扫描式电子显微镜原理简介..

sin .
– 且离轴距离小
• 在旁轴条件(paraxial)下高斯最早证明物平 面上的波通过球面透镜可以单值无变形地 聚焦于象平面
光栅
Apertures • 光栅
– – – – 光栅仅让近轴光线通过，从而减小球差的影响； 光栅一般由Pt经过精密加工而成，对圆度要求很高； 光栅易受到污染； 光栅尺寸要合适，扫描电镜中一般最小直径到50微米。
Optical Microscope VS SEM
扫描式电镜结构原理图
电子显微镜分为四部分： 1.照明系统 2.成像电磁透镜系统 3.样品室、真空及电气系 统 4.影像侦测记录系统
扫描式电子显微镜放大原理
一.照明系统
• 1.电子枪：发射电子束的电子源。 • 2.聚光镜：其作用主要是把电子枪的束斑逐渐 缩小，是原来直径约为50mm的束斑缩小成一 个只有数nm的细小束斑。扫描电镜一般有三 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，具有 较长的焦距，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。
• 1.聚光镜 • 分类：单聚光镜式 • 双聚光镜式 • 作用:将电子枪发出的电子会聚于样品表面,并 调节样品平面处的电子束孔径角、电流密度和 照明光斑半径。照明光斑过大时，会使样品受 热产生热漂移和污染。为了有效解决这个问题， 较新的电镜一般都采用双聚光镜系统。
Cross Over Point(d0)
rs
rt
象散 (Stigmatism)
Objective plane 物面 Ray in y-direction Y方向光线 Gauss focus 高斯聚焦面 y
rx
x
ry
Optical axis 光轴
f
Ray in x-direction X方向光线 Difference 简单薄透镜 in focal lens Simple thin lens 焦距差
Cross Over Point(d0)
M1=b1/a1
两个聚光镜分别是 第一聚光镜和第二 聚光镜，可将在阳 极孔附近形成的交 叉点缩小。
物镜有两个极靴， 分别为上极靴和下 M2=b2/a2 极靴。通常用纯铁 或铁钴合金作为极 靴材料，并要求有 高饱和磁通密度、 M3=b3/a3 磁导率高、机械加 工性能好、化学性 能稳定等。
• The stigmatism can be measured
– Fringe contrast in the image for the objective lens stigmatism – Image of a focused probe or diffraction spot for a parallel illumination
扫描式电子显微镜的透镜系统
透镜系统中的所用 透镜都是缩小透镜， 起缩小光斑的作用。 缩小透镜将电子枪 发射的直径30μm电 子束缩小成几十埃， 由两个聚光镜和一 个末透镜完成，三 个透镜的总缩小率 约为2000~3000倍。
M1=b1/a1
M2=b2/a2
M3=b3/a3
扫描式电子显微镜的透镜系统
球差 (Spherical Aberration)
Objective plane Peripheral ray 物面 边缘光线 Sustained Circle of angle least confusion 张角q
rt
rs
Optical axis 光轴
z Paraxial ray 旁轴光线 Longitudinal aberration 简单薄透镜 轴向球差 Simple thin lens
场发射枪
• 右图是场发射枪,它由 场发射原理产生电子。 场发射枪加负电压于金 属尖端上,所加强电场 由此尖端吸出电子而形 成发射电流。场发射枪 拥有比钨灯丝枪小得多 的斑和高得多的亮度。 • 场发射枪的灯丝寿命约 为8000~10000小时。 • 场发射枪分为热场发射 和冷场发射两种。
二.成像电磁透镜系统
极靴和光栅的圆对称度，对电镜的象散有极重要的影响。
消像散：Stigmation Correction
• Stigmatism is due to departure from rotation symmetry in the optical system • Stigmatism can be corrected by introducing non-spherical distortion of opposite sign, to cancel the stigmatism
扫 描 电子显微镜原理
Theory of Scanning Electron Microscope
OM，TEM&SEM的成像原理
OM，TEM&SEM的比较表
扫描电镜的优点
• 高的分辨率。由于超高真空技术的发展，场发射电子 枪的应用得到普及，现代最先进的扫描电镜的分辨率 已经达到0.6纳米左右，钨灯丝扫描电镜的分辨率一般 在3nm左右。 • 有较高的放大倍数，20-40万倍（钨灯丝4~10万倍）之 间连续可调； • 有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观 察各种试样凹凸不平表面的细微结构 • 试样制备简单。 • 不仅仅是一个放大镜。可选配X射线能谱仪和EBSD系 统，这样可以同时进行显微组织性貌的观察、微区成 分分析和微区晶体学分析。
电子枪的结构
• 1.阴极:钨丝等 • 2.栅极:威尔罩 • 3.阳极
电子来自百度文库的分类
• • • • • 作为阴极的电子源有三类： （1）钨丝 （2）LaB6丝 以上两类都是由热游离原理产生电子； （3）场发射枪，由强电场将电子吸出，即由场发射原 理产生电子。
钨丝电子源
• 右图是钨丝电子源，使 用钨丝时乃直接加热。 钨丝成Ｖ形，当达到足 够温度时(一般操作温度 为2700Ｋ)，发射电子束。 其寿命在10-6Torr的真 空下平均约40—80小 时,TESCAN VEGAⅡ的 灯丝寿命约为150~200小 时。
Transverse aberration 横向球差
理想的高斯轨迹和旁轴(一级)近似 Gauss optics and paraxial approximation
• 对相对于光轴以小角度到达透镜的波，我 们可以做下列近似：

r
sin
3 5
3!
5!
....
• 旁轴(一级)近似为