第25節(jié)電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理

材料電子顯微分析第25節(jié)掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理燕山大學(xué)材料電子顯微分析

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前言掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope),簡稱掃描電鏡（SEM），是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。目前，掃描電鏡已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，尤其在材料研究領(lǐng)域，掃描電鏡已經(jīng)成為了應(yīng)用最為廣泛的設(shè)備之一，這就迫切要求我們對掃描電鏡要進(jìn)行細(xì)致深入的了解。掃描電子顯微鏡的歷史掃描電子顯微鏡的構(gòu)造掃描電子顯微鏡的工作原理掃描電子顯微鏡的類型燕山大學(xué)材料電子顯微分析

主要內(nèi)容燕山大學(xué)材料電子顯微分析

1、掃描電子顯微鏡的歷史

德國科學(xué)家MaxKnoll在1935年設(shè)計的一臺儀器被認(rèn)為是第一臺掃描電子顯微鏡。如左下圖，他將一個陰極射線管改裝，以便放入樣品，從另一個陰極射線管獲得圖像。（兩管用一個掃描發(fā)生器同步掃描，用二次電子信號調(diào)制另一臺顯示器。）束斑尺寸在0.1~1mm之間，因為二次電子發(fā)射的變化產(chǎn)生反差，但沒有實用價值。裝置雖然簡單，但勾畫出了掃描電鏡的原理性輪廓。

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二戰(zhàn)后

英國劍橋大學(xué)工程系的CharlesOatley和McMullan在英格蘭建造了他們的第一臺SEM,到1952年，他們實現(xiàn)了50nm的分辨率。CharlesOatley和McMullan建造的掃描電鏡第一臺可以用來檢測樣品的掃描電鏡是1942年，Zworykinetal在美國RCA實驗室建造的，分辨率1微米。燕山大學(xué)材料電子顯微分析

1965年首臺商品化掃描電鏡誕生，體現(xiàn)掃描電鏡具有廣泛的應(yīng)用價值。英國劍橋儀器公司制造的第一臺商品化掃描電鏡燕山大學(xué)材料電子顯微分析

1967年觀察到由于晶體取向，電子和晶格的相互作用而產(chǎn)生的電子通道花樣反差，從而發(fā)展出現(xiàn)在廣泛使用的商品化EBSD技術(shù)。

1975年美國Amray公司率先將計算機引入到掃描電鏡中，用于程序協(xié)調(diào)控制加速電壓，放大倍數(shù)和磁透鏡焦距的關(guān)系，二次電子圖像分辨率達(dá)到6nm。

1980年代，掃描電鏡開始加入EDS\WDS等分析裝備，圍繞掃描電鏡發(fā)展的各種商品化探測器趨于成熟，很大程度拓展了掃描電鏡的應(yīng)用價值。

1985年德國蔡司公司推出計算機控制的帶有幀存器的數(shù)字圖像掃描電鏡。

1990年全面進(jìn)入數(shù)字圖像掃描電鏡時代。

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2、掃描電子顯微鏡的構(gòu)造現(xiàn)代掃描電鏡結(jié)構(gòu)示意圖燕山大學(xué)材料電子顯微分析

真空系統(tǒng)電子束系統(tǒng)成像系統(tǒng)掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡系統(tǒng)組成真空柱真空泵電子槍電磁透鏡機械泵擴(kuò)散泵分子泵離子泵鎢燈絲槍LaB6燈絲槍場發(fā)射電子槍燕山大學(xué)材料電子顯微分析

Q1：為什么需要真空環(huán)境？（1）電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效；（2）為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。Q2：各種樣式的電子槍發(fā)射源有何差別？鎢燈絲LaB6燈絲熱場發(fā)射燈絲燕山大學(xué)材料電子顯微分析

掃描電鏡電子源比較燕山大學(xué)材料電子顯微分析

3、掃描電子顯微鏡的工作原理3.1

材料與電子的相互作用被散射電子二次電子特征X光俄歇電子吸收電子入射電子透射電子試樣燕山大學(xué)材料電子顯微分析

3.2

掃描電子顯微鏡的原理顯示器放大檢測掃描發(fā)生器電子槍掃描線圈聚光鏡中間鏡物鏡試樣掃描電子顯微鏡的工作原理燕山大學(xué)材料電子顯微分析

試樣閃爍體光導(dǎo)管光電倍增器入射電子二次電子光子電子電流+VSEM二次電子檢測系統(tǒng)燕山大學(xué)材料電子顯微分析

掃描作用原理圖燕山大學(xué)材料電子顯微分析

lL樣品掃描區(qū)熒光屏掃描區(qū)信號轉(zhuǎn)換樣品空間顯示空間成像原理圖燕山大學(xué)材料電子顯微分析

試樣表面形態(tài)對二次電子產(chǎn)額的影響少

黑多亮中灰θ=0θ=25θ=45燕山大學(xué)材料電子顯微分析

二次電子像的形成燕山大學(xué)材料電子顯微分析

幾個常用概念

（1）放大倍率：在掃描電鏡中，如果把樣品空間中長度為l的直線成像到顯示空間上，其長度放大為L，則放大倍率M定義為：M=l/L（2）像元：是指電子束在樣品上獲取信息的區(qū)域，這個區(qū)域產(chǎn)生的信息被傳送到熒光屏上某個對應(yīng)的亮點成像。像元的面積越小，圖像分辨率越高。在高分辨熒光屏上，最小亮點即熒光粉顆粒直徑約為0.1mm，像元直徑r0與放大倍率M有如下關(guān)系：r0=100/M

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（3）景深：當(dāng)像平面固定時，在維持物體圖像清晰的范圍內(nèi)，近物與遠(yuǎn)物在光軸上的最大距離差稱為景深。圖像清晰區(qū)abcD2r0α表面粗糙樣品景深示意圖

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(4)分辨率測定掃描電鏡分辨率的金標(biāo)樣燕山大學(xué)材料電子顯微分析

4、掃描電子顯微鏡的類型商品掃描電鏡主要分為兩類：場發(fā)射掃描電鏡（FEGSEM）和常規(guī)掃描電鏡（ConventionalSEM，簡稱CSEM)。此外，環(huán)境掃描電鏡（ESEM)和可變壓力掃描電鏡也得到了越來越多的應(yīng)用。類型照明電子源

分辨率（nm)放大倍率（k×)加速電壓（kV)價格比FEGSEM場發(fā)射電子槍：冷場陰極Schottky

陰極1~1.510~9000.1~30

2~3CSEM熱發(fā)射電子槍：鎢陰極LaB6陰極3~3.510~3000.5~301場發(fā)射與常規(guī)掃描電鏡主要性能指標(biāo)對比燕山大學(xué)材料電子顯微分析

Hitachi冷場發(fā)射掃描電鏡FEI熱場發(fā)射掃描電鏡燕山大學(xué)材料電子顯微分析

Hitachi鎢燈絲掃描電鏡KYKY鎢燈絲掃描電鏡燕山大學(xué)