关于扫描电镜原理及提高图像质量的方法课件

• 二次电子
它是被入射电子束轰击出来的样品核外电 子，又称为次级电子。
在样品上方装一个电子检测器来检测不同 能量的电子，结果如图所示。二次电子的能量 比较低，一般小于50eV；背散射电子的能量比 较高，其约等于入射电子能量 E0。
电子能谱图
特征X射线
特征 X射线是原子的内层电子受到激发之 后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能 量和波长的一种电磁波辐射。
扫描电镜成像的物理信号
特征X射线
• 背散射电子
它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电 子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子，前者 是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后 即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者 主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射 回来的电子。
（3）特征X射线衬度
利用特征X射线只与元素种类有关的特性，可 对试样作成份检测。
四、影响扫描电镜像质量的主要因素
一幅高质量的图像应满足三个条件：首先 是分辨率高，显微结构清晰可辨；第二是信噪 比好,没有明显的雪花状噪声;第三是衬度适中, 图像中无论白区还是黑区细节都能看清楚。
影响扫描电镜像质量的主要因素
1. 入射束在样品中的扩展效应 2. 分辨率(入射电子束斑直径) 3. 信噪比 4. 杂散电磁场及机械振动 5. 样品的自然衬度
Fra Baidu bibliotek. 入射束在样品中的扩展效应
电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围 如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子 序数越小，则电子束作用体积越大。因此，用不 同的物理信号调制的扫描像有不同的分辨本领。 二次电子扫描像的分辨本领最高，约等于入射电 子束直径，背散射电子为50-200 nm，X射线为 100-1000nm。
(2)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。
(3)信号收集系统
扫描电镜应用的物理信号可分为： 1）电子信号，包括二次电子、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，其他电子信号用电子收集器； 2）特征X射线信号，用X射线谱仪检测； 3）可见光讯号（阴极荧光），用可见光收 集器。
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(2) 吸收电子像衬度
吸收电子信号强度与二次电子及背散射电 子的发射有关，若样品较厚，即T=0，则 η+δ+α=1。这说明，吸收电子像的衬度是与 背散射电子像和二次电子像是互补的。因此可 以认为，样品表面平均原子序数大的微区，背 散射电子信号强度较高，而吸收电子信号强度 较低，两者衬度正好相反。
二、 扫描电镜的构造
扫描电镜由六个系统组成
(1) 电子光学系统（镜筒） (2) 扫描系统 (3) 信号收集系统 (4) 图像显示和记录系统 (5) 真空系统 (6) 电源系统
(1)电子光学系统（镜筒）
由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件 组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成 亮度高、直径小的入射束来轰击样品，使样品产 生各种物理信号。
J ce V /k T A /c m 2sr
式中, Jc是电子枪的发射电流密度; V为加速 电压; k为玻尔兹曼常数;T 是电子枪灯丝工 作温度(K); e是电子的电荷.
3.信噪比
• 提高信噪比的途径：
• A.增大束流 (电子束的束电流Ip为))
2
断口照片
2.原子序数衬度
原子序数衬度又称为化学成分衬度，它是 利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感 的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区 化学成分差别的像衬度。这些信号主要有背散 射电子、吸收电子和特征X射线。
(1) 背散射电子像衬度
背散射系数η随原子序数Z的变化如图所示 (δ为二次电子产率)。可见，背散射电子信号 强度随原子序数Z增大而增大，样品表面上平均 原子序数较高的区域，产生较强的信号，在背 散射电子像上显示较亮的衬度。因此，可以根 据背散射电子像衬度来判断相应区域原子序数 的相对高低。
三、扫描电镜的成像(衬度)原理
1.形貌衬度
若设α为入射电子束与试样表面法线之间 的夹角，实验证明，当对光滑试样表面、入射 电子束能量大于 1kV且固定不变时，二次电子 产率δ与α的关系为
δ ∝ 1/cosα
实际样品的形状虽然复杂，但都可以被看 作是由许多位向不同的小平面组成的，扫描电 镜中入射电子束的方向是固定的，由于试样表 面凹凸不平，它对试样表面不同处的入射角是 不同的，由此产生二次电子的产额上的差异， 经调制放大便可得到反映样品形貌的二次电子 像。
关于扫描电镜原理 及提高图像质量的
方法
S-2700扫描电镜
如何利用扫描电镜拍出高质量的图像
一、扫描电镜的工作原理 二、扫描电镜的构造 三、扫描电镜的成像(衬度)原理 四、影响扫描电镜像质量的主要因素 五、操作要点 六、样品制备
一、扫描电镜的工作原理
电子枪发射的电子束经两级聚光镜及物镜的 汇聚，形成具有一定能量、一定束流强度和束斑 直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样 表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦 电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以 及其它物理信号），二次电子信号被探测器收集 转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管得到 反映试样表面形貌的二次电子像。
电子束-样品交互作用区
一次电子束 ~ 10 nm: 二次电子
~ 1~2 mm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5mm: X-射线/阴极荧光
同一样品, 不同能量电子束
15 kV
5 kV
25 kV
不同样品, 同一能量电子束
碳
铁
银
2.分辨率(入射电子束斑直径)
入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本 领的极限。
电子束斑直径的计算公式
d21 2C s321.22242 Ip/2
• 公式中，d为电子束斑直径， α为孔径角， Cs为末级透镜的球差系数; λ为入射电子波 长; Ip为电子束电流; β为电子束的亮度.
式中第一项为球差,第二项是衍射差引起的, 第三项是无像差透镜形成的电子束直径。
对于热发射的钨丝电子枪其亮度可表达为