电镜的基本原理电镜

1、第二节 扫描电镜（SEM),Scanning Electron Microanalyzer,一、扫描电镜(SEM),SEM的基本原理,工作原理：从电子枪发射出来的电子束，经两级聚束镜、偏转线圈和物镜射到试样上。由于高能电子束与试样物质的交互作用，结果产生了各种信号。其中最重要的是二次电子，这些信号被相应的接受器接受，经放大器放大后，送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的偏转线圈上的电流同步，因此试样表面任意点发射的信号与显像管荧光屏上相应的亮度一一对应。即电子束打到试样上一点时，在显像管荧光屏上出现一个亮度。而我们所要观察试样一定区域的特征，扫描电镜则是

2、采用逐点成像的图像分解法显示出来的。 图像为立体形象，反映了标本的表面结构。如样品为非金属不导电材料，为了使样本表面发射出次级电子，样本表面要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。,焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究,二、扫描电镜的最大特点,放大倍数范围广，从十几倍到几十万倍，几乎 覆盖了光学显微镜和TEM的范围,样品的电子损伤小 这些方面优于TEM，所以SEM成为高分子材料 常用的重要剖析手段,样品制备较简单，甚至可以不作任何处理。并且样品可以很大，如直径可达10cm以上,三、SEM与TEM的主要区别,在原理上，SEM不是用透射电子成像，而是用二次电子加

3、背景散射电子成像。, 在仪器构造上，除了光源、真空系统相似外，检测系统完全不同。,SEM的分辨率主要受到电子束直径的限制，这里电子束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越随得到好的分辨效果，电子束直径越小，信噪比越小 。,分辨率,四、扫描电镜(SEM)的主要参数,二次电子由于作用区最小因而像的分辨率最高，接近电子束斑直径。其他如背散射电子、X射线以及阴极荧光等作用区较大因而像的分辨率较低,扫描电镜像的放大倍率(M)由屏的大小(某边长乚)与电子束在样品上扫描区域的大小(对应边长l)的比例决定：M=l/L。通常显像管屏的大小是固定的，而电子束扫描区域大

4、小很容易通过改变偏转线圈的交变电流的大小来控制。因此扫描电镜的放大倍数很容易从几倍一直达到几十万倍，而且可以连续地迅速地改变，这相当于从放大镜到透射电镜的放大范围。这是扫描电镜的一大优点。,放大倍数,SEM的放大倍数与屏幕分辨率有关,焦点深度(即焦深)：焦深是指保持像清晰(即保持一定的分辨率)的条件下，物面允许的移动范围。大的焦深不仅使聚焦变得容易，而且对于凹凸不平的样品仍然获得清晰的像，从而增强了像的立体感，使图象易于分析。扫描电镜的焦深很大，这是由于电子束孔径角很小的原因。从而造成扫描电镜像的立体感非常强，这也是扫描电镜的另一大优点。 SEM的焦深是较好光学显微镑的300600倍。 焦深大

5、意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦 。,焦深,F焦深； d 电子束直径； 2a物镜的孔径角,衬度,像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。 SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。 其中最重要的有二次电子像衬度和背散射电子电子像衬度。,1二次电子像衬度及特点,二次电子信号主要来自样品表层510nm深度范围，能量较低(小于50eV)。 影响二次电子产额的因素主要有： (1)二次电子能谱特性； (2)入射电子的能量； (3)材料的原子序数； (4)样品倾斜角。,二次电子像的衬度可以分为以下几类：,(1)形

6、貌衬度 (2)成分衬度 (3)电压衬度 右图为形貌衬度原理,二次电子像衬度的特点：,（1）分辨率高 （2）景深大，立体感强 （3）主要反应形貌衬度。,2背散射电子像衬度及特点,影响背散射电子产额的因素有： (1)原子序数Z (2)入射电子能量E0 (3)样品倾斜角 图22-6 背散射系数与原子序数的关系,背散射电子衬度有以下几类：,(1)成分衬度 (2)形貌衬度,背散射电子像的衬度特点：,（1）分辩率低 （2）背散射电子检测效率低，衬度小 （3）主要反应原子序数衬度,二次电子运动轨迹 背散射电子运动轨迹 图 二次电子和背散射电子的运动轨迹,应用,1断口形貌观察 2显微组织观察 3其它应用（背散

7、射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取向测定）,衬度,表面形貌衬度,原子序数衬度,原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背景电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的差异相当敏感，而二次电子不敏感。高分子中各组分之间的平均原子序数差别不大；所以只有些特殊的高分子多相体系才能利用这种衬度成像。,表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸(称为表面地理)决定的。一般情况下，入射电子能从试详表面下约5nm厚的薄层激发出二次电子，加速电压大时会激发出更深层内的二次电子，从而面下薄层内的结构可能会反映出来，并更加在表面形貌信息上。,表面形貌衬度,原子序数衬度,扫描电子显微镜常见的制样方法有:,五、扫描电子显

8、微镜的样品制备,化学刻蚀法,离子刻蚀,金属涂层法,金属涂层法,应用对象是导电性较差的样品，如高聚物材料，在进行扫描电子显微镜观察之前必须使样品表面蒸发一层导电体，目的在于消除荷电现象利提高样品表面二次电子的激发量，并减小样品的辐照损伤，金属涂层法包括真空蒸发镀膜法和离子溅射浊。,应用对象是包含合晶相和非晶相两个组成部分的样品。它是利用离子轰击样品表而时，两相被离子作用的程度不同，而暴露出晶区的细微结构。,离子刻蚀,化学刻蚀法,应用对象同于离子刻蚀法，包括溶剂和酸刻蚀两种方法。 酸刻蚀是利用某些氧化性较强的溶液，如发烟硝酸、高锰酸钾等处理样品表面，使其个一相氧化断链而溶解，而暴露出晶相的结构。

9、溶剂刻蚀是用某些溶剂选择溶解高聚物材料中的一个相，而暴露出另一相的结构。,六、扫描电镜的观察条件,加速电压效应：,加速电压越低，扫描图像的信息越限于表面，图像就越能反映表面真实面貌。 加速电压越低，荷电效应越小，使图像质量改善，灰度层次丰富而且电子束造成的损伤也减弱。 但加速电压越低，样品表面对于污染变得更敏感。 加速电压越高，电子束越容易聚集变细，易得到高分辨率，受外界干扰也较少，故合适于高倍工作。,物镜光栏的选择：,物镜光栏直径越小则扫描电镜焦深越大，不单聚焦变得容易而且对于凹凸不平的复杂样品，在低倍时仍然可获得清晰聚焦的图像，图像立体感强，易于分析。其次使电子束最小束班直径也缩小，从而提

10、高像的分辨率。 但光栏孔缩小会使束流减少，从而使信号减弱，信噪比下降而使噪音增大。此外，光栏会因孔径小而易被污染从而产生像散，造成扫描电镜性能下降。因此，权衡得失，根据需要选择最佳物镜光栏孔的直径。,工作距离的选择：,从物镜对样品的距离称为工作距离(WD)，一般扫描电镜的工作距离是在540mm之间。在高分辨率工作时，希望提高分辨率，要求获得较小的束斑，就必须使用短焦距的强磁物镜。因为强磁透镜像差小，从而能获得较小的束斑。而强透镜的焦距小，就要求小的工作距离，如WD=5mm。在低倍观察时，样品凹凸不平，要求图像有较大的焦深，则要使用大的工作距离，如WD=40mm。,聚光镜电流的选择:,在扫描电镜

11、中聚光镜的作用是缩小束斑直径。聚光镜电流增大，透镜变强，聚光作用也大，束斑直径变小，则图像分辨率提高，但是，束流变弱，结果信号变弱，信噪比降低，噪音影响大，图像质量下降。因此，在要求高分辨率工作时；使用大的聚光镜电流。在低倍工作时用小聚光镜电流，以减少噪音影响。,七、扫描电子显微镜图像异常,异常反差。由于荷电效应，二次电子发射受到不规则影响，造成图像一部分异常亮，另一部分暗,图像畸变。由于静电场作用使电子束被不规则地偏转，结果造成图像的畸变或出现阶段差。,图像漂移。由于静电场作用使电子束不规则偏移引起图像的漂移。,亮点与亮线。带电样品常常发生不规则放电，结果图像中出现不规则的亮点和亮线。,出现

12、像散。由于静电场作用使电子束难于聚集，或使得像散方向发生变化，以致无法消除。,扫描电子显微镜图像产生缺陷的原因,荷电效应： 当入射电子作用于样品时，从样品上会发出二次电子、背散射电子和俄歇电子(假定电子不能穿透样品而无透射电子)。但主要是二次电子，它的数量远大于后两者，如果样品不导电(生物样品一般不导电)，此时样品会因吸收电子而带负电。就会产生一个静电场干扰入射电子束和二次电子发射，并且当电荷积累到一定程度会发生放电，这些会对图像产生严重影响此称荷电效应，荷电效应对图像会产生一系列的影响：,减少荷电效应的方法： 导电法、降低电压法、快速观察法,边缘效应:,在样品表面凹凸变化大的边缘区域，散射区

13、域与样品表面接近的面积异常增大，结果使边缘区域二次电子发射异常地增加。在图像中这些区域特别亮，造成不自然的反差，这称为“边缘效应”。,边缘效应主要减少方法是降低加速电压，它可以使边缘效应相对减轻。,污染:,污染主要是镜筒真空中油和脂的蒸气等碳氢化合物和残存的水蒸气，在电子束的作用下而分解，碳等物质聚积在电子照射的部位而引起的。结果造成： 由于污染物的覆盖，使样品表面精细结构被遮蔽，从而使分辨率下降。 由于污染覆盖物的二次电子发射率低，使二次电子发射数目下降，从而造成污染区变暗。 当然，污染物同样也会污染镜筒使像散增加，从而使扫描电镜分辨率下降。,解决污染的方法有： 改善电镜真空，减少真空中的油

14、、脂的蒸气和水蒸气。 快速观察，在污染还不严重时完成观察和记录。 如果被污染区域的图像质量显著下降，应更换观察区域或更换样品。,损伤：,扫描电镜观察时，样品可能受到的损伤有：真空损伤；电子束损伤。生物样品从大气中放入真空中时，就会产生真空损伤，主要是由于样品干燥引起的。电子束损伤是由于入射电子的能量引起的。由于电子束照射引起样品照射点局部加热造成样品部分龟裂，也会引起化学结合的破坏。电子束损伤对某些对电子照射敏感的材料是一个严重影响，但对多数生物样品影响不大严重。,减少电子损伤的办法有；降低加速电压，减小电子束流，尽可能用低倍观察和拍摄；加厚喷镀金属膜。,用扫描电镜观 察拉伸情况,喷金的样品,扫描电子显微镜的工作内容,微区形貌观测,二次