sem扫描电镜 ppt课件

扫描电镜SEM简介
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜，简称为扫描电镜，英文缩写为SEM （Scanning Electron Microscope）。它是用细聚焦的 电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生 的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进 行观察和分析。SEM已广泛应用于材料、冶金、矿物、 生物学等领域。
图7 锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像 图7 (a)(b)就是人工处理得出的例子，(a)图只能得到形貌像，而(b)图就是单纯的成分像。
放大倍数
扫描电镜的放大倍数可以从十倍到几十万倍连续可调。 放大倍数：定义为M=L/l，其中L是显像管的尺寸，l是光栅扫描 时相邻两点的间距。M通过调节扫描线圈的电流进行的，电流 小则电子束偏转角度小，放大倍数增大。 放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需 要进行选择，与分辨率保持一定关系。
二次电子成像及背散射电子成像原理
I. 二次电子成像：由电子枪发射的能量为5—35KeV的电子，以 其交叉斑为电子源，经聚焦缩小后形成具有一定能量、强度 和直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下在试样表面做栅网 式扫描。电子束与试样作用产生的二次电子的量随试样表面 形貌而变，二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经处 理后得到反应试样表面形貌的二次电子像。
SEM的主要性能参数
分辨率
放大倍数
景深
分辨率
对微区成分分析而言，分辨率是指能分析的最小区域；对成像 而言，它是指能分辨两点间的最小距离。 SEM的分辨率主要受三方面的影响： 1.入射电子束束斑直径； 2.入射电子束在样ห้องสมุดไป่ตู้中的扩展作用； 3.成像方式及所用的调制信号。 二次电子像的分辨率约为5-10nm，背反射电子像的分辨率约 为50-200nm。一般来说SEM的分辨率，都指的是二次电子的 分辨率。
电子枪
利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大 多数扫描电镜采用热阴极电子枪。优点：灯丝价格便宜，真 空要求不高；缺点：发射效率低，发射源直径大，分辨率低。 现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子 枪，二次电子像的分辨率可达到2nm。 扫描电镜的分辨率与电子在试样上的最小扫描范围有关。通 常电压为1〜30kV。
图5 各种检测器的示意图
图6 信号处理的流程示意图
真空系统和电源系统
真空系统：包括机械泵和扩散泵。 作用：为保证电子光学系统正常工作，提供高的真空度，防止 样品污染，保持灯丝寿命，防止极间放电。 电源系统：包括启动的各种电源（高压、透镜系统、扫描电 圈），检测−放大系统电源，光电倍增管电源，真空系统和成 像系统电源灯。还有稳压、稳流及相应的安全保护电路。
图4 SEM样品室
信号收集和显示系统
信号收集：二次电子和背散射电子收集器、吸收电子显示器、 X射线检测器（波谱仪和能谱仪）。
显示系统：显示屏有两个，一个用于观察，一个用于记录照 相。阴极射线管CRT扫描一帧图像可以有0.2s、0.5s等扫描速 度，10cm×10cm的屏幕，一般有500条线，用于人眼观察； 照相的800〜1000条线。观察时为便于调焦，采用快的扫描 速度；拍照时为得到高分辨率，采用慢的扫描扫描速度（50 〜100s）。
II. 背散射电子成像：入射电子与样品接触时，其中一部分几乎 不损失能量地在样品表面被弹性散射回来，这部分电子被称 为背散射电子。背散射电子的产额随样品的原子序数的增大 而增加，因此成像可以反映样品 的元素分布，及不同相成分 区域的轮廓。
二次电子像的信号是二次电子，用于表面形貌分析；背散射电子 像的信号是背散射电子，用于成分分析。因此二次电子像对形貌 敏感，背散射电子像对成分敏感。
图3 三种不同类型的电子枪材质
电磁透镜
作用：是把电子枪的束斑逐渐缩小，从原来直径约为50μm的 束斑缩小成一个只有几nm的细小束斑。 工作原理：一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来 缩小电子束光斑尺寸。 第三个聚光镜是弱透镜（习惯上称其为物镜），具有较长的 焦距，它的功能是在样品室和透镜之间留有尽可能大的空间， 以便装入各种信号探测器。在该透镜下方放置样品可避免磁 场对二次电子轨迹的干扰。
主要内容
SEM的工作原理 SEM的主要结构 SEM的组成部分 SEM的主要性能参数 SEM的优点 应用举例
SEM的工作原理
电子枪发射电子束（直径50μm）。电压加速、磁透镜系统汇 聚，形成直径约5nm的电子束。 电子束在偏转线圈的作用下，在样品表面作光栅状扫描，激发 多种电子信号。 探测器收集信号电子，经过放大、转换，在显示系统上成像 （扫描电子像）。 二次电子的图像信号动态地形成三维图像。 简单概括起来就是“光栅扫描，逐点成像”。
扫描线圈
作用：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子 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，以获得所需放大倍率 的扫描像。SEM的放大倍数是由调节扫描线圈的电流来改变 的，电流小，电子束偏转小，在样品上移动的距离小，放大 倍数大。
样品室
样品台。容纳大的样品（〜100mm），能进行三维空间的移 动，还能倾斜（0〜90°）和转动（360°），精度高，振动 小。 各种信号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置 有很大关系。 多种附件。例如放热、冷却、拉伸，可进行动态观察。
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的一个能力范围。 扫描电镜的物镜采用小孔视角、长焦距，可以获得很大的景深 。 扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深 大10 倍。 由于景深大，扫描电镜图像的立体感强，形态逼真。对于表面粗糙的端口试 样来讲，光学显微镜因景深小无能为力，透射电镜对样品要求苛刻，即使用 复型样品也难免出现假像，且景深也较扫描电镜为小，因此用扫描电镜观察 分析断口试样具有其它分析仪器无法比拟的优点。
SEM的主要结构
图1 SEM的结构示意图
SEM的组成部分
电子光学系统 信号收集处理系统 图像显示和记录系统 真空系统
电源及控制系统
图2 JSM-6301F场发射扫描电镜的结构
电子光学系统
组成：电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部 件。 作用：获得扫描电子束、作为产生物理信号的激发 源。 为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子 束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。