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1、扫描电镜显微分析简介扫描电镜显微分析简介 扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电镜显微分析简介扫描电镜显微分析简介 概况扫描电镜的优点扫描电镜成像的物理信号扫描电镜的工作原理扫描电镜的构造扫描电镜的主要性能应用举例概况概况 扫描电子显微镜简称扫描电镜，英文缩写：SEM。为适应不同要求，在扫描电镜上安装上多种专用附件，实现一机多用，使扫描电镜成为同时具有透射电子显微镜（TEM）、电子探针X射线显微分析仪（EPMA）、电子衍射仪（ED）等多种功能的一种直观、快速、综合的表面分析仪器。 扫描电镜的优点扫描电镜的优点高的分辨率。由于超高真空技术的发展，场发射高的分辨率。由于超高
2、真空技术的发展，场发射电子枪的应用得到普及，现代先进的扫描电镜的电子枪的应用得到普及，现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到分辨率已经达到1 1纳米左右。纳米左右。有较高的放大倍数，有较高的放大倍数，20-2020-20万倍之间连续可调。万倍之间连续可调。有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。试样制备简单。试样制备简单。可直接观察大块试样。可直接观察大块试样。适用于固体材料样品表面和界面分析。适用于固体材料样品表面和界面分析。适合于观察比较粗糙的表面：材料断口和显微组适合于观察
3、比较粗糙的表面：材料断口和显微组织三维形态。织三维形态。扫描电镜成像的物理信号扫描电镜成像的物理信号 扫描电镜成像所用的物理扫描电镜成像所用的物理扫描电镜成像所用的物理扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体样信号是电子束轰击固体样信号是电子束轰击固体样信号是电子束轰击固体样品而激发产生的。具有一品而激发产生的。具有一品而激发产生的。具有一品而激发产生的。具有一定能量的电子，当其入射定能量的电子，当其入射定能量的电子，当其入射定能量的电子，当其入射固体样品时，将与样品内固体样品时，将与样品内固体样品时，将与样品内固体样品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹原子核和核外电子发生弹原子核和核外电
4、子发生弹原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激性和非弹性散射过程，激性和非弹性散射过程，激性和非弹性散射过程，激发固体样品产生多种物理发固体样品产生多种物理发固体样品产生多种物理发固体样品产生多种物理信号，如二次电子、背散信号，如二次电子、背散信号，如二次电子、背散信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、射电子、吸收电子、射电子、吸收电子、射电子、吸收电子、X X X X射线、射线、射线、射线、俄歇电子等。俄歇电子等。俄歇电子等。俄歇电子等。SEM中的三种主要信号中的三种主要信号背散射电子：背散射电子：背散射电子：背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表入射电子在样品中经散射后再从上
5、表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平均原子量的区域差别。均原子量的区域差别。二次电子：二次电子：二次电子：二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描由样品中原子外壳层释放出来，在扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。X X射线射线射线射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。电子跃迁至内层时发出的光子。其他信号其他信号俄歇电子俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子挣脱原子核
6、的束缚，成为俄歇电子。透射电子透射电子 :电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像, 以揭示样品内部微观结构的形貌特征。扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理扫描电镜成像与电视显象相似。扫描电镜图像按一定时间扫描电镜成像与电视显象相似。扫描电镜图像按一定时间空间顺序逐点扫描形成，并在镜体外显像管荧光屏幕上显空间顺序逐点扫描形成，并在镜体外显像管荧光屏幕上显示出来。示出来。由电子枪发射的能量达由电子枪发射的能量达30keV30keV的电子束，经会聚透镜和物的电子束，经会聚透镜和物镜缩小聚焦，在试样表面形成具有一定能量、一定强度、镜缩小聚
7、焦，在试样表面形成具有一定能量、一定强度、极小的点状电子束。在扫描线圈磁场作用下，电子束在试极小的点状电子束。在扫描线圈磁场作用下，电子束在试样表面上按一定的时间、空间顺序作光栅式逐点扫描。样表面上按一定的时间、空间顺序作光栅式逐点扫描。入射电子束和试样相互作用，从试样表面原子中激发出二入射电子束和试样相互作用，从试样表面原子中激发出二次电子。二次电子收集极的作用，将各方向发射的二次电次电子。二次电子收集极的作用，将各方向发射的二次电子汇集，再经加速极加速，射向闪烁体上转变成光信号。子汇集，再经加速极加速，射向闪烁体上转变成光信号。经光导管到达光电倍增管，使光信号再次转变为电信号。经光导管到达
8、光电倍增管，使光信号再次转变为电信号。电信号经视频放大器放大，并将其输出送至显像管的栅极，电信号经视频放大器放大，并将其输出送至显像管的栅极，调制显像管的亮度，因而在荧光屏幕上便呈现出一幅亮暗调制显像管的亮度，因而在荧光屏幕上便呈现出一幅亮暗程度不同的反映试样表面形貌的二次电子象。一幅扫描图程度不同的反映试样表面形貌的二次电子象。一幅扫描图像由多达像由多达100100万个分别与被分析物表面物点一一对应的图万个分别与被分析物表面物点一一对应的图像点构成。像点构成。扫描电镜成像示意图扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理 对对于于扫扫描描电电镜镜的的另另一一种种衬衬度度像像背背散散射射电电子子像像的
9、的成成像像原原理理和二次电子像的成像原理相似，此次就不再赘述。和二次电子像的成像原理相似，此次就不再赘述。 扫扫描描电电镜镜除除了了能能显显示示一一般般试试样样表表面面的的形形貌貌外外，还还能能将将试试样样微微区区范范围围内内的的化化学学元元素素、光光、电电、磁磁等等性性质质的的差差异异以以二二维维图像形式显示出来，并可用照相方式拍摄图像。图像形式显示出来，并可用照相方式拍摄图像。扫描电镜的构造扫描电镜的构造电子光学系统电子光学系统扫描系统扫描系统信号收集系统信号收集系统图像显示和记录系统图像显示和记录系统真空系统真空系统电源系统电源系统电子光学系统电子光学系统 由电子枪、聚光镜、物镜和样品室
10、等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束(直径一般为10nm或更小)来轰击样品，使样品产生各种物理信号扫描系统扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：1) 使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描；2) 改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。信号收集系统信号收集系统扫描电镜应用的物理信号可分为：扫描电镜应用的物理信号可分为：1) 1) 电子信号，包电子信号，包括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，
11、其他电子信号用电子吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用电子收集器；收集器；2) 2) 特征特征X X射线信号，用射线信号，用X X射线谱仪检测；射线谱仪检测；3) 3) 可见光讯号（阴极荧光），用可见光收集器。可见光讯号（阴极荧光），用可见光收集器。常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部件。其作用是将电子信号收集起来，然管组成的部件。其作用是将电子信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转换成电信后成比例地转换成光信号，经放大后再转换成电信号输出号输出( (增益达增益达106)106)，这种信号就用来作为扫描像的，这种信
12、号就用来作为扫描像的调制信号。调制信号。图像显示和记录系统图像显示和记录系统 这一系统的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存储于计算机中。真空系统和电源系统真空系统和电源系统真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般为并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa0.
13、01Pa0.001Pa0.001Pa。 电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能放大倍数分辨率景深扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能放大倍数放大倍数 扫描电镜的放大倍数可用表达式扫描电镜的放大倍数可用表达式 M=AC/ASM=AC/AS式中式中ACAC是荧光屏上图像的边长，是荧光屏上图像的边长， ASAS是电子束在样品是电子束在样品上的扫描振幅。上的扫描振幅。目前大多数商品扫描电镜放大倍数为目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-2000020-20000倍，介倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。于光学显微镜和透射
14、电镜之间。分辨率分辨率对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。SEMSEM的分辨率大小与以下因数有关：的分辨率大小与以下因数有关： 入射电子束束斑直径入射电子束束斑直径 入射电子束在样品中的扩展效应入射电子束在样品中的扩展效应扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能景深 景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。的一个能力范围。 扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大扫描电镜的景深为比一
15、般光学显微镜景深大100-500100-500倍，比倍，比透射电镜的景深大透射电镜的景深大10 10 倍。倍。 景深取决于分辨本领和电子束入射半角景深取决于分辨本领和电子束入射半角a ac c。由右下图可知，。由右下图可知，扫描电镜的景深扫描电镜的景深F F为：为：d d0 0临界分辨本领，临界分辨本领， a ac c电子束的入射半角电子束的入射半角 扫描电镜应用实例扫描电镜应用实例断口形貌分析纳米材料形貌分析在微电子工业方面的应用 1018号钢在不同温度下的断口形貌 断口形貌分析断口形貌分析ZnO纳米线的二次电子图像 多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像纳米材料形貌分析纳米材料形貌分析（a）芯片导线的表面形貌图， （b）CCD相机的光电二极管剖面图。在微电子工业方面的应用在微电子工业方面的应用谢谢大家！谢谢大家！此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！
