第一章 材料表面形貌分析方法及其應(yīng)用

1、任課教師：魏大慶、饒建存任課教師：魏大慶、饒建存 哈工大分析測試中心哈工大分析測試中心 科學(xué)園科學(xué)園B1B1棟棟210210室室 電話：電話：8641761786417617 材料電子顯微分析材料電子顯微分析 技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)及應(yīng)用 a), b), c)a), b), c)分別為分別為 二氧化鈦納米管的二氧化鈦納米管的 正面，背面和側(cè)面正面，背面和側(cè)面 的掃描電鏡圖片；的掃描電鏡圖片； 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 電子顯微鏡掃描下的花粉粒結(jié)構(gòu)圖電子顯微鏡掃描下的花粉粒結(jié)構(gòu)圖 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 第第1章章 表面形貌分析方

2、法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 蚯蚓蚯蚓,生物學(xué)生物學(xué),掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡,一只動物一只動物, 無脊椎無脊椎 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 細(xì)胞在納米管表面的粘附狀態(tài)觀察細(xì)胞在納米管表面的粘附狀態(tài)觀察 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 l 掃描電子顯微鏡開始發(fā)展于掃描電子顯微鏡開始發(fā)展于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，隨其性年代，隨其性 能不斷提高和功能逐漸完善，目前在一臺掃描電鏡能不斷提高和功能逐漸完善，目前在一臺掃描電鏡 上可同時實現(xiàn)上可同時實現(xiàn)組織形貌組織形貌、微區(qū)成分微區(qū)成分和和晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)的同的同 位分析，位

3、分析， 現(xiàn)已成為材料科學(xué)等研究領(lǐng)域不可缺少現(xiàn)已成為材料科學(xué)等研究領(lǐng)域不可缺少 的分析工具的分析工具 l 與光學(xué)顯微鏡相比，與光學(xué)顯微鏡相比， 掃描電子顯微鏡不僅圖像掃描電子顯微鏡不僅圖像分分 辨率高辨率高，而且景深大，因此在，而且景深大，因此在斷口分析斷口分析方面顯示出方面顯示出 十分十分明顯的優(yōu)勢明顯的優(yōu)勢 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.1 概述概述 l 掃描電子顯微鏡的掃描電子顯微鏡的成像原理成像原理與與透射電鏡完全不同透射電鏡完全不同， 不是利用電磁透鏡聚焦成像，不是利用電磁透鏡聚焦成像， 而

4、是利用而是利用細(xì)聚焦電細(xì)聚焦電 子束子束在樣品在樣品表面掃描表面掃描，用探測器接收被激發(fā)的，用探測器接收被激發(fā)的各種各種 物理信號調(diào)制成像物理信號調(diào)制成像 l 目前，掃描電子顯微鏡二次電子像的分辨率已優(yōu)于目前，掃描電子顯微鏡二次電子像的分辨率已優(yōu)于 3nm3nm，高性能的場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡的分辨率，高性能的場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡的分辨率 已達(dá)到已達(dá)到 1nm1nm 左右，相應(yīng)的放大倍數(shù)可高達(dá)左右，相應(yīng)的放大倍數(shù)可高達(dá)6060萬萬倍倍 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.1 概述概述 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形

5、貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.1 散射的概念散射的概念 樣品對入射電子束的作用主要是散射，其中包樣品對入射電子束的作用主要是散射，其中包 括：括：彈性散射彈性散射和和非彈性散射：非彈性散射： l 又稱又稱彈性碰撞彈性碰撞和和非彈性碰撞非彈性碰撞。 l 只有動能的交換只有動能的交換，粒子的類型及其內(nèi)部運動狀態(tài)，粒子的類型及其內(nèi)部運動狀態(tài) 并無改變，則這種碰撞稱為并無改變，則這種碰撞稱為彈性散射彈性散射。 l 除有動能交換外除有動能交換外，粒子內(nèi)部狀態(tài)在碰撞過程中有，粒子內(nèi)部狀態(tài)在碰撞過程中有 所改變或轉(zhuǎn)化

6、為其他粒子，則稱為所改變或轉(zhuǎn)化為其他粒子，則稱為非彈性散射非彈性散射。 如電子原子碰撞中所引起的如電子原子碰撞中所引起的原子電離和激發(fā)原子電離和激發(fā) 背散射電子背散射電子 吸收電子吸收電子 透射電子透射電子 二次電子二次電子 特征特征X X射線射線 俄歇電子俄歇電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.2 信號的種類信號的種類 在 這 種 彈在 這 種 彈 性和非彈性散性和非彈性散 射的過程中，射的過程中， 有些入射電子有些入射電子

7、 累積累積散射角超散射角超 過過90度度，并將，并將 重新從樣品表重新從樣品表 面逸出。面逸出。 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 當(dāng)電子束照射樣品時，入射電子在樣品內(nèi)遭到衍射當(dāng)電子束照射樣品時，入射電子在樣品內(nèi)遭到衍射 時，會改變方向，甚至損失一部分能量（在非彈性散射時，會改變方向，甚至損失一部分能量（在非彈性散射 的情況下）。的情況下）。 1.2.3 背散射電子背散射電子 比較比較 類別類別 定義定義能量能量 變化變化 能量大能量大

8、小小 方向方向數(shù)數(shù) 量量 彈性背彈性背 散射電散射電 子子 被樣品中原子被樣品中原子 核反彈回來的核反彈回來的 入射電子入射電子 基本基本 上不上不 變變 數(shù)千到數(shù)千到 數(shù)萬電數(shù)萬電 子伏子伏 散射角大散射角大 于于9090， 方向變化方向變化 較較 多多 非彈性非彈性 背散射背散射 電子電子 入射電子和核入射電子和核 外電子撞擊經(jīng)外電子撞擊經(jīng) 多次散射后反多次散射后反 彈出樣品表面彈出樣品表面 變化變化數(shù)十到數(shù)十到 數(shù)千電數(shù)千電 子伏子伏 方向變化方向變化較較 少少 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.

9、2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.3 背散射電子背散射電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 產(chǎn)生深度產(chǎn)生深度：背散射電子產(chǎn)生于樣品表層：背散射電子產(chǎn)生于樣品表層幾百納米幾百納米 直一微米直一微米的深度范圍的深度范圍 能量范圍能量范圍：較寬，從：較寬，從幾十到幾萬電子伏特幾十到幾萬電子伏特 產(chǎn)額數(shù)量產(chǎn)額數(shù)量：隨樣品平均原子序數(shù)增大而增大隨樣品平均原子序數(shù)增大而增大， 所所 以背散射電子像的襯度可反映

10、對應(yīng)樣品位置的平以背散射電子像的襯度可反映對應(yīng)樣品位置的平 均原子序數(shù)。均原子序數(shù)。 技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用：背散射電子像主要用于定性分析材料：背散射電子像主要用于定性分析材料 的的成分分布和顯示相的形狀和分布成分分布和顯示相的形狀和分布 1.2.3 背散射電子背散射電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 定義：定義：在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣 品表面的品表面的樣品原子的核外電子樣品原子的核外電子叫

11、做二次電子叫做二次電子 產(chǎn)生過程產(chǎn)生過程：這是一種真空中的自由電子。由于原這是一種真空中的自由電子。由于原 子核和外層價電子的結(jié)合力能很小，因此外層的子核和外層價電子的結(jié)合力能很小，因此外層的 電子比較容易和原子脫離，使原子電離。一個能電子比較容易和原子脫離，使原子電離。一個能 量很高的入射電子射入樣品時，可以產(chǎn)生許多的量很高的入射電子射入樣品時，可以產(chǎn)生許多的 自由電子，這些自由電子中自由電子，這些自由電子中90%90%時來自樣品原子外時來自樣品原子外 層的價電子層的價電子 1.2.4 二次電子二次電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法

12、及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 l 能量：能量：能量較低能量較低，一般不超過，一般不超過50eV50eV，大多數(shù)均小，大多數(shù)均小 于于10eV10eV l 應(yīng)用：應(yīng)用：二次電子一般都是在二次電子一般都是在表層表層510nm510nm深度深度范圍范圍 內(nèi)發(fā)射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感，內(nèi)發(fā)射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感， 因此，能非常有效的顯示樣品的表面形貌。但二因此，能非常有效的顯示樣品的表面形貌。但二 次電子的次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān) 系系，所以不能用它來

13、進(jìn)行成分分析，所以不能用它來進(jìn)行成分分析 1.2.4 二次電子二次電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 背 散 射 射背 散 射 射 電 子 產(chǎn) 額電 子 產(chǎn) 額 和 二 次 電和 二 次 電 子 產(chǎn) 額 與子 產(chǎn) 額 與 原子序數(shù)原子序數(shù)Z Z 的關(guān)系的關(guān)系 020406080100 0.2 0.4 0.6 原子序數(shù)Z 產(chǎn) 額 背散射電子 二次電子 l 定義：定義：入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)多次非彈性入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)多次非彈性散射使

14、散射使 其能量消耗殆盡，最后其能量消耗殆盡，最后被樣品吸收被樣品吸收，稱吸收電子。稱吸收電子。 l 產(chǎn)生范圍產(chǎn)生范圍：產(chǎn)生于樣品：產(chǎn)生于樣品表層約表層約1 1微米微米的深度范圍的深度范圍 l 產(chǎn)額：產(chǎn)額：隨樣品平均原子序數(shù)增大而減小隨樣品平均原子序數(shù)增大而減小。因為，在。因為，在 入射電子束強度一定的情況下，對應(yīng)背散射電子產(chǎn)入射電子束強度一定的情況下，對應(yīng)背散射電子產(chǎn) 額大的區(qū)域吸收電子就少，所以吸收電子像也可提額大的區(qū)域吸收電子就少，所以吸收電子像也可提 供原子序數(shù)襯度供原子序數(shù)襯度 l 應(yīng)用：應(yīng)用：吸收電子像主要也用于定性分析材料的吸收電子像主要也用于定性分析材料的成分成分 分布和顯示相的

15、形狀和分布分布和顯示相的形狀和分布 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.5 吸收電子吸收電子 定義定義：若入射電子能量很高，且：若入射電子能量很高，且樣品很薄樣品很薄，則會，則會 有一部分電子穿過樣品，有一部分電子穿過樣品，這部分這部分入射電子稱透射入射電子稱透射 電子電子 分類分類：透射電子中除了能量和入射電子相當(dāng)?shù)膹棧和干潆娮又谐四芰亢腿肷潆娮酉喈?dāng)?shù)膹?性散射電子外，還有不同能量損失的非彈性散射性散射電子外，還有不同能量損失的非彈性散射 電子，其中有些電子的能量損失具有電子，其中有些電

16、子的能量損失具有特征值特征值，稱，稱 為為特征能量損失電子特征能量損失電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.6 透射電子透射電子 特點：特點：特征能量損失電子的能量與樣品中元素的特征能量損失電子的能量與樣品中元素的 原子序數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，其強度隨對應(yīng)元素的含量原子序數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，其強度隨對應(yīng)元素的含量 增大而增大增大而增大 應(yīng)用：應(yīng)用：利用電子能量損失譜儀接收特征能量損失利用電子能量損失譜儀接收特征能量損失 電子信號，可進(jìn)行微區(qū)成

17、分的定性和定量分析電子信號，可進(jìn)行微區(qū)成分的定性和定量分析 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.6 透射電子透射電子 如果使樣品接地，上述四種電子信號強度與入如果使樣品接地，上述四種電子信號強度與入 射電子強度射電子強度( (i i0 0) )之間應(yīng)滿足之間應(yīng)滿足 i ib b+ i is s+ i ia a+ i it t = i i0 0 式中，式中， i ib b、 i is s、 i ia a 和和 i it t 分別為背散

18、射電子、分別為背散射電子、 二次電子、吸收電子和透射電子信號強度。二次電子、吸收電子和透射電子信號強度。 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.6 電子信號強度的關(guān)系電子信號強度的關(guān)系 銅樣品銅樣品 、 、 及及 與與 t 的關(guān)系的關(guān)系 (入射電子能量入射電子能量E0 = 10keV) 上式兩端除以上式兩端除以 i i0 0 得得 + + + + + + =1 =1 式中，式中， 、 、 和和 分分 別為背散射、發(fā)射、吸別為背散射、發(fā)

19、射、吸 收和透射系數(shù)上述四個收和透射系數(shù)上述四個 系數(shù)系數(shù)與與 樣品質(zhì)量厚度的樣品質(zhì)量厚度的 關(guān)系如圖所示關(guān)系如圖所示 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.6 電子信號強度的關(guān)系電子信號強度的關(guān)系 產(chǎn)生過程：產(chǎn)生過程：如前所述，當(dāng)入射電子能量足以使樣品如前所述，當(dāng)入射電子能量足以使樣品 原子的內(nèi)層電子擊出時，原子處于能量較高的激發(fā)原子的內(nèi)層電子擊出時，原子處于能量較高的激發(fā) 態(tài)，外層電子將向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層空位，發(fā)射特態(tài)，外層電子將

20、向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層空位，發(fā)射特 征征X X射線釋放多余的能量。射線釋放多余的能量。 特點：特點：產(chǎn)生于樣品產(chǎn)生于樣品表層約表層約1 1 m m的深度的深度范圍其能量或范圍其能量或 波長與樣品中元素的原子序數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，其強度波長與樣品中元素的原子序數(shù)有對應(yīng)關(guān)系，其強度 隨對應(yīng)元素含量增多而增大隨對應(yīng)元素含量增多而增大。 應(yīng)用：應(yīng)用：特征特征X X射線主要用于材料微區(qū)成分定性和定射線主要用于材料微區(qū)成分定性和定 量分析量分析 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.7 特征特征X射線射線 l 產(chǎn)生

21、過程：產(chǎn)生過程：處于能量較高的激發(fā)態(tài)原子，外層電子處于能量較高的激發(fā)態(tài)原子，外層電子 將向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層空位時，不以發(fā)射特征將向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層空位時，不以發(fā)射特征X X射線射線 的形式釋放多余的能量，而是向外發(fā)射外層的另一的形式釋放多余的能量，而是向外發(fā)射外層的另一 個電子，稱為個電子，稱為俄歇電子俄歇電子。 l 特點：特點：產(chǎn)生于樣品產(chǎn)生于樣品表層約表層約1 1nmnm的深度的深度范圍其能量與樣范圍其能量與樣 品中元素的原子序數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系，能量較低，一品中元素的原子序數(shù)存在對應(yīng)關(guān)系，能量較低，一 般在般在 501500eV 501500eV 范圍內(nèi)，其范圍內(nèi)，其強度隨對應(yīng)元素含量增強度

22、隨對應(yīng)元素含量增 多而增大多而增大。 l 應(yīng)用：應(yīng)用：俄歇電子主要用于材料極表層的成分定性和俄歇電子主要用于材料極表層的成分定性和 定量分析。定量分析。 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.2 電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號電子束與樣品作用產(chǎn)生的主要信號 1.2.8 俄歇電子俄歇電子 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)

23、掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) 樣品腔 電子束系統(tǒng) SEM控制臺 計算機系統(tǒng) 樣品腔 樣品臺 電子光學(xué)系統(tǒng)；電子光學(xué)系統(tǒng)； 信號收集；信號收集； 顯示系統(tǒng)；顯示系統(tǒng)； 真空系統(tǒng)；真空系統(tǒng)； 電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)。 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) （1）電子槍）電子槍 光源光源 （2）電磁透鏡）電磁透鏡 會聚透鏡會聚透鏡 （3） 掃描線圈掃描線圈 偏轉(zhuǎn)電子束，掃描樣品偏轉(zhuǎn)電子束，掃描樣品

24、（4）樣品室）樣品室 放置樣品及信號探測器放置樣品及信號探測器 a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) （1 1）電子槍）電子槍 l 目前掃描電鏡電子槍的發(fā)射材料主要有：目前掃描電鏡電子槍的發(fā)射材料主要有： 鎢、鎢、LaB6LaB6，YB6YB6，TiC TiC 或或ZrC ZrC 等制造，其中等制造，其中W W、LaB6LaB6 應(yīng)用最多應(yīng)用最多 l 發(fā)

25、射方式主要為：發(fā)射方式主要為： 熱發(fā)射，場發(fā)射熱發(fā)射，場發(fā)射; ; l 發(fā)射溫度發(fā)射溫度: : 常溫常溫300K300K（冷場發(fā)射），（冷場發(fā)射），1500K-1800K (1500K-1800K (熱場發(fā)射、熱場發(fā)射、 肖特基肖特基SchottkySchottky熱發(fā)射熱發(fā)射) )，1500K-2000K1500K-2000K（LaB6LaB6熱熱 發(fā)射），發(fā)射），2700K( 2700K( 發(fā)叉式鎢絲熱發(fā)射）發(fā)叉式鎢絲熱發(fā)射） 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖

26、像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) （2 2）電磁透鏡）電磁透鏡 l 掃描電鏡中的電磁透鏡并不用于聚焦成像，掃描電鏡中的電磁透鏡并不用于聚焦成像， 而均而均 為聚光鏡，它們的作用是把電子束斑尺寸逐級聚焦為聚光鏡，它們的作用是把電子束斑尺寸逐級聚焦 縮小，縮小， 從電子槍的束斑從電子槍的束斑5050 m m 縮小為幾個納米的電縮小為幾個納米的電 子束子束 l 掃描電鏡一般配有三個聚光鏡，掃描電鏡一般配有三個聚光鏡， 前前兩級聚光鏡為兩級聚光鏡為 強磁透鏡強磁透鏡；末級透鏡末級透鏡是弱磁透鏡，具有較長的焦距，是弱磁透

27、鏡，具有較長的焦距， 習(xí)慣上稱之為習(xí)慣上稱之為物鏡物鏡。掃描電鏡束斑尺寸約為。掃描電鏡束斑尺寸約為35nm35nm， 場發(fā)射掃描電鏡可小至場發(fā)射掃描電鏡可小至1nm1nm 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 圖圖 電子束的掃描方式電子束的掃描方式 a) 光柵掃描光柵掃描 b) 角光柵掃描角光柵掃描 （3 3）掃描線圈）掃描線圈 l 掃描線圈的作用是使電

28、掃描線圈的作用是使電 子束偏轉(zhuǎn)，子束偏轉(zhuǎn)， 并在樣品表并在樣品表 面作有規(guī)則的掃描，兩面作有規(guī)則的掃描，兩 種方式見圖。種方式見圖。 表面形貌表面形貌 分析時，采用光柵掃描分析時，采用光柵掃描 方式，電子束在樣品表方式，電子束在樣品表 面掃描出方形區(qū)域。面掃描出方形區(qū)域。 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 圖圖 電子束的掃描方式電子束的掃描方式 a)

29、 光柵掃描光柵掃描 b) 角光柵掃描角光柵掃描 （3 3）掃描線圈）掃描線圈 l 電子通道花樣分析時，電子通道花樣分析時， 采用角光柵采用角光柵( (搖擺搖擺) )掃描掃描 方式方式 l 掃描線圈同步控制電子掃描線圈同步控制電子 束在樣品表面的掃描和束在樣品表面的掃描和 顯像管的掃描顯像管的掃描 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) （4 4）樣品室）樣

30、品室 l 樣品室位于鏡筒的最下方，除了放置樣品外，還要樣品室位于鏡筒的最下方，除了放置樣品外，還要 在合適位置安放在合適位置安放各種信號探測器各種信號探測器 l 樣品臺樣品臺是一個復(fù)雜而精密的組件，應(yīng)能可靠地承載是一個復(fù)雜而精密的組件，應(yīng)能可靠地承載 或夾持樣品，并使樣品能夠?qū)崿F(xiàn)平移、傾斜和旋轉(zhuǎn)或夾持樣品，并使樣品能夠?qū)崿F(xiàn)平移、傾斜和旋轉(zhuǎn) 等動作，以便對樣品上每一特定位置或特定方位進(jìn)等動作，以便對樣品上每一特定位置或特定方位進(jìn) 行分析行分析 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度

31、特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) （4 4）樣品室）樣品室 l 新式掃描電鏡的樣品室相當(dāng)于一個微型試驗室，附新式掃描電鏡的樣品室相當(dāng)于一個微型試驗室，附 有多種控制功能，如可使樣品進(jìn)行有多種控制功能，如可使樣品進(jìn)行加熱、冷卻、拉加熱、冷卻、拉 伸、彎曲伸、彎曲等試驗等試驗 l 樣品室一般設(shè)置為高真空狀態(tài)。目前有些掃描電鏡，樣品室一般設(shè)置為高真空狀態(tài)。目前有些掃描電鏡， 可根據(jù)分析需要，將樣品室設(shè)置為低真空或環(huán)境真可根據(jù)分析需要，將樣品室設(shè)置為低真空或環(huán)境真 空空 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表

32、面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) a) 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) (1) (1) 信號收集信號收集 二次電子、背散射電子等信號，采用閃爍計數(shù)器二次電子、背散射電子等信號，采用閃爍計數(shù)器 檢測。電子信號進(jìn)入閃爍體后即引起電離，離子和檢測。電子信號進(jìn)入閃爍體后即引起電離，離子和 自由電子復(fù)合后產(chǎn)生可見光，可見光信號進(jìn)入光電自由電子復(fù)合后產(chǎn)生可見光，可見光信號進(jìn)入光電 倍增管，光信號放大又轉(zhuǎn)化為電流信號輸出，電流倍增管，光信

33、號放大又轉(zhuǎn)化為電流信號輸出，電流 信號經(jīng)視頻放大器放大后成為調(diào)制信號信號經(jīng)視頻放大器放大后成為調(diào)制信號 b) 信號收集及圖像顯示信號收集及圖像顯示 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) 背散射電子 二次電子 背散射電 子探頭 樣品 二次電子探頭 b) 信號收集及圖像顯示信號收集及圖像顯示 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表

34、面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) b) 信號收集及圖像顯示信號收集及圖像顯示 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) (2) (2) 圖像顯示圖像顯示 樣品上入射電子束和顯像管中的電子同步掃描，樣品上入射電子束和顯像管中的電子同步掃描， 熒光屏上每一像點的亮度，對應(yīng)于樣品

35、相應(yīng)位置的熒光屏上每一像點的亮度，對應(yīng)于樣品相應(yīng)位置的 信號強度信號強度。因此若樣品上各點的狀態(tài)不同，接收到。因此若樣品上各點的狀態(tài)不同，接收到 的信號強度也不同，對應(yīng)于熒光屏上像點的亮度就的信號強度也不同，對應(yīng)于熒光屏上像點的亮度就 不同，所以在熒光屏上顯示出反映樣品表面狀態(tài)的不同，所以在熒光屏上顯示出反映樣品表面狀態(tài)的 圖像圖像 b) 信號收集及圖像顯示信號收集及圖像顯示 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本

36、結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) (1)(1)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) l 真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作， 防止樣品污染提供高的真空度。防止樣品污染提供高的真空度。 (2)(2)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) l 電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組 成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源 c) 真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng) 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3 掃描圖像

37、成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 1.3.1 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu) l 分辨率分辨率：對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的：對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的 最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間 的最小距離。的最小距離。 l 熱鎢絲發(fā)射電子槍熱鎢絲發(fā)射電子槍SEMSEM的分辨率一般是的分辨率一般是3-6nm3-6nm，場，場 發(fā)射槍發(fā)射槍SEMSEM的分辨率的分辨率1-2nm1-2nm，超高分辨率，超高分辨率SEMSEM的分的分 辨率辨率0.4-0.6nm0.4-0.6nm。 第第1章章 表面形貌分析方

38、法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 n 分辨率分辨率 信信 號號 二次二次 電子電子 背散射背散射 電子電子 吸收吸收 電子電子 特征特征X X射射 線線 俄歇俄歇 電子電子 深度深度 范圍范圍 5105105020050200 100100 10001000 100100 10001000 0.520.52 各種信號來自樣品表面的深度范圍各種信號來自樣品表面的深度范圍 (nm)(nm) 掃描電鏡的分辨率的高低掃描電鏡的分辨率的高低和檢測的信號種類和檢測的信號種類有關(guān)

39、，有關(guān)， 因為不同信號產(chǎn)生于樣品的深度范圍不同，見下表因為不同信號產(chǎn)生于樣品的深度范圍不同，見下表 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 n 分辨率分辨率 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 n 分辨率分辨率 l 產(chǎn)生產(chǎn)生俄歇電子俄歇

40、電子的樣品深度最小，的樣品深度最小， 其次為其次為二次電子二次電子，吸收電子和特吸收電子和特 征征X射線射線產(chǎn)生的樣品深度范圍最產(chǎn)生的樣品深度范圍最 大。大。 l 電子束在樣品中一般擴(kuò)展成電子束在樣品中一般擴(kuò)展成一個一個 滴狀滴狀區(qū)域，其擴(kuò)展區(qū)域區(qū)域，其擴(kuò)展區(qū)域深度和形深度和形 狀狀受加速電壓和樣品原子序數(shù)的受加速電壓和樣品原子序數(shù)的 影響，擴(kuò)展區(qū)域隨加速電壓升高影響，擴(kuò)展區(qū)域隨加速電壓升高 而增大，隨樣品原子序數(shù)增大而而增大，隨樣品原子序數(shù)增大而 減小減小 l 各種信號成像分辨率將隨著信號產(chǎn)生的各種信號成像分辨率將隨著信號產(chǎn)生的深度范圍增深度范圍增 大而下降大而下降。因為隨著深度距離增大，電

41、子束橫向擴(kuò)。因為隨著深度距離增大，電子束橫向擴(kuò) 展范圍也增大。展范圍也增大。 l 因電子的平均自由程很短，而因電子的平均自由程很短，而二次電子二次電子的能量很低，的能量很低， 較深范圍產(chǎn)生的二次電子不能逸出表面；由于產(chǎn)生較深范圍產(chǎn)生的二次電子不能逸出表面；由于產(chǎn)生 二次電子二次電子的樣品區(qū)域小，因此二次電子圖像分辨率的樣品區(qū)域小，因此二次電子圖像分辨率 高高 l 較深范圍產(chǎn)生的較深范圍產(chǎn)生的俄歇電子俄歇電子因受樣品非彈性散射而失因受樣品非彈性散射而失 去特征能量；去特征能量； 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)

42、用 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 因產(chǎn)生因產(chǎn)生背散射電子背散射電子的深度范圍較大，的深度范圍較大， 電子束在電子束在 此深度的橫向擴(kuò)展范圍也變大，此深度的橫向擴(kuò)展范圍也變大， 所以背散射電所以背散射電 子像的分辨率低于二次電子像；子像的分辨率低于二次電子像； 而產(chǎn)生而產(chǎn)生吸收電子吸收電子深度范圍更大，因此相應(yīng)的圖深度范圍更大，因此相應(yīng)的圖 像分辨率更低；像分辨率更低； 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3

43、 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 u 因二次電子像的分辨率最高，習(xí)慣用二次電子像分因二次電子像的分辨率最高，習(xí)慣用二次電子像分 辨率作為掃描電鏡分辨率指標(biāo)；辨率作為掃描電鏡分辨率指標(biāo)； u 特征特征X X射線射線和和俄歇電子俄歇電子用于成分分析，通常把產(chǎn)生這用于成分分析，通常把產(chǎn)生這 些信號的樣品區(qū)域，稱作為微區(qū)成分析的空間分辨些信號的樣品區(qū)域，稱作為微區(qū)成分析的空間分辨 率率 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 s

44、 c A A M 入射電子束在樣品表面掃描的幅度為入射電子束在樣品表面掃描的幅度為 AsAs, ,相相 應(yīng)地在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為應(yīng)地在熒光屏上陰極射線同步掃描的幅度為 AcAc， AcAc和和 AsAs的比值即為掃描電鏡放大倍數(shù)的比值即為掃描電鏡放大倍數(shù) 由于掃描電鏡熒光屏尺寸固定不變，因此只需由于掃描電鏡熒光屏尺寸固定不變，因此只需 改變電子束在樣品上的掃描區(qū)域的大小，即可改變改變電子束在樣品上的掃描區(qū)域的大小，即可改變 放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 n放大倍數(shù)放大

45、倍數(shù) 1.3.3 掃描電子顯微鏡的基本性能掃描電子顯微鏡的基本性能 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 二次電子像中像點的二次電子像中像點的亮度亮度取決于對應(yīng)樣品位置取決于對應(yīng)樣品位置 二次電子的二次電子的產(chǎn)額產(chǎn)額，而二次電子產(chǎn)額對樣品微區(qū)表面，而二次電子產(chǎn)額對樣品微區(qū)表面 的取向非常敏感，見圖。二次電子的產(chǎn)額取決于產(chǎn)的取向非常敏感，見圖。二次電子的產(chǎn)額取決于產(chǎn) 生二次電子的樣品體積生二次電子的樣品體積. . 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)

46、用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 a.二次電子成像原理二次電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 隨微區(qū)表面法線相對于電子束方向間夾角隨微區(qū)表面法線相對于電子束方向間夾角 增大，增大， 激發(fā)二次電子的有效深度增大，二次電子的產(chǎn)額隨之激發(fā)二次電子的有效深度增大，二次電子的產(chǎn)額隨之 增大；增大； = 0 0 時，二次電子產(chǎn)額最??；時，二次電子產(chǎn)額最??； =4545 時，其時，其 產(chǎn)額增大；產(chǎn)額增大； = 6060 時，二次電子產(chǎn)額更大時，二次電子產(chǎn)額更大 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方

47、法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 a.二次電子成像原理二次電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 二次電子成像襯度示意圖二次電子成像襯度示意圖 根據(jù)上述原理，二次電子成根據(jù)上述原理，二次電子成 像襯度如圖所示，圖中像襯度如圖所示，圖中B B平平 面的傾斜程度最小，面的傾斜程度最小， 二次二次 電子的產(chǎn)額最少電子的產(chǎn)額最少 ，像亮度，像亮度 最低；最低；C C平面的傾斜程度最平面的傾斜程度最 大，像亮度也最大大，像亮度也最大 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其

48、應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 a.二次電子成像原理二次電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 實際樣品中二次電子的激發(fā)示意圖實際樣品中二次電子的激發(fā)示意圖 a) 凸出尖角凸出尖角 b) 小顆粒小顆粒 c) 棱角棱角 d) 凹槽凹槽 而圖像中像點的亮度最終取決于檢測到的二次電而圖像中像點的亮度最終取決于檢測到的二次電 子的多少，凸出于表面的子的多少，凸出于表面的尖角、顆粒尖角、顆粒等部位圖像較亮；等部位圖像較亮； 凹槽處圖像較暗凹槽處圖像較暗，因為雖然此處二次電子產(chǎn)額較大，因為雖然此處二次電子產(chǎn)

49、額較大， 但不易被接收但不易被接收 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 a.二次電子成像原理二次電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 檢測二次電子和背散射電檢測二次電子和背散射電 子的比較子的比較 背散射電子像也能提供表面背散射電子像也能提供表面 形貌襯度。但與二次電子像形貌襯度。但與二次電子像 相比，背散射電子像形貌襯相比，背散射電子像形貌襯 度特點為度特點為: : 1) 1) 產(chǎn)生背散射電子的樣品產(chǎn)生背

50、散射電子的樣品 區(qū)域較大，所以背散射電子區(qū)域較大，所以背散射電子 圖像分辨率低圖像分辨率低 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 b.背散射電子成像原理背散射電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 背散射電子像形貌襯度特點為背散射電子像形貌襯度特點為: : 2) 2) 二次電子能量很低，背向二次電子能量很低，背向 檢測器的二次電子在柵極吸引檢測器的二次電子在柵極吸引 下也能被檢測到；而下也能被檢測到；而背散射電

51、背散射電 子的能量較高，背向探測器的子的能量較高，背向探測器的 信號難以檢測到，因此圖像存信號難以檢測到，因此圖像存 在較大的陰影在較大的陰影 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 b.背散射電子成像原理背散射電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 檢測二次電子和背散射電檢測二次電子和背散射電 子的比較子的比較 u 若利用背散射電子信號成若利用背散射電子信號成 像，對應(yīng)樣品中平均原子像，對應(yīng)樣品中平均原子 序數(shù)

52、大的區(qū)域圖像較亮，序數(shù)大的區(qū)域圖像較亮， 對應(yīng)樣品中平均原子序數(shù)對應(yīng)樣品中平均原子序數(shù) 小的區(qū)域圖像較暗。小的區(qū)域圖像較暗。 u 不同物相元素組成不同，不同物相元素組成不同， 其平均原子序數(shù)也不同，其平均原子序數(shù)也不同， 利用背散射電子成像時，利用背散射電子成像時， 不同物相顯示不同的亮度不同物相顯示不同的亮度 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 b.背散射電子成像原理背散射電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度

53、特點 檢測器對的工作原理檢測器對的工作原理 a) a) 表面光滑表面光滑 b) b) 成分均勻成分均勻 c) c) 形貌、成分有差別形貌、成分有差別 為排除表面形貌襯度為排除表面形貌襯度 對原子序數(shù)襯度的干擾，對原子序數(shù)襯度的干擾， 可使用表面拋光而不腐蝕可使用表面拋光而不腐蝕 樣品樣品，或，或采用一對采用一對(A(A、B)B) 探測器檢測信號探測器檢測信號 將將A A、B B信信 號相加，可獲得原子序數(shù)號相加，可獲得原子序數(shù) 襯度像襯度像；將；將A A、 B B信號相減，信號相減， 可獲得表面形貌襯度像。可獲得表面形貌襯度像。 新型掃描電鏡多采用頂插新型掃描電鏡多采用頂插 式環(huán)形四分割背散射

54、電子式環(huán)形四分割背散射電子 探測器探測器 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.3.4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 b.背散射電子成像原理背散射電子成像原理 1.3 掃描圖像成像原理及其襯度特點掃描圖像成像原理及其襯度特點 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.4 1.4 掃描電鏡圖像分辨率及其影響因素掃描電鏡圖像分辨率及其影響因素 1.4.1 加速電壓加速電壓 加速電壓加速電壓KVKV 1 5 10 15 20 25 30 1 5 10 15 20 25

55、30 分辨率分辨率 低低 高高 邊緣效應(yīng)邊緣效應(yīng) 小小 大大 襯度襯度 小小 大大 無鍍膜觀察無鍍膜觀察 容易容易 15kV 1kV 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.4 1.4 掃描電鏡圖像分辨率及其影響因素掃描電鏡圖像分辨率及其影響因素 加速電壓提高，電子束波長越短，理加速電壓提高，電子束波長越短，理 論上，只考慮電子束直徑的大小，加論上，只考慮電子束直徑的大小，加 速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電了速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電了 束，因而提高分辨率，然而提高加速束，因而提高分辨率，然而提高加速 電壓卻有一些不可忽視的缺點電壓卻有一些不可忽視的缺點: 1.4

56、.1 加速電壓加速電壓 A.無法看到樣品表面的微細(xì)結(jié)無法看到樣品表面的微細(xì)結(jié) 構(gòu)。構(gòu)。 B.會出現(xiàn)不尋常的邊緣效應(yīng)。會出現(xiàn)不尋常的邊緣效應(yīng)。 C.電荷累積的可能性增高。電荷累積的可能性增高。 D.樣品損傷的可能性增高。樣品損傷的可能性增高。 因此適當(dāng)?shù)募铀匐妷赫{(diào)因此適當(dāng)?shù)募铀匐妷赫{(diào) 整，才可獲得最清晰的整，才可獲得最清晰的 影像。影像。 u 在加速電壓和物鏡光闌孔徑固定的情況下調(diào)節(jié)聚在加速電壓和物鏡光闌孔徑固定的情況下調(diào)節(jié)聚 光鏡電流可以改變束流大小，聚光鏡勵磁電流越光鏡電流可以改變束流大小，聚光鏡勵磁電流越 大，大，電子束直徑就越小，從而使分辨率提高電子束直徑就越小，從而使分辨率提高。 u

57、束流減小使二次電子信號減弱，噪音增大束流減小使二次電子信號減弱，噪音增大。過大。過大 的束流會使邊緣效應(yīng)增大，帶來過強的反差，要的束流會使邊緣效應(yīng)增大，帶來過強的反差，要 獲得最佳的圖像質(zhì)量，必須兼顧電子束直徑和能獲得最佳的圖像質(zhì)量，必須兼顧電子束直徑和能 收集足夠強的二次電子信號兩方面的要求。收集足夠強的二次電子信號兩方面的要求。 1.4.2束斑尺寸束斑尺寸 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.4 1.4 掃描電鏡圖像分辨率及其影響因素掃描電鏡圖像分辨率及其影響因素 Ag-Cu釬焊層的背散射電子像 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第

58、1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.5 1.5 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 1.5.1 背散射電子應(yīng)用背散射電子應(yīng)用 多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌 （a）低倍像（b）高倍像 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.5 1.5 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 1.5.2 二次電子應(yīng)用二次電子應(yīng)用 1.5.2.1 常見材料表面形貌觀察常見材料表面形貌觀察 vC C球球vC C管陣列管陣列 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分

59、析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.5 1.5 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 1.5.2 二次電子應(yīng)用二次電子應(yīng)用 1.5.2.1 常見材料表面形貌觀察常見材料表面形貌觀察 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.5 1.5 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 1.5.2 二次電子應(yīng)用二次電子應(yīng)用 vC管螺旋 vZnO納米飛機網(wǎng)絡(luò) 1.5.2.1 常見材料表面形貌觀察常見材料表面形貌觀察 vZnOZnO納米棒納米棒vZnOZ

60、nO納米帶納米帶 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.5 1.5 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 1.5.2 二次電子應(yīng)用二次電子應(yīng)用 1.5.2.1 常見材料表面形貌觀察常見材料表面形貌觀察 vZnOZnO管狀結(jié)構(gòu)管狀結(jié)構(gòu) vZnOZnO薄膜薄膜 第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用第第1章章 表面形貌分析方法及其應(yīng)用表面形貌分析方法及其應(yīng)用 1.5 1.5 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 1.5.2 二次電子應(yīng)用二次電子應(yīng)用 1.5.