SEM的結(jié)構(gòu)及工作原理

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SEM的結(jié)構(gòu)及工作原理蔣長軍

SEM的特點和工作原理

◆1965年第一臺商用SEM問世;

◆EM能彌補透射電鏡樣品制備要求

很高的缺點;

◆景深大;

◆放大倍數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大;

◆分辨本領(lǐng)比較高；◆樣品制備非常方便

◆可直接觀察大塊試樣

◆固體材料樣品表面和界面分析

◆適合于觀察比較粗糙的表面：

材料斷口和顯微組織三維形態(tài)掃描電鏡能完成：表（界）面形貌分析；配置各種附件，做表面成分分析及表層晶體學(xué)位向分析等。掃描電鏡的成像原理，和透射電鏡大不相同，它不用什么透鏡來進(jìn)行放大成像，而是象閉路電視系統(tǒng)那樣，逐點逐行掃描成像。掃描電鏡由六個系統(tǒng)組成

(1)電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）

(2)掃描系統(tǒng)

(3)信號收集系統(tǒng)

(4)圖像顯示和記錄系統(tǒng)

(5)真空系統(tǒng)

(6)電源系統(tǒng)由電子槍發(fā)出的電子，經(jīng)過2-3個電子透鏡聚焦后，在樣品表面按順序逐行進(jìn)行掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子等。（1）

背散射電子入射電子與試樣作用，產(chǎn)生彈性或非彈性散射后離開試樣表面的電子稱為背散射電子。通常背散射電子的能量較高，基本上不受電場的作用而呈直線運動進(jìn)入檢測器。背散射電子的強度與試樣表面形貌和組成元素有關(guān)。－－－－背散射電子二次電子樣品真空

(2)二次電子背入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。

(3)特征X射線特征X射線試原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。X射線一般在試樣的500nm-5mm深處發(fā)出。各元素都有自己的特征X射線，因此可用來進(jìn)行微區(qū)成分分析。（4）俄歇電子如果原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內(nèi)。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號適用與表層化學(xué)成分分析。

兩種信號模式sampleSEBSEElectrodee-UpperSEDetectorSEmodeSEBSESE+BSEmodeExBsampleElectrodee-UpperSEDetectorExBSE+BSESENiHV:2kVMag:20kXSample:Ni/AlCompoundmaterial一、放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍率M取決于顯像管熒光屏尺寸S2和入射束在試樣表面掃描距離S1之比，即掃描電鏡的主要性能12SSM=二、分辨率掃描電鏡的分辨率有兩重意義：對微區(qū)成分而言，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的最小距離。這兩者主要決定入射電子束的直徑，但并不直接等于直徑。二是由所接收信號的激發(fā)區(qū)域半徑?jīng)Q定。

SEM的分辨本領(lǐng)與以下因素有關(guān)：

1)入射電子束束斑直徑

入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。熱陰極電子槍的最小束斑直徑6nm，場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm。

2)入射束在樣品中的擴展效應(yīng)

電子束打到樣品上，會發(fā)生散射，擴散范圍如同梨狀或半球狀。入射束能量越大，樣品原子序數(shù)越小，則電子束作用體積越大。由圖可以看出，只有在離樣品表面深度0.3L2區(qū)產(chǎn)生的背散射電子有可能逸出樣品表面，二次電子信號在5-10nm深處的逸出，吸收電子信號、一次X射線來自整個作用體積。這就是說，不同的物理信號來自不同的深度和廣度。

入射束有效束斑直徑隨物理信號不同而異，分別等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信號調(diào)制的掃描象有不同的分辨本領(lǐng)。二次電子掃描象的分辨本領(lǐng)最高，約等于入射電子束直徑，一般為6-10nm，背散射電子為50-200nm，吸收電子和X射線為100-1000nm。

影響分辨本領(lǐng)的因素還有信噪比、雜散電磁場和機械震動等。