扫描电子显微镜-1
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
❖ SEM是由电子光学系 统，信号收集处理及 图像显示和纪录系统， 真空系统三部组成。
❖ SEM是由电子光学系 统，信号收集处理及 图像显示和纪录系统， 真空系统三部组成。
扫描电镜的基本结构
3.1 电子光学系统
电子光学系统：包括电子枪、电磁透镜、扫 描线圈和样品室。
电子枪
3.1.1电子枪
3.1.3 扫描线圈
SE和BSE的成像比 较
BSE
SE
低电压和高电压的成像比较-1(BSE)
2 KV
10 KV
低电压和高电压的成像比较-2(SE)
1 KV
5 KV
20 KV
低电压和高电压的成像比较-3(SE)
10 KV
1 KV
束斑大小对成像的影响(SE)
SPOT 2
SPOT 5
吸收电子
❖ 入射电子中一部分与试样作用后能量损失殆尽，不能再逸 出表面，这部分就是吸收电子。用AE表示。
二次电子像
(a)陶瓷烧结体的表面图像(b)多孔硅的剖面图
背散射电子与二次电子 的信号强度与Z的关系
二次电子信号在原序 数Z>20后，其信号强 度随Z变化很小。 用背 散射电子像可以观察 未腐蚀样品的抛光面 元素分布或相分布， 并可确定元素定性、 定量分析点。
SE和BSE的成像比较
锡铅镀层的表面图像(a)二次电子图像(b)背散射电子图像
逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特 别适用做表层成分分析。
俄歇电子
K L
K L
俄歇电子 K L
K L
光电子
K
M
俄歇电子特别适用做表 层成分分析。
其它
❖ 此外，样品中还会产生如阴极荧光、电子 束感生效应等信号，经过调制也可用于专 门的分析。
产生阴极荧光的示意图
3. 扫描电子显微镜的构造和工作原理
❖ 吸收电子能产生原子序数衬度，可以用来进行定性的微区 成分分析。
透射电子
❖ 如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而 形成透射电子。用TE表示透射电子。
❖ 这种透射电子是由直径很小(<10nm)的高能电子束 照射薄的样品时产生的，因此，透射电子信号是由 微区的厚度、成分和晶体结构决定的。
❖ 可利用特征能量损失ΔE 配合电子能量分析器进行 微区成分分析，即电子能量损失谱 (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)。
•二次电子对试样表面 状态非常敏感，能非常 有效地显示试样表面的 微观形貌。 •二次电子的产额随原 子序数的变化不如背散 射电子那么明显。不能 进行成分分析。
❖ 入射电子与样品相互作用后，使样品 原子较外层电子(价带或导带电子)电离 所产生的电子，称为二次电子。二次 电子能量比较低，习惯上把能量小于 50eV电子统称为二次电子。二次电子 仅在样品表面5nm－10nm的深度内 才能逸出表面，这是二次电子分辨率 高的重要原因之一。
❖ 若样品足够厚，透射电子流IT=0，则有 IA = I0 -(I B + IS) (I0—入射电子流)
❖ 换言之：吸收电子信号调制成图像的衬度恰好和背散射电 子及二次电子信号调制的图像衬度相反。
❖ 吸收电子的衬度与背散射电子的衬度互补。入射电子束射 入一个多元素样品中时，因SE产额与原子序数基本无关， 则背散射电子较多的部位(Z较大)其吸收电子的数量就减少， 反之亦然；
❖ SEM 中的电子枪与 TEM中的相似，但加速 电压比TEM低
❖ SEM中束斑越小，即成 像单元越小，相应的分 辨率就愈高。
❖ 热阴极电子枪 束斑可 达6nm
❖ 六硼化镧和场发射电子
枪，束斑更小
3.1.2电磁透镜
❖ 功能：聚焦电子束，使束斑 直径从50um汇聚到数个nm。 一般通过三级透镜来完成。 前二者是强透镜，可把电子 束光斑缩小，第三个是弱透 镜，具有较长的焦距，习惯 于叫物镜，其目的在于使样 品和透镜之间留有一定空间 以装入各种信号探测器。
样品❖在样电品子在束的电轰子击束下的，会轰产击生下如，图所会示产的生各各种信种号信。号。 ❖ 背散射电子 ❖ 背二散次射电电子子 ❖ 二吸次收电电子子 ❖ 透射电子 ❖ 吸特收征电X子射线 ❖ 透俄射歇电电子子
特征X射线
俄歇电子
各种信号的作用深度
从图中可以看出， 俄歇电子的穿透 深度最小，一般 穿透深度小于 1nm，二次电子 小于10nm。
特征X射线能级图
俄歇电子
❖ 在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果释放 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一个电子发射出去，这个 被电离出来的电子称为俄歇电子。
❖ 俄歇电子的能量很低，一般为50-1500eV 。 ❖ 只有在距离表层1nm左右范围内(即几个原子层厚度)
背散射电子
背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为
IZ23~34
Z icizi
Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。
背散射电子探头采集的成分像(a)和形貌像(b)
二次电子
❖ 在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品
ຫໍສະໝຸດ Baidu原子的核外电子。用SE表示。
❖ 是从表面5-10 nm层内发射出来的，能量0-50eV。
扫描电子显微镜-1
SED 二次电子探测器 in-lens SED 静电透镜装置 BSED 背散射电子探测器 EDX 能谱仪 EBSD 电子背散射衍射仪 FIB 聚焦离子束 GIS 气体注入系统 STED 受激发射损耗探测器
.2 电子束与固体样品作用时产生的信号
2. 电子束与固体样品作用时产生的信号
背散射电子
❖ 背散射电子是指被固体样品中的原子核或核 外电子反弹回来的一部分入射电子。用BSE 表示。
❖ 背散射电子的强度与试样的原子序数Z有密 切关系。背散射电子的产额随原子序数的增 加而增加。
❖ 用作形貌分析、成分分析(原子序数衬度)(衬 度：像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色 差)以及结构分析(电子通道花样)。
特征X射线
❖ 指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中 直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波 辐射。
❖ 根据莫塞莱定律，λ=1/(z-σ)2，可进行成分分析。 λ:吸收限，即吸收体结合能对应的波长 z :原子序数 σ:壳层的屏蔽系数 (音sigma)
❖ 特征X射线一般在 试样的 500nm-5μm 范围内发出。
❖ SEM是由电子光学系 统，信号收集处理及 图像显示和纪录系统， 真空系统三部组成。
扫描电镜的基本结构
3.1 电子光学系统
电子光学系统：包括电子枪、电磁透镜、扫 描线圈和样品室。
电子枪
3.1.1电子枪
3.1.3 扫描线圈
SE和BSE的成像比 较
BSE
SE
低电压和高电压的成像比较-1(BSE)
2 KV
10 KV
低电压和高电压的成像比较-2(SE)
1 KV
5 KV
20 KV
低电压和高电压的成像比较-3(SE)
10 KV
1 KV
束斑大小对成像的影响(SE)
SPOT 2
SPOT 5
吸收电子
❖ 入射电子中一部分与试样作用后能量损失殆尽，不能再逸 出表面，这部分就是吸收电子。用AE表示。
二次电子像
(a)陶瓷烧结体的表面图像(b)多孔硅的剖面图
背散射电子与二次电子 的信号强度与Z的关系
二次电子信号在原序 数Z>20后，其信号强 度随Z变化很小。 用背 散射电子像可以观察 未腐蚀样品的抛光面 元素分布或相分布， 并可确定元素定性、 定量分析点。
SE和BSE的成像比较
锡铅镀层的表面图像(a)二次电子图像(b)背散射电子图像
逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特 别适用做表层成分分析。
俄歇电子
K L
K L
俄歇电子 K L
K L
光电子
K
M
俄歇电子特别适用做表 层成分分析。
其它
❖ 此外，样品中还会产生如阴极荧光、电子 束感生效应等信号，经过调制也可用于专 门的分析。
产生阴极荧光的示意图
3. 扫描电子显微镜的构造和工作原理
❖ 吸收电子能产生原子序数衬度，可以用来进行定性的微区 成分分析。
透射电子
❖ 如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而 形成透射电子。用TE表示透射电子。
❖ 这种透射电子是由直径很小(<10nm)的高能电子束 照射薄的样品时产生的，因此，透射电子信号是由 微区的厚度、成分和晶体结构决定的。
❖ 可利用特征能量损失ΔE 配合电子能量分析器进行 微区成分分析，即电子能量损失谱 (Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS)。
•二次电子对试样表面 状态非常敏感，能非常 有效地显示试样表面的 微观形貌。 •二次电子的产额随原 子序数的变化不如背散 射电子那么明显。不能 进行成分分析。
❖ 入射电子与样品相互作用后，使样品 原子较外层电子(价带或导带电子)电离 所产生的电子，称为二次电子。二次 电子能量比较低，习惯上把能量小于 50eV电子统称为二次电子。二次电子 仅在样品表面5nm－10nm的深度内 才能逸出表面，这是二次电子分辨率 高的重要原因之一。
❖ 若样品足够厚，透射电子流IT=0，则有 IA = I0 -(I B + IS) (I0—入射电子流)
❖ 换言之：吸收电子信号调制成图像的衬度恰好和背散射电 子及二次电子信号调制的图像衬度相反。
❖ 吸收电子的衬度与背散射电子的衬度互补。入射电子束射 入一个多元素样品中时，因SE产额与原子序数基本无关， 则背散射电子较多的部位(Z较大)其吸收电子的数量就减少， 反之亦然；
❖ SEM 中的电子枪与 TEM中的相似，但加速 电压比TEM低
❖ SEM中束斑越小，即成 像单元越小，相应的分 辨率就愈高。
❖ 热阴极电子枪 束斑可 达6nm
❖ 六硼化镧和场发射电子
枪，束斑更小
3.1.2电磁透镜
❖ 功能：聚焦电子束，使束斑 直径从50um汇聚到数个nm。 一般通过三级透镜来完成。 前二者是强透镜，可把电子 束光斑缩小，第三个是弱透 镜，具有较长的焦距，习惯 于叫物镜，其目的在于使样 品和透镜之间留有一定空间 以装入各种信号探测器。
样品❖在样电品子在束的电轰子击束下的，会轰产击生下如，图所会示产的生各各种信种号信。号。 ❖ 背散射电子 ❖ 背二散次射电电子子 ❖ 二吸次收电电子子 ❖ 透射电子 ❖ 吸特收征电X子射线 ❖ 透俄射歇电电子子
特征X射线
俄歇电子
各种信号的作用深度
从图中可以看出， 俄歇电子的穿透 深度最小，一般 穿透深度小于 1nm，二次电子 小于10nm。
特征X射线能级图
俄歇电子
❖ 在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果释放 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一个电子发射出去，这个 被电离出来的电子称为俄歇电子。
❖ 俄歇电子的能量很低，一般为50-1500eV 。 ❖ 只有在距离表层1nm左右范围内(即几个原子层厚度)
背散射电子
背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为
IZ23~34
Z icizi
Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。
背散射电子探头采集的成分像(a)和形貌像(b)
二次电子
❖ 在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品
ຫໍສະໝຸດ Baidu原子的核外电子。用SE表示。
❖ 是从表面5-10 nm层内发射出来的，能量0-50eV。
扫描电子显微镜-1
SED 二次电子探测器 in-lens SED 静电透镜装置 BSED 背散射电子探测器 EDX 能谱仪 EBSD 电子背散射衍射仪 FIB 聚焦离子束 GIS 气体注入系统 STED 受激发射损耗探测器
.2 电子束与固体样品作用时产生的信号
2. 电子束与固体样品作用时产生的信号
背散射电子
❖ 背散射电子是指被固体样品中的原子核或核 外电子反弹回来的一部分入射电子。用BSE 表示。
❖ 背散射电子的强度与试样的原子序数Z有密 切关系。背散射电子的产额随原子序数的增 加而增加。
❖ 用作形貌分析、成分分析(原子序数衬度)(衬 度：像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色 差)以及结构分析(电子通道花样)。
特征X射线
❖ 指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中 直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波 辐射。
❖ 根据莫塞莱定律，λ=1/(z-σ)2，可进行成分分析。 λ:吸收限，即吸收体结合能对应的波长 z :原子序数 σ:壳层的屏蔽系数 (音sigma)
❖ 特征X射线一般在 试样的 500nm-5μm 范围内发出。