10-扫描电子显微术

空度。它是高分辨率扫描电镜的理想电子源。
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.1 电子光学系统
扫描电镜的分辨率在最佳条件下基本上与到达样品表面时
的扫描电子束的直径相等。三级磁透镜的作用就是逐级缩小电
子束的直径。只有当总缩小率小于1/5000时，才能获得直径小
于10nm的电子束，才有可能使仪器的最佳分辨率小于10nm。
(1) 试样制备方法简便 可从一些待研究的样品中直接取样，为了使样品导电以避
免电荷积累，要在聚合物试样的表面蒸镀或溅射上一层金属薄 膜，但此膜的厚度十分有限，故并不改变原有的形貌特征。
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第10章 聚合物的扫描电子显微术
(2) 放大倍数在大范围内连续可调
其放大倍数在几十倍至几十万倍内连续可调。即使在高放
4．透射电子接收器
在试样室的下面有一个透射电子室。内有透射电子接收器，
还有两块光阑片。一块是中心孔光阑，用来保留中心束以获得
明场像，另一块则用来挡住中心束以获得暗场像。室内另有一
组扫描线圈，用以获得电子衍射图像。
5．X射线探测器
通常的扫描电镜都可配以X射线谱仪，使仪器兼有电子探针
仪的功能。
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10.2 扫描电镜的结构
镜筒中电子束的扫描与显像管中电子束的扫描是由同一扫 描发生器驱动的。因此两者完全同频地扫描，以形成逐点对 应的图像。图像的放大倍数通过改变电子束在试样表面的扫 描幅度加以调节。
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10.2 扫描电镜的结构
源自文库
❖ 10.2.3 信号检测系统
对于入射电子束和试样作用时产生的各种不同的信号，必
须采用相应的信号探测器，把这些信号转换成电信号加以放大。
锂漂移硅探测器检测，通过多道分析器和数据处理可迅速进行 元素分析。此法的灵敏度较高，但缺点是定量精度差；
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.5 特征X射线
另一种是X射线波谱仪。它采用X射线在晶体上衍射的方法 来确定X射线波长，其定量精度较高，但分析速度较慢。
也可以用特征X射线来调制显像管以获得试样中所含某元素 的线分布或面分布像。
现将几种探测器简介如下。
1．二次电子探测器
二次电子探测器一般都采用闪烁体－光导－光电倍增管系
统。这种方法可获得较高的增益和信噪比。闪烁体是受电子轰
击后可发光的物体。其作用是把电子的动能转换成光能。闪烁
体发出的光信号通过光导耦合到光电倍增管阴极，把光信号转
换成电信号。经光电倍增管多级倍增放大，得到较大的输出信
转角度(也称散射角度)的大小与试样原子的核电荷量的多少有
关，也与入射电子的能量(即速度)有关(见图10-2)。发生非弹性
散射时，入射的高速电子向前运动到十分靠近某个核外电子处，
在电场力的作用下把自身的一部分能量转移给核外电子，使它
或者摆脱原子核的束缚而飞离出去，或者被激发到该原子的高
能态轨道上去。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.1 背散射电子
入射电子中与试样表层原子碰撞发生弹性和非弹性散射后
从试样表面反射回来的那部分一次电子统称为背散射电子。发
生弹性碰撞时，入射的高速电子从试样原子核旁经过，在核电
荷的作用下，其运动方向发生偏斜，但能量几乎没有变化。偏
号。再经视频放大器放大后，用以调制显像管成像。
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.3 信号检测系统
2．背散射电子探测器
最简便的背散射电子检测方法是利用在收集罩上加了负偏
压的二次电子探测器。这时二次电子被排斥，只有高能的背散
射电子才能穿过收集罩进入闪烁体。由子背散射电子的能量较
大，收集的效率取决于截获背散射电子的立体角，故其收集效
大倍数下，也可得到高亮度的清晰图像。
(3) 景深长、视野大
在放大100倍时，光学显微镜的景深仅为1m，而扫描电
镜的景深可达1mm，增大了1000倍。随着放大倍数的增大，
景深要缩短。所以扫描电子显微像的立体感强，可以直接观
察到粗糙表面上起伏不平的微细结构。
(4) 分辨本领高
光学显微镜分辨本领的极限值仅为200nm，而要使扫描电
极化相纸有两种：一种是只能得到正片，另一种是既能得正 片又能得负片。用极化相纸摄影时，在实验进行过程中就可 立即得知图像质量的优劣。如不满意，可及时重照。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
经电子透镜聚焦以后的高能电子束入射到固体样品表面上， 便与样品中的原子发生碰撞而产生弹性或非弹性散射等一系列 物理效应，如背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、 X射线、俄歇电子、阴极荧光及电子－空穴对，如图10-1所示。 通过检测这些效应，就可以获得关于样品的表面形貌、组成和 结构的丰富信息。现只介绍与研究聚合物有关的前4种成像电 子和特征X射线的产生。
快速扫描在调整成像时使用，或在作动态观察时使用。其 信噪比低，图像质量较差。慢扫描一般都用于记录图像。在高 倍工作时，由于束流很小，有了足够长的信号收集时间便可以 提高信噪比，从而改善图像质量。最慢的扫描时间可长达每帧 100秒或数百秒。
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.2 扫描系统
扫描电镜能提供的扫描方式也有几种。最常用的是面扫描， 用于观察试样的表面形貌或某元素在试样表面的分布。点扫 描主要用于对试样表面的特定部位作X射线元素分析。线扫描 可以在元素分析时用来观察沿某一直线的分布状况。
❖ 10.2.3 信号检测系统
有的可配X射线波谱仪(WDX)，有的可配X射线能谱仪 (EDX)，也有的两者兼备。这两种X射线谱仪的作用虽然相似， 但对X射线的检测方法则完全不同。
X射线波谱仪采用晶体－正比记数管系统作为探测器。仪 器所备的单晶体的晶面间距是已知的，可以根据衍射角来推 算信号X射线的波长。正比记数管用来收集被衍射的X射线， 并用电子分析系统来确定它的记数。其定量精度较高，但分 析速度较慢。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.2 二次电子
进入样品表面的部分一次电子能使样品原子发生单电子激 发，并将其轰击出来。那些被轰击出来的电子称为二次电子。 背散射电子在穿出试样表面时，也会激发出一些二次电子，它 们在成像时仅形成本底。
一次电子的能量较低，约为0～50eV，大部分为2～3eV， 其发射深度一般不超过5～10nm。正因为如此，试样深处激发 的二次电子没有足够的能量逸出表面。二次电子的发射与试样 表面的形貌及物理、化学性质有关，所以二次电子像能显示出 试样表面丰富的细微结构。
电子探针等待点。扫描电镜的试样室空间很大，可以较方便地
配备拉伸、弯曲、加热或冷却等试样座，对试样进行一系列动
态观察。
(6) 可借助信号处理来调节图像衬度
扫描电镜中被检测的信号在成像前可经过种种处理，以使
图像的衬度得到改善。
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第10章 聚合物的扫描电子显微术
(7) 采用极化相纸可立即得到正片 扫描电镜可以用软片记录图像，也可以用极化相纸记录。
率要比二次电子低得多。
3．试样电流放大器
试样电流放大器能把试样所吸收的电子、试样中被激发的
电子－空穴对等信号加以放大并成像。其收集电流必须大于
10-8A，这时不可能得到分辨率高的图像。
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.3 信号检测系统
若把束流减小，信噪比也随之下降，所得的图像会因噪声
较大而变得模糊。
后，其外层电子就会补充到这些剩下的空位上去。这时它们的 多余能量便以X射线形式释放出来。每一元素的核外电子轨道的
能级是特定的，因此所产生的X射线波长也有特征值。这些K、 L、M系X射线的波长一经测定，就可用来确定发出这种X射线
的元素。测定了这种X射线的强度，就可确定该元素的含量。 测定X射线波长有两种仪器：一种是X射线能谱仪。它采用
第10章 聚合物的扫描电子显微术
扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)可以研究 高分子多相体系的微观相分离结构，聚合物树脂粉料的颗粒形 态，泡沫聚合物的孔径与微孔分布，填充剂和增强材料在聚合 物基体中的分布情况与结合状况，高分子材料的表面、界面和 断口，粘合剂的粘结效果及聚合物涂料的成膜特性等。扫描电 镜之所以有如此广泛的用途是因为它有以下一些独特的优点：
物镜光阑的作用是限制扫描电子束入射试样时的发散度 (它是物镜光阑的半径和光阑到试样表面的距离之比)。减小 物镜光阑的孔径，可以减小物镜的球差，提高分辨本领和改 善景深，从而提高图像的质量和增强图像的立体感。
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扫描电镜的结构 和工作原理
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.2 扫描系统
这一系统的作用是驱使电子束以不同的速度和不同的方式 在试样表面扫描，以适应各种观察方式的需要和获得合理的信 噪比。目前扫描电镜的最高扫描频率与电视接收频率相同。
前二级透镜也因此而被称为第一和第二聚光镜。第三个聚光镜
又称为物镜。通过它把扫描电子束会聚到试样表面。
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.1 电子光学系统
会聚镜光阑的作用是挡掉无用的杂散电子以保证获得微 细的扫描电子束，而又不致明显地减弱其亮度，还可以降低 噪声本底和防止绝缘物带电。第二聚光镜的光阑还可用来控 制选区衍射时电子束的发散角。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.3 吸收电子
随着入射电子在试样中发生非弹性散射次数的增多，其能 量不断下降，最后为样品所吸收。如果通过一个高电阻和高灵 敏度的电流表把样品接地，在高电阻或电流表上可检测到样品 对地的电流信号，这就是吸收电子的信号。吸收电流经过适当 放大后也可成像，形成吸收电流像。它很像是背散射电子像的 负片，明暗正好相反。用吸收电流像观察形貌复杂的样品时， 无阴影效应，像的衬度比较柔和。
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10.2 扫描电镜的结构
可以把它分解为5个 部分：电子光学系统、 扫描系统、信号检测系 统、显示系统和试样放 置系统。
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.1 电子光学系统
电子光学系统通常称为镜筒，由电子枪、二级或三级缩
小电磁透镜及光阑、合轴线圈、消像散器等辅助装置组成。
它们的作用是提供一束直径足够小、亮度足够高的扫描电子
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.1 背散射电子
由图10-2可以看到，入射电 子本身的运动方向也要发生某 种程度的偏斜。但是非弹性散 射的角度要比弹性散射的角度 小得多。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.1 背散射电子
弹性背散射电子是只受到试样原子核单次或很少次大角度 弹性散射后反射回来的入射电子，其能量没有发生变化。通常 把能量稍有变化的反射电子也归于这一类。
镜的分辨本领达到10nm以下并不困难。
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第10章 聚合物的扫描电子显微术
(5) 可对试样进行综合分析和动态观察
把扫描电镜和X能谱微区分析及电子衍射等仪器相结合，
可以在观察微观形貌的同时逐点分析其化学成分和晶体结构，
这样就打破了显微镜只能观察形貌、成分分析仪只能分析成分
的局限性，从而使扫描电镜兼具有电子显微镜、电子衍射仪和
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10.2 扫描电镜的结构
❖ 10.2.3 信号检测系统
X射线能谱仪的传感器是一个半导体二级管－锂漂移硅探 测器。当不同能量的X射线照射到锂漂移硅探测器时，会使它 产生与入射X射线能量成比例数量的电子－空穴对，从而形成 幅度与光量子能量成比例的电脉冲。通过多道分析器和数据
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.4 透射电子
当试样薄至101nm数量级时，便会有相当数量的入射电子 穿透试样。透射电子像的衬度能够反映试样不同部位的组成、 厚度和晶体取向方面的差异。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
❖ 10.1.5 特征X射线
部分入射电子将试样原子中内层K、L或M层上的电子激发
束。实现这一目标的第一步就是选择合适的电子枪。目前有3
种电子枪：发叉式钨丝热阴极电子枪、六硼化镧(LaB6)阴极 电子枪和场发射电子枪。前两种均属热发射电子枪，后一种
为冷发射电子枪。它们的性能如表10-2所示。场发射电子枪
在强电场作用下可以达到很高的电子发射率。使电子源的直
径可缩小至10nm。但这种电子枪要求有10-7～10-8Pa的高真
非弹性背散射电子是指那些经过几十次或上百次的非弹性 碰撞(也许含有几次弹性碰撞)后，最终仍然从样品表面反射回 来的入射电子。它们的能量高于50eV。
背散射电子反射回来时的方向是不规则的。它们的数量则 与入射角和样品的平均原子序数 Z 有关。 Z 越大，被散射的入 射电子也越多。背散射电子的发射深度约为10nm～1m。