簡(jiǎn)述掃描電鏡的構(gòu)造及成像原理

1、簡(jiǎn)述掃描電鏡的構(gòu)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(gòu)造掃描電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)收集和圖像顯示系統(tǒng)、和真空系統(tǒng)三部分組成。電子變怏信號(hào)敢火 和處理樣 試1.1 電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）電子光學(xué)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(jí)聚焦縮小，使原來直徑約為50um的束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)個(gè)納米的細(xì)小斑點(diǎn)，要達(dá)到這樣的縮小倍數(shù)，必須用幾個(gè) 透鏡來完成。

2、掃描電子顯微鏡一般都有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)聚光鏡是強(qiáng)磁透鏡， 可把電子束光斑縮小，第三個(gè)聚光鏡是弱磁透鏡，具有較長(zhǎng)的焦距。布置這個(gè)末 級(jí)透鏡（習(xí)慣上稱之物鏡）的目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(hào)探測(cè)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(dāng)于成像單元的尺寸越小，相應(yīng)的分辨率就越高。采用普通熱陰極電子槍時(shí)，掃 描電子束的束徑可達(dá)到6nm左右。若采用六硼化錮陰極和場(chǎng)發(fā)射電子槍，電子束 束徑還可進(jìn)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(zhuǎn)，并在樣品表面作有規(guī)則的掃 動(dòng)，電子束在樣品上的掃描動(dòng)作和顯像管上的掃描動(dòng)作保持嚴(yán)格同步， 因?yàn)樗鼈?是由同一掃

3、描發(fā)生器控制的。1.1.4 樣品室 樣品室內(nèi)除放置樣品外，還安置信號(hào)探測(cè)器。各種不同信號(hào)的收 集和相應(yīng)檢測(cè)器的安放位置有很大關(guān)系， 如果安置不當(dāng)，則有可能收不到信號(hào)或 收到的信號(hào)很弱，從而影響分析精度。樣品臺(tái)本身是一個(gè)復(fù)雜而精密的組件，它應(yīng)能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品作平移、傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，以利于對(duì)樣 品上每一特定位置進(jìn)行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實(shí)際上是一個(gè)微 型試驗(yàn)室，它帶有許多附件，可使樣品在樣品臺(tái)上加熱、冷卻和進(jìn)行機(jī)械性能試 驗(yàn)（如拉伸和疲勞）。1.2 信號(hào)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(hào)都可采用閃爍計(jì)數(shù)器來檢測(cè)。信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，

4、當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見光。 可見光 信號(hào)通過光導(dǎo)管送入光電倍增器， 光信號(hào)放大，即又轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出，電流 信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。 如前所述，由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(diǎn)的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來 的信號(hào)強(qiáng)度來調(diào)制的，因此樣品上各點(diǎn)的狀態(tài)各不相同，所以接收到的信號(hào)也不 相同，于是就可以在顯像管上看到一幅反映試樣各點(diǎn)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(xué)系統(tǒng)的正常工作， 對(duì)鏡筒內(nèi)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 1.33 X0-2-1.33 10-3Pa的真空度時(shí)， 就可防止樣

5、品的污染。如果真空度不足，除樣品被嚴(yán)重污染外，還會(huì)出現(xiàn)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由電子槍發(fā)射并經(jīng)過聚焦的電子束在樣品表面掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)，經(jīng)過檢測(cè)、視頻放大和信號(hào)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(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)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(jīng)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(jīng)過幾級(jí)電磁透鏡縮小， 到

6、達(dá)樣品。 當(dāng)然后續(xù)的信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)不同，但從基本物理原理上講沒什么實(shí)質(zhì)性差別。相同之處：都是電真空設(shè)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(shí)， 會(huì)和樣品中的原子發(fā)生散射， 樣品上某一點(diǎn)同時(shí)穿過的電子方向是不同，這樣品上的這一點(diǎn)在物鏡1-2 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(diǎn)一個(gè)放大的實(shí)像， 這個(gè)和凸透鏡成像原理相同。 這里邊有個(gè)反差形成機(jī)制理論比較深就不講， 但可以這么想象， 如果樣品內(nèi)部是絕對(duì)均勻的物質(zhì)， 沒有晶界， 沒有原子晶格結(jié)構(gòu)， 那么放大的圖像也不會(huì)有任何反差，

7、 事實(shí)上這種物質(zhì)不存在， 所以才會(huì)有這種牛逼儀器存在的理由。經(jīng)過物鏡放大的像進(jìn)一步經(jīng)過幾級(jí)中間磁透鏡的放大，最后投影在熒光屏上成像。 由于透射電鏡物鏡焦距很短， 也因此具有很小的像差系數(shù)， 所以透射電鏡具有非常高的空間分辨率，0.1-0.2nm,但景深比較小，對(duì)樣品表面形貌不敏感，主要觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。掃描電鏡： 電子束到達(dá)樣品， 激發(fā)樣品中的二次電子， 二次電子被探測(cè)器接收， 通過信號(hào)處理并調(diào)制顯示器上一個(gè)像素發(fā)光， 由于電子束斑直徑是納米級(jí)別，而顯示器的像素是100um 以上，這個(gè)100um 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(shí)現(xiàn)樣品上這個(gè)物點(diǎn)的放大。 如果讓

8、電子束在樣品的一定區(qū)域做光柵掃描，并且從幾何排列上一一對(duì)應(yīng)調(diào)制顯示器的像素的亮度， 便實(shí)現(xiàn)這個(gè)樣品區(qū)域的放大成像。 具體圖像反差形成機(jī)制不講。 由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(zhǎng)， 相應(yīng)的相差系數(shù)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?yàn)槲镧R焦距較長(zhǎng)， 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(nèi)部結(jié)構(gòu)， 除非破壞樣品， 例如聚焦離子束電子束掃描電鏡FIB-SEM, 可以層層觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。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

9、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(hào)脈沖只作為傳統(tǒng)CTR 顯示器上調(diào)制 CRT 三極電子槍柵極的信號(hào)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，透射電鏡往往使用幾百千伏的高能量電子束，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(jí)厚度， 這是最基本要求。 透射制樣是學(xué)問， 制樣好壞很多情況要靠運(yùn)氣， 北京大學(xué)物理學(xué)院電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室，制樣室都貼著制樣過程規(guī)范，結(jié)語是祝你好運(yùn)！SEM: 幾乎不用制樣，直接觀察。大多數(shù)非導(dǎo)體需要制作導(dǎo)電膜，絕大多數(shù)幾分鐘的搞定，