材料测试方法-扫描电镜SEM详解

•引言
• 扫描电镜的优点是: • 1、有较高的放大倍数，20-20万倍之间
连续可调； • 2、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；
• 3、试样制备简单； • 4、可同时进行显微形貌观察和微区成
分分析。
•引言
• 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 制 造 出 了 第 一 台 商 品 扫 描 电 镜 。 自 其问世以来，得到了迅速的发展，种类不断 增多，性能日益提高，并且已广泛地应用在 生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促 进了各有关学科的发展。
• 扫描电子显微镜
由于透射电镜是TE进行成像的，这就要求 样品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范 围内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备 手段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的 程度。能否直接利用样品表面材料的物质性能 进行微观成像，成为科学家追求的目标。经过 努力，这种想法已成为现实-----扫描电子显
•(1)二次电子成像原理 •a.二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品
•表面的核外电子。
•b.二次电子的性质：主要来自样品表层5~10nm深度范围， 当大于10nm时，能量较低(小于50eV)，且自由程较短，不
能逸出样品表面，最终被样品吸收。
•c.二次电子的数量和原子序数没有明显的关系，对样品 微区表面的几何形状十分敏感。
•扫描电子显微镜 (scanning electron microscope)
• 简称扫描电镜或SEM，它是以类似电视摄影显
•像的方式利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激
• •发新出式来SE的M的各二种次物电理子信像号的来分调辨制率成已像达的到。3~4nm， 放大倍数可以从数倍放大到20万倍左右。
• 由于扫描电镜的景深远比光学显微镜大，可 以用它进行显微断口分析。
•2.1 SEM的构造和工作原理
•2.1.1 SEM的结构
•图片来源：深圳柯西数据公司
•2.2 SEM的构造和工作原理
•2.2.1 SEM的结构
•a.电子光学系统 •扫描电镜 •b.信号收集处理，图像显示和记录系统
•c.真空系统
•（1）电子光学系统(镜 筒)
•电子枪 •电磁透镜 •扫描线圈 •样品室
•二次电子像衬度 •分
•背散射电子像衬度
•衬度：电子像的明暗程度取决于电子束的强弱，当 两个区域中的电子强度不同时将出现图像的明暗差异，
这种差异就是衬度。
•形貌衬度：由于试样表面形貌差别而形成的衬度。
•成分衬度：由于试样表面不同部位原子序数不同而形 成的衬度。
•2.4 SEM的成像衬度
•2.4.1 二次电子像衬度
•2.4 SEM的成像衬度
•d.二次电子成像原理图
•（3）真空系统 •★作用：保证电子光学系统正常工作，防止样品 污染，避免灯丝寿命快速下降。
•★需要提供高的真空度，一般情况下要求保持 • 10-4-10-5mmHg的真空度。
•2.3 SEM的主要性能
•（1）分辨率(点分辨率)
•分辨率是扫描电镜的主要性能指标。
•★定义：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。
• 放大倍数与扫描面积的关系：
•
(若荧光屏画面面积为10×10cm2)
•
放大倍数
扫描面积
•
10×
(1cm)2
•
100×
(1mm)2
•★ 90年代•后期生产1的,00高0×级SEM的放大(倍10数0μ已m到)280万倍左右。
•
Hale Waihona Puke Baidu
10,000×
(10μ m)2
•
100,000×
(1μ m)2
•2.4 SEM的成像衬度
•作用是用来获得很细的电子束（直径约 几个nm），作为产生物理信号的激发源。
•2.2 SEM的构造和工作原理
•a.电子枪 •★作用：利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能 量的电子束。
•b.电磁透镜 •★聚光镜作用：主要是把电子枪的束斑（虚光源）逐 级聚焦缩小，使原来直径约为50μm的束斑缩小成只有
几个nm的细小束斑。
•2.3 SEM的主要性能
•★影响分辨率的因素：
①扫描电子束的束斑直径 ； ②检测信号的类型；
③检测部位的原子序数；
•2.3 SEM的主要性能
•（2）放大倍数
•As—电子束在样品表面扫描的幅度； •Ac—荧光屏阴极射线同步扫描的幅度； •∵Ac是固定不变的，∴As越小，M就越大.
•2.3 SEM的主要性能
•★测定方法：在已知放大倍数（一般在10万倍）的条件 下，把在图像上测到得最小距离除以放大倍数所得数值
就是分辨率。
•★目前：商品生产的SEM，二次电子像的分辨率已优于
•5nm.
•例如：日立公司的S-570型SEM的点分辨率为3.5nm；
•
TOPCON公司的OSM-720型SEM的点分辨率为0.9nm.
•为了达到目的，可选用几个透镜来完成，一般选用3个。
•2.2 SEM的构造和工作原理
•c.扫描线圈
•★作用：使电子束偏转，并在样品表面做有规则的 扫描；即提供入射电子束在样品表面及阴极射线管内
电子束在荧光屏上的同步扫描信号。 •d.样品室
•★主要部件是样品台。它能夹持一定尺寸的样品， 并能使样品进行三维空间的移动，还能倾斜和转动,
微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)。
•JEOL扫描电子显微镜
•
•图片来源：深圳柯西数据公司
•JSM-6301F场发射枪扫描电镜
•图片来源：深圳柯西数据公司
•图片来源：深圳柯西数据公司
•SEM image (beetle)
•扫描电子显微镜
•引言
以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。
•2.2 SEM的构造和工作原理
•（2）信号收集处理，图像显示和记录系统
•作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产 生的各种物理信号，并进行放大；将信号检测 放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极
射线管荧光屏上的图像，供观察或记录。
•2.2 SEM的构造和工作原理