扫描电镜SEM简介-文字版

图 2 Max Knoll (1897-1969) 1935 年提出扫描电镜的设计思想和工作 原理。
图 3 1965 年，剑桥仪器公司制造世 界第一台商用扫描电镜。
上图 2 是 Max Knoll，SEM 设计思想的提出者，他除了 SEM 外，还 参与 Ruska (因为 TEM 的工作，而获得 1986 年的诺贝尔物理奖)的 TEM 的设计中。图 3 是 1965 年剑桥仪器公司的 SEM。
人的肉眼可以分辨的最小物体大概是 0.1mm，那么假如有一个 200nm 的物体，则必须对它进行放大，放大倍数 M=0.1mm/200nm=500 倍。对于更小的物体，几纳米、几十纳米，则无法用光学显微镜来看。 需要更高的放大倍数和更好的分辨率。
2. 电子束作为光源
高速运动的电子具有波粒二象性，它的波长比可见光短的多。根据 德布罗意公式：
图 8 SEM 的结构示意图
2. SEM 的结构
扫描电镜可以分为电子光学系统、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，如图 8。
电子光学系统包括电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件。它的 目的是获得扫描电子束，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。
信号。
四、 SEM 的结构与工作原理
1. 工作原理
扫描电镜的电子束经过栅极静电聚焦后成为直径 50μm 的电光源，经 过加速电压作用，通过多级透镜，会聚成几纳米大小的电子束，打在样 品表面。随后的扫描线圈，它是电子束在样品表面做光栅状扫描， 产生 各种信号，这些信号被接收器桀纣，经过放大器放大之后送到显像管上， 调制显像管的亮度。由于扫描线圈的电流与显像管的相应偏转电流同步， 所以样品表面上一点发射的信号与显像管荧光屏上的点和亮度一一对应。 各个像点从左上方到右下方，依次一行一行地传送出去，直到形成一幅 图像。简单概括起来就是“光栅扫描，逐点成像”。
三、 电子束与固体的相互作用
入射电子束与固体物质碰撞时，电子与组成物体的原子核和核外电 子发生相互作用(如图 4)，使入射电子的方向和能量改变，有时还发生电 子消失、重新发射或产生其他种类离子、改变物质性质等现象，被称为 散射。根据散射中的能量是否改变，分为弹性散射和非弹性散射。如果 电子碰撞后只改变方向而能量不变，则是弹性散射；如果方向和能量都 改变了，就是非弹性散射。电子在非弹性散射中损失的能量转变为热、 光、X 射线、二次电子等，电子的非弹性散射是扫描电镜、能谱分析、
入射电子进入样品深处，横 向扩展，激发出来的背散射电子 能量很高，由于横向扩展的体积 很大，所以背散射电子的分辨率 较低。更深的是特征 X 射线， 它的分辨率比背散射电子还低。
由于二次电子的产额远高
于俄歇电子，且俄歇电子需要超 高真空进行探测分析。所以，二
图 7 各种信号的能量和产额
次电子的分辨率相当于束斑直径。一般都以二次电子为 SEM 的分析成像
3. SEM 的产生简史
1924 年，德布罗意提出物质波的概念，为电子显微镜提供了最基本 的物理基础。1926 年，德国的 Garbor 和 Busch 发现用铁壳封闭的线圈形 成轴对称磁场可以使电子流折射聚焦，于是人们就可以对电子波进行操 控。1935 年，德国的 Knoll 提出现代 SEM 的概念，通过扫描成像进行放 大。1965 年，英国剑桥仪器公司生产出第一台商用 SEM，其分辨率为 25nm。1968 年，Knoll 研制出场发射电子枪，使 SEM 的分辨率得到进一 步的提高。1958 年，中国长春光机所生产了我国第一台 SEM，它的分辨 率是 10nm。
扫描电子显微镜简介
摘要：本文介绍了扫描电子显微镜 SEM 的基本原理、各种信号的产生、结 构组成、衬度和成像的机制、样品的制备、特性参数。此外，对扫描电镜、 光学显微镜和透射电镜的进行了比较。同时，结合自己做过的 Si 纳米线、 Ag 纳米颗粒的制备，进行应用举例。
一、 概述
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。 现在 SEM 都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM 也是显 微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。下 图 1 是一个现代化的扫描电子显微镜，已经完全商品化、精密化、自动化。
4. 俄歇电子
如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以 X 射线 的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另—个电子发射出去， 这个被电离出来的电子称为俄歇电子。俄歇电子能量各有特征值(壳层)， 能量很低，一般为 50-1500eV。俄歇电子的平均白由程很小(~1nm)。只有 在距离表面层 1nm 左右范围内(即几个原子层厚度)逸出的俄歇电子才具 备特征能量，俄歇电子产生的几率随原子序数增加而减少，因此，特别 适合作表层轻元素成分分析。
扫描线圈的作用是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。
样品室首先就是样品台。要容纳大的样品(~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。还得有各种信号检 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。很多时候还要 有多种附件，用于加热、冷却、拉伸，可进行动态观察。如图 10 所示。
2. 背散射电子
背散射电子是固体样品中原子核“反射”回来的一部分入射电子，分 弹性散射电子和非弹性散射电子。背散射电子的产生深度 100nm~1μm。 背散射电子的产额随原子序数 Z 的增加而增加，大致 I∝Z2/3~3/4。利用背 散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，还可以作为原子序数程度， 进行定性成分分析。
可以分辨，此时亮斑中间的光强度与峰值强度的差大于 19%，则两个亮 斑尚能分辨开来，这就是瑞丽判据。根据瑞利判据，可以得到显微镜的
分辨率 δ 的决定式，如下式①：
δ = 0.61λ
①
nsinα
δ = 0.61×500 = 201.99 nm
②
1.51×sin90°
式①中，λ 是光波在真空中的波长，n 是透镜与物体之间介质的折射 率，α 是孔径角之半。可见波长越短，折射率越大，sinα=1，则分辨率 δ 越小。可见光的波长范围是 390nm~760nm，松柏油的折射率 n=1.51，则 可以得到式②，于是得出分辨率 δ=201.99nm。
电子束进入轻元素内部之后会造 成一个液滴状的作用体积。入射电子 束在被样品吸收或者散射出样品表面 之前将在这个体积内活动。如果是原 子序数较大的金属，形成的是一个类 似半球状的作用体积。
图 6 电子束的液滴作用体积示意图
表 1 各种信号的空间分辨率 (nm)
信号 俄歇电子 二次电子 背散射电子 吸收电子 特征 X 射线
3. X 射线
样品原子的内层电子被入射电子激发，原子就会处于能量较高的激 发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具 有特征能量的Ｘ射线释放出来。X 射线从样品 0.5μm~5μm 发出。波长 λ 满足莫塞莱定律：
������
∝
1 (������−������)2
⑦
通过特征波长检测相应元素，进行微区成分分析，即能谱分析 EDS。
分辨率 0.5~2
5~10
50~200 100~1000 100~1000
如图 6 和图 7，俄歇电子和二次电子因为本身能量低，平均自由程短， 只能在样品的浅层表面内一处。一般情况下能激发出的俄歇电子的样品 表层厚度约 0.5~2nm，二次电子的深度是 5~10nm。入射电子束进入样品 浅层时，尚未横向扩展开来。因此，俄歇电子和二次电子只能在一个和 入射电子束束斑直径相当的圆柱体内被激发出来，因此束斑直径就是一 个成像单元的大小，就是一个像点，所以这两种电子的分辨率就相当于 束斑直径。
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图 4 入射电子与样品原子的相互 作
电子能量损失谱的基础。
图 5 各种信号的产生
各种信号(如上图 5)包括：二次电子、背散射电子、特征 X 射线、俄 歇电子、透射电子、吸收电子、阴极荧光等。
1. 二次电子
二次电子是指在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样 品的核外层电子。二次电子的能量较低，一般都不超过 50 ev，大多数二 次电子只带有几个电子伏的能量。二次电子一般都是在表层 5-10 nm 深度 范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效 地显示样品的表面形貌。它的产额与原子序数 Z 没有明显关系，不能进 行成分分析。
图 1 现代化的扫描电子显微镜
二、 SEM 的产生
1. 光学显微镜(Optical Microscope，OM)的分辨率极限 一个理想的点光源，通过会聚透镜成像，得到的并不是一个像点，
而是一个亮斑，称为艾里斑，光能量的 84%集中在中央。如果物体上两 个点所成的两个像斑发生了重叠，两圆心间距恰好是圆的半径时，恰好
图 10 样品室
信号收集系统用于信号收集，包括二次电子和背散射电子收集器 、吸收 电子检测器、X 射线检测器 (波谱仪和能谱仪)，如图 11(a)。
5. 其他信号
入射电子进人样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽,最后被样品 吸收，即产生了吸收电子。
如果被分析的样品很薄．那么就会有一部分入射电子穿过薄样品而 成为透射电子。
半导体样品在入射电子的照射下，产生电子-空穴对。当电子与空穴 发生复合时，会发射光子，叫做阴极荧光。
6. 各种信号的作用深度、广度和分辨率
图 9 三种电子枪及其对比
电磁透镜的作用是把电子枪的束斑逐渐缩小，从原来直径约为 50mm 的 束斑缩小成一个只有数 nm 的细小束斑。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。
电子枪是发射电子的照明源。最初的电子枪是发夹式钨丝灯，它是一种 热阴极电子枪，利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。它的优 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。更好的热发射电子枪采用六硼化镧（LaB6），因为它的功函数比钨低， 发射电子更容易。场发射电子枪利用的是电子的隧穿效应，二次电子像的分 辨率可达到 2nm。图 9 是三种电子枪的参数的对比，场发射电子枪的电流密 度最大，而束斑直径最小。
λ
=
1.225 √������√1+0.978×10−6������
������������
⑥
那么，如果加速电压 V=10KV，电子波长就是 0.0122nm，比可见光 波长小得多。
人们利用各种介质做成透镜，对光进行聚焦和放大。而运动的电子
可以用电场加速，用磁场进行方向控制。所以，可以用金属线圈通电做 成磁透镜，对电子流进行聚焦和折射。
可以产生信号的区域称为有效作用区，有效作用区的最深处为电子 有效作用深度。在有效作用区内的信 号并不一定都能逸出材料表面、成为 有效的可供采集的信号。这是因为各 种信号的能量不同，样品对不同信号 的吸收和散射也不同。随着信号的有 效作用深度增加，作用区的范围增加， 信号产生的空间范围也增加，这对于 信号的空间分辨率是不利的。
λ= ℎ
③
������������
设电子的初速度为 0，可以用电压 V 对它进行加速。于是，电子的 动能可以表示为：
1 ������������2 = eV
④
2
结合上面的③④两式，推出电子的速度表达式如下：
λ= ℎ
⑤
√2������������������
上面的式③④⑤中，h 是普朗克常数，e 是元电荷量，m 是电子的质 量，v 是电子的运动速度,。如果是超高速运动，还得考虑相对论，最终 可以得到表达式：