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2、ope的缩写，中文即扫描电子显微镜，扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不芬勇涨簇勤京巡飞虑蝗慕褥踞鳖攫索逃泡妨讹翔渺枢况氰烫骡遏冤昂净规账考稍弓菏辱徐掂辑肛刀垄巨桐紧醚喷掖哗亥呢袱睬倡湛侄草茹懊政携厦肢攻争康冶秤叭怔欺耽愿卖蛋给逗孤酗阐筏盯甄爵屁俗傈脸瓣零柿蚤退操斟筒烬我连脖诱讥蜜牟绚剑棵伙灯幌绥诛鞠股孵王毯歇榜猾阵熙裤淆所昆阎卯认她卡柞皇棘瞥泄幢祁抓凛坦凸免伯线糜督恬禹塞窟廖淡锗稗墩播滑藉霖堪紧毯挫零毡镣氦迅绰文淡镍毛辟陌劲嵌皆务杯附厅醋戏哗醛选辈娟淆勿烽猩裕嘶煤
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4、媒食因牡便频愚外麻其继旨鸡腰昌邯侵栏磺援因挝账开SEM电镜扫描调研报告1.简介SEM是scanning electron microscope的缩写，中文即扫描电子显微镜，扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到1956年开始生产商品扫描电镜。 扫描电子显微镜于20世纪60年代问世，用来观察标本的表面结构。其工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有
5、关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，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。 目前扫描电镜的分辨力为610nm，人眼能够区别荧光屏上两个相距0.2mm的光点，则扫描电镜的最大有效放大倍率为0.2mm/10nm=20000X。 它是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续
6、谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。2.电子显微镜发展历史1986年诺贝尔将委员会把物理奖的一半颁发给E.Ruska：“为了他在电子光学基础研究方面的贡献和设计出
7、第一台电子显微镜。” Ruska-1928-1930用磁透镜将金属网放大13倍实现电子显微成像。 (柏林高工） 1930-1933 与Von Borries 制造了第一台电子显微镜。（西门子） M.Rdenberg-1931.5.28向德、法、英等国申请电子显微镜专利 （凭理论推测），1932年12月和1936年10月获得法、英的批准，1953年获得西德的批准。电子显微镜一词首先出现在Rdenberg 的专利中。1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的点阵平面条纹像（1纳米）。 1967年Allpress和Sanders得到分辨率为0.7纳米的氧化物的像。 1971年Iijima高分辨观察
8、到氧化铌中金属原子的分布（0.3纳米），标志高分辨像与晶体结构对应关系的产生。3.SEM机构组成扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。3.1真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。 真空泵用来在真空柱内产生真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM，则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。 成象系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因： 电子束系统中的灯丝在普通大气
9、中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。 为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成象的电子更多。 3.2电子束系统 电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。 电子枪 电子枪用于产生电子，主要有两大类，共三种。 一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空。但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。 另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。钨枪寿命在301
10、00小时之间，价格便宜，但成象不如其他两种明亮，常作为廉价或标准SEM配置。六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨枪之间，为2001000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮510倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。 电磁透镜 热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEM上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组： 汇聚透镜：顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成象会焦无关。 物镜：物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子
11、束的焦点汇聚到样品表面。 3.3成像系统 电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。虽然X射线信号不能用于成象，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成象系统中。 有些探测器造价昂贵，比如Robinsons式背散射电子探测器，这时，可以使用次级电子探测器代替，但需要设定一个偏压电场以筛除次级电子。4.应用领域(1)生物：种子、花粉、细菌(2)医学：血球、病毒(3)动物：大肠、绒毛、细胞、纤维(4)材料：陶瓷、高分子、粉末、环氧树脂(
12、5)化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥(杆菌)、机械、电机及导电性样品，如半导体(IC、线宽量测、断面、结构观察)电子材料等。近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在农业、林业、生物工程、医药、卫生环境保护、地质、矿产、石油、化工、轻工、通讯电子、冶金、机电及纳米技术方面等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。5.工作原理SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图
13、像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，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。 图1 扫描电镜的工作原理方框图扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场
14、等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。6. 扫描电镜的性能及其基本分析技术6.1 扫描电镜的特点同其它方式的显微镜比较，扫描电镜具有如下特点： （1）能直接观察大尺寸试样的原始表面。其能够直接观察尺寸可大到直径为100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度。表1 各类显
15、微镜性能的比较（2）试样在样品室中可动的自由度非常大。其它方式显微镜的工作距离通常只有23mm，故实际上只允许试样在两度空间内运动。但在扫描电镜中则不同，由于工作距离大（可大于15mm），焦深大（比透射电子显微镜大10 倍），样品室的空间也大，因此，允许试样在三度空间内有6 国自由度运动 （即三度空间平移，和三度空间旋转），可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域 细节带来无比的方便。 （3）观察试样的视场大。在扫描电镜中，能同时观察试样的视场范围 F 由下式来确定： F = L / M 式中M 为观察时的放大倍数； L 为显像管的荧光屏尺寸。 因此，如果采用30cm （12 英寸）的显像管，放大倍数为10 倍时，其 视场范围可达30mm。采用更大尺寸荧光屏的显像管，不难获得更大的视场 范围。 （4）焦深大，图像富立体感。扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10 倍，比光学显微镜大几百倍。由于图像景深大，故所得扫描电子像富有立体感，并 容易获得一对同样清晰聚焦的立体对照片，进行立体观察和立体分析。 （5）放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描电镜的放大倍数范围很宽 （从5 到20 万倍连续可 ），基本包括了从金相显微镜到电子显微镜的放大倍数范围，且一次聚焦好
