簡述掃描電鏡的構造及成像原理

1、簡述掃描電鏡的構造及成像原理，試分析其 與透射電鏡在樣品表征方面的異同1、掃描電鏡的構造掃描電鏡由電子光學系統(tǒng)、信號收集和圖像顯示系統(tǒng)、和真空系統(tǒng)三部分組 成。試樣信號mi操測餌和處理IQ空系統(tǒng)1.1電子光學系統(tǒng)（鏡筒）電子光學系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。1.1.1電子槍 掃描電子顯微鏡中的電子槍與透射電鏡的電子槍相似，只是加 速電壓比透射電鏡低。1.1. 2電磁透鏡 掃描電子顯微鏡中各電磁透鏡都不作成像透鏡用，而是做 聚光鏡用，它們的功能只是把電子槍的束斑逐級聚焦縮小，使原來直徑約為50um 的束斑縮小成一個只有數個納米的細小斑點，要達到這樣的縮小倍數，必須用兒 個透鏡來完成

2、。掃描電子顯微鏡一般都有三個聚光鏡，前兩個聚光鏡是強磁透鏡, 可把電子束光斑縮小，第三個聚光鏡是弱磁透鏡，具有較長的焦距。布置這個末 級透鏡（習慣上稱之物鏡）的U的在于使樣品室和透鏡之間留有一定空間，以便裝 入各種信號探測器。掃描電子顯微鏡中照射到樣品上的電子束直徑越小，就相當 于成像單元的尺寸越小，相應的分辨率就越高。采用普通熱陰極電子槍時，掃描 電子束的束徑可達到6nm左右。若釆用六硼化錮陰極和場發(fā)射電子槍，電子束束 徑還可進一步縮小。1.1.3掃描線圈 掃描線圈的作用是使電子束偏轉,并在樣品表面作有規(guī)則的掃 動，電子束在樣品上的掃描動作和顯像管上的掃描動作保持嚴格同步，因為它們 是由同一

3、掃描發(fā)生器控制的。1.1. 4樣品室 樣品室內除放置樣品外，還安置信號探測器。各種不同信號的收 集和相應檢測器的安放位置有很大關系，如果安置不當，則有可能收不到信號或 收到的信號很弱,從而影響分析精度。樣品臺本身是一個復雜而精密的組件，它 應能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品作平移、傾斜和轉動等運動，以利于對樣 品上每一特定位置進行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實際上是一個微 型試驗室，它帶有許多附件，可使樣品在樣品臺上加熱、冷卻和進行機械性能試驗 （如拉伸和疲勞）。1.2信號的收集和圖像顯示系統(tǒng)二次電子、背散射電子和透射電子的信號都可釆用閃爍計數器來檢測。信 號電子進入閃爍體后即引起電離

4、，當離子和自由電子復合后就產生可見光。可見 光信號通過光導管送入光電倍增器，光信號放大，即乂轉化成電流信號輸出，電流 信號經視頻放大器放大后就成為調制信號。如前所述，山于鏡筒中的電子束和顯 像管中電子束是同步掃描的，而熒光屏上每一點的亮度是根據樣品上被激發(fā)出來 的信號強度來調制的，因此樣品上各點的狀態(tài)各不相同，所以接收到的信號也不 相同，于是就可以在顯像管上看到一幅反映試樣各點狀態(tài)的掃描電子顯微圖像。1. 3真空系統(tǒng)為保證掃描電子顯微鏡電子光學系統(tǒng)的正常工作，對鏡筒內的真空度有一定 的要求。一般情況下，如果真空系統(tǒng)能提供1.33x10-2-1.3 3 x1 0 -3Pa的真空度時, 就可防止樣

5、品的污染。如果真空度不足，除樣品被嚴重污染外，還會出現燈絲壽命 下降，極間放電等問題。2掃描電鏡的成像原理掃描電鏡是山電子槍發(fā)射并經過聚焦的電子束在樣品表面掃描，激發(fā)樣品產 生各種物理信號，經過檢測、視頻放大和信號處理，在熒光屏上獲得能反映樣品表 面各種特征的掃描圖像。3、分析掃描電鏡與透射電鏡在樣品表征方面的異同3.1結構差異主要體現在樣品在電子束光路中的位置不同，透射電鏡的樣品在電子束中 間，電子源在樣品上方發(fā)射電子，經過聚光鏡，然后穿透樣品后，有后續(xù)的電磁透 鏡繼續(xù)放大電子光束，最后投影在熒光屏幕上；掃描電鏡的樣品在電子束末端， 電子源在樣品上方發(fā)射的電子束，經過兒級電磁透鏡縮小，到達樣

6、品。當然后續(xù) 的信號探測處理系統(tǒng)的結構也會不同，但從基本物理原理上講沒什么實質性差 別。相同之處:都是電真空設備，使用絕大部分部件原理相同，例如電子槍，磁透 鏡，各種控制原理，消象散，合軸等。3.2基本工作原理透射電鏡：電子束在穿過樣品時，會和樣品中的原子發(fā)生散射，樣品上某 一點同時穿過的電子方向是不同，這樣品上的這一點在物鏡1一2倍焦距之間， 這些電子通過過物鏡放大后重新匯聚,形成該點一個放大的實像，這個和凸透鏡 成像原理相同。這里邊有個反差形成機制理論比較深就不講，但可以這么想象, 如果樣品內部是絕對均勻的物質，沒有晶界，沒有原子晶格結構，那么放大的圖 像也不會有任何反差，事實上這種物質不

7、存在，所以才會有這種牛逼儀器存在的 理由。經過物鏡放大的像進一步經過兒級中間磁透鏡的放大，最后投影在熒光屏 上成像。山于透射電鏡物鏡焦距很短，也因此具有很小的像差系數，所以透射電 鏡具有非常高的空間分辨率，0-0. 2 nm,但景深比較小，對樣品表面形貌不敬 感，主要觀察樣品內部結構。掃描電鏡：電子束到達樣品，激發(fā)樣品中的二次電子,二次電子被探測器接 收，通過信號處理并調制顯示器上一個像素發(fā)光，山于電子束斑直徑是納米級別, 而顯示器的像素是1 0 0 u m以上，這個1 0 Oum以上像素所發(fā)出的光，就代表樣 品上被電子束激發(fā)的區(qū)域所發(fā)出的光。實現樣品上這個物點的放大。如果讓電子 束在樣品的一

8、定區(qū)域做光柵掃描，并且從兒何排列上一一對應調制顯示器的像素 的亮度，便實現這個樣品區(qū)域的放大成像。具體圖像反差形成機制不講。山于掃 描電鏡所觀察的樣品表面很粗糙，一般要求較大工作距離,這就要求掃描電鏡物 鏡的焦距比較長，相應的相差系數較大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系統(tǒng)的 空間分辨率一般比透射電鏡低得多1 -3納米。但因為物鏡焦距較長，圖像景深 比透射電鏡高的多，主要用于樣品表面形貌的觀察，無法從表面揭示內部結構, 除非破壞樣品，例如聚焦離子束電子束掃描電鏡FIB-SE M,可以層層觀察內部 結構。透射電鏡和掃描電鏡二者成像原理上根本不同。透射電鏡成像轟擊在熒光屏 上的電子是那些穿過樣品的電子束中的電子，而掃描電鏡成像的二次電子信號脈 沖只作為傳統(tǒng)CTR顯示器上調制CRT三極電子槍柵極的信號而已。透射電鏡 我們可以說是看到了電子光成像，而掃描電鏡根本無法用電子光路成像來想象。3. 3樣品制備TEM：電子的穿透能力很弱，透射電鏡往往使用兒口千伏的高能量電子 束，但依然需要把樣品磨制或者離子減薄或者超薄切片到微納米量級厚度，這是 最基本要求。透射制樣是學問，制樣好壞很多情況要靠運氣，北京大學物理學院 電子顯微鏡實驗室，制樣室都貼著制樣過程規(guī)范，結語是祝你好運！SEM:兒乎不用制樣，直接觀察。大多數非導體需要制作導電膜,絕大多 數兒分