如何利用扫描电镜拍出高质量的图像
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如何利用扫描电镜拍出 高质量的图像
西安交通大学材料学院 王伟
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。
Ip
(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
(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。
(2)扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊
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
Байду номын сангаас
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。
• 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
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。
二、 扫描电镜的构造
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
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
1. 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。
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。
对于热发射的钨丝电子枪其亮度可表达为
J c e V /k T A /c m 2s r
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) 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。
（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
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。
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；
电子束斑直径的计算公式
d2 1 2C s3 21.2224 2Ip/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。
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
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。
西安交通大学材料学院 王伟
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。
Ip
(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
(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。
(2)扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊
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
Байду номын сангаас
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。
• 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
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。
二、 扫描电镜的构造
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
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
1. 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。
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。
对于热发射的钨丝电子枪其亮度可表达为
J c e V /k T A /c m 2s r
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) 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。
（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
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。
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；
电子束斑直径的计算公式
d2 1 2C s3 21.2224 2Ip/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。
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
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。