扫描电镜原理SEM剖析只是分享

样品中出来的信号电子的能量和强度
SE 频数
Auger
BSE
0 50 eV
2 kV
EPE
电子能量
样品电流平衡
IPC ISE
IBSE
ISC
样品
Байду номын сангаас
ISE + IBSE + ISC = IPC
消除荷电效应
➢ 镀层 ➢ 快速扫描 ➢ 较低的加速电压 ➢ 较小的束斑
SEM样品室
SE 与 BSE 成象
SE – 主要反映边界效应，对充电敏 感，非常小的原子序 Z 衬度。
磁透镜工作原理
2、因为空气会便电子强烈地散射，所以凡有电子运 行的部分都要求处于高真空，要达到1.33×10－4 Pa或更高。
第二节 电子束和样品作用产生的各类信号分析
散射及散射电子
一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当 电子的运动方向被改变，称为散射。
散射
弹性散射 电子只改变运动方向而电子的
BSE – 主要反映原子序 Z 衬度，无 边界效应，不显示充电现象。
第三节 能谱仪及X射线产生
X-射线信号的产生
物质受到高能粒子轰击所发出的波长为10-5~100Å 的电磁辐射称为X-ray。
X-ray的波长λ与能量E的关系
hc λ = Ee
hc
E=
λe
h：普朗克常数 6.6×10-27尔格/秒 c ： 光速 3×1010厘米/秒 e：电荷 4.8×10-10静电单位
扫描电镜的最大特点
★焦深大，图像富有立体感，特别适合于表面形 貌的研究
★放大倍数范围广，从几十倍到二三十万倍。
★制样简单，样品的电子损伤小 这些方面优于TEM，所以SEM成为高分子材料 常用的重要剖析手段
SEM与TEM的主要区别
★在原理上，SEM不是用透射电子成像，而是 用二次电子和背散射电子成像。
➢ ESEM环扫 ➢ 低真空 ➢ 普通高真空
电子枪
➢ 电子枪亮度 ➢ 单位面积单位立体角的电流密度 ➢ 场离子发射（FEG）107 – 109
➢ 热场 和冷场
➢ 六硼化镧LaB6 106 ➢ 钨灯丝 105 ➢ 电子枪总束流 ➢ 钨灯丝 – 最大 ➢ 六硼化镧LaB6 中间 ➢ 场离子发射 – 最小
★在仪器构造上，除了光源、真空系统相似外， 检测系统完全不同。
扫描电镜(SEM)基本概念
分辨率
SEM的主要受到电子束直径的限制，这里电子 束直径指的是聚焦后扫描在样品上的照射点的尺寸。
对同样品距的二个颗粒，电子束直径越小，越 随得到好的分辨效果。但电子束直径越小，信噪比 越小 。
焦深
SEM的焦深是较好光学显微镜的300－600倍。 焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚焦 。
能清晰成像。
•
二次电子的强度主要与样品表面形
貌有关。二次电子和背散射电子共同用于扫描
电镜(SEM)的成像。
特征X射 线
如果入射电子把样品表面原子的内层电子撞 出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能 量以电磁辐射的形式放出，就产生特征X射线， 可用于元素分析。
如果入射电子把外层电子打进内层，原
俄歇 子被激发了．为释放能量而电离出次外层电
(Auger)电 子，叫俄歇电子。
子
主要用于轻元素和超轻元素(除H和He)
的分析，称为俄歇电子能谱仪
背散射电 子
入射电子穿达到离核很近的地方被反射，没有 能量损失；反射角的大小取决于离核的距离和 原来的能量，实际上任何方向都有散射，即形 成背景散射
阴极荧光
如果入射电子使试样的原于内电子发生电离， 高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较 长(在可见光或紫外区)，称为阴极荧光，可用 作光谱分析，但它通常非常微弱
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
铁 银
碳
样品面倾斜效应- 边缘效应
0 无倾斜
70 倾斜
30 倾斜
X-射线的空间分辨率
能量不发生变化
非弹性散射 电子的运动方向和能量都发生变化
直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射 透射电子 电子用于透射电镜(TEM)的成像和衍射
二次电子
•
如果入射电子撞击样品表面原子的
外层电子，把它激发出来，就形成低能量的二
次电子，在电场的作用下它可呈曲线运动，翻
越障碍进入检测器，使表面凹凸的各个部分都
Pictures of SEM
果蝇： 不同倍率的扫描电 镜照片
电子显微镜的分类
➢ 工作模式：
➢ 透射电子显微镜 ➢ 扫描电子显微镜
➢ 分析功能
➢ 普通型 ➢ 分析型
➢ 应用范围
➢ 生物样品用电镜 ➢ 材料科学用电镜
➢ 电子枪类型
➢ 场离子发射（FEG） ➢ 六硼化镧LaB6 ➢ 钨灯丝
➢ 样品室真空度
扫描电镜(SEM)基本工作原理
电镜构造的两个特点
1、磁透镜
光学显微镜中的 玻璃透镜不能用于电镜， 因为它们没有聚焦成像的 能力。
由于电子带电， 会与磁力线相互作用，而 使电子束在线圈的下方聚 焦。只要改变线圈的励磁 电流，就可以使电镜的放 大倍数连续变化。为了使 磁场更集中在线周内部也 包有软铁制成的包铁，称 为极靴化，极靴磁透镜磁 场被集中在上下极靴间的 小空间内，磁场强度进一 步提高。
扫描电镜原理SEM剖析
电子束系统 计算机系统
样品腔
SEM控制台
样品腔 样品台
OM & SEM
Comparison
显微镜类 型 OM
SEM
照明源 可见光 电子束
照射方式
成像信息
光束在试样上 以静止方式投
射
反射光/投射 光
电子束在试样 上作光栅状扫
描
反射电子
Pictures of SEM
注射针头的扫描电镜照片
低原子序 Z
高原子序 Z
高加速电压 kV
低加速电压 kV
1. 电子束斑大小基本不能影响分辨率 2. 而加速电压 kV 和平均原子序 Z 则起决定作用。
信号的方向性
SE 信号 – 非直线传播 通过探头前加有正电压的金属网来吸引
BSE 信号 – 直线发散传播 探头需覆盖面积大
X-射线信号 –直线发散传播
F＝
d 2a
△F——焦深； d ——电子束直径； 2a——物镜的孔径角
衬度
表面形貌衬度
原子序数衬度
表面形貌衬度
表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸(称为表面地 理)决定的。一般情况下，入射电子能从试详表面 下约5nm厚的薄层激发出二次电子。
衬
度
原子序数衬度
原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背散 射电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的 差异相当敏感，而二次电子不敏感。