扫描电镜原理-SEM

X-射线的空间分辨率
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
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
扫描电子显微镜成像及能谱分析
第一节 扫描电镜的基本结构及特征 第二节 电子束和样品作用产生的各类信号分析 第三节 能谱仪及X射线产生 第四节 扫描电镜成像及EDS成分分析操作
第一节 扫描电镜的基本结构及特征
Optical Microscope
Scan Electron Microscope
电子束系统 计算机系统
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。
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
样品腔
SEM控制台
பைடு நூலகம்
样品腔 样品台
OM & SEM
Comparison
显微镜类型 照明源
照射方式
成像信息
OM
可见光
光束在试样上以静 止方式投射
反射光/投射光
SEM
电子束
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
Pictures of SEM
果蝇： 不同倍率的扫描电 镜照片
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
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
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。
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。
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 。
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。
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
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
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
X-射线信号 –直线发散传播
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
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
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。
★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 。
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
(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