫描电子显微镜的原理显示器放大检测扫描发生器电子枪扫描线圈聚光镜中间镜物镜试样扫描电子显微镜的工作原理燕山大学材料电子显微分析

试样闪烁体光导管光电倍增器入射电子二次电子光子电子电流+VSEM二次电子检测系统燕山大学材料电子显微分析

扫描作用原理图燕山大学材料电子显微分析

lL样品扫描区荧光屏扫描区信号转换样品空间显示空间成像原理图燕山大学材料电子显微分析

试样表面形态对二次电子产额的影响少

黑多亮中灰θ=0θ=25θ=45燕山大学材料电子显微分析

二次电子像的形成燕山大学材料电子显微分析

几个常用概念

（1）放大倍率：在扫描电镜中，如果把样品空间中长度为l的直线成像到显示空间上，其长度放大为L，则放大倍率M定义为：M=l/L（2）像元：是指电子束在样品上获取信息的区域，这个区域产生的信息被传送到荧光屏上某个对应的亮点成像。像元的面积越小，图像分辨率越高。在高分辨荧光屏上，最小亮点即荧光粉颗粒直径约为0.1mm，像元直径r0与放大倍率M有如下关系：r0=100/M

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（3）景深：当像平面固定时，在维持物体图像清晰的范围内，近物与远物在光轴上的最大距离差称为景深。图像清晰区abcD2r0α表面粗糙样品景深示意图

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(4)分辨率测定扫描电镜分辨率的金标样燕山大学材料电子显微分析

4、扫描电子显微镜的类型商品扫描电镜主要分为两类：场发射扫描电镜（FEGSEM）和常规扫描电镜（ConventionalSEM，简称CSEM)。此外，环境扫描电镜（ESEM)和可变压力扫描电镜也得到了越来越多的应用。类型照明电子源

分辨率（nm)放大倍率（k×)加速电压（kV)价格比FEGSEM场发射电子枪：冷场阴极Schottky

阴极1~1.510~9000.1~30

2~3CSEM热发射电子枪：钨阴极LaB6阴极3~3.510~3000.5~301场发射与常规扫描电镜主要性能指标对比燕山大学材料电子显微分析

Hitachi冷场发射扫描电镜FEI热场发射扫描电镜燕山大学材料电子显微分析

Hitachi钨灯丝扫描电镜KYKY钨灯丝扫描电镜燕山大学