第四章--扫描电子显微镜综述

第四章扫描电子显微镜 一 扫描电镜的特点它是近几十年来获得迅速发展的电子显微分析仪器 它即可用来直接观察试样的表面形貌 又可以对试样表面进行成分分析 与反射式光学显微镜比较 具有分辩率高 视野大 景深长 图象实于立体感及放大倍数高等优点 与透射电镜比较 个别样非常简单 导电试样可直接观察 可观察大试样 不破坏试样表面 分析简单 它是进行试样表面形貌分析的有效工具 尤其适用于金属断口的形貌观察及断裂原因分析 二 扫描电镜的工作原理如书上图5 1所示 P212 在高电压作用下 从电子枪射出来的电子束往聚光镜和物镜聚焦成很细的高能电子束 在扫描线圈的作用下 在试样的表面进行帧扫描 电子束与试样表面物质相互作用产生背散射电子 二次电子等各种信息 探测器将这些信号接受 经放大器放大去调节显像管的栅极 并在荧光屏上显示出衬度 信号收集极由接收极 荧光闪烁体 光导管 光电倍增管及前置放大器组成 三 放大倍数与分辨本领如前说述 扫描电镜的成象原理是用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发所产生的某些物理信号来调制成象 由于采用镜面电子束在试样表面扫描与显象管扫描严格同步 因此 荧光屏上的图象应与电子束扫过试样表面一致 其大小成比例 其比例关系即定义为扫描电镜的放大倍数 即 M 显像管荧光屏面积 电子束扫过试样表面面积 S A由于S固定 因此 改变镜筒电子束扫描偏转线圈的电流 就可以改变电子束扫过试样表面的面积A 从而实现倍数M的调节 为了实现不同观察及照相记录的需要 几乎所有电镜均设有几种扫描速度以供选择 即电视 T V 扫描 快扫描 0 5 0 8秒 中速扫描 帧幅时间1 5 3 0秒 慢速扫描 7 10秒 及照相扫描 50 80秒 所谓分辨本领就是能够辩认物体细节的本领 以能分清出两点或两细节间的最短距离来衡量 显然 这与细节的形状及其相对与环境的反差有关 扫描电镜的分辨本领约为30 100 肉眼能分清荧光屏上大小d 0 2mm的距离 那么扫描电镜的有效放大倍数M应为 M d d 0 2mm 100 2 104即放大2万倍 影响分辨率的主要因素 入射电子束斑的大小 入射斑点的直径 试样对入射电子的散射 信号 噪音比四 扫描电镜图象的景深其一个重要的特点就是图象的景深长 有明显的立体感 但在这里着重指出 扫描电镜的景深与第二章所述的电磁透射镜的景深有完全不同的概念 因为扫描电镜的成象原理及其放大方法与电磁透镜成象的放大方法完全不同 扫描电镜纯属几何放大 扫描电镜成象要依靠高能电子束 激发试样产生的二次电子或背散射电子 这些电子是经过双聚光镜及物镜高度聚焦后才射到试样表面的 由于物镜的焦深长 因此 在试样表面凹凸不平的位置上都能满足聚焦条件而获得清晰的图象 从本质上说 扫描电镜的景深是来源于物镜的焦深 这是由于物镜的焦深长 才能使得粗糙不平的试样表面上很宽的深度范围都满足适焦条件使得图象具有明显的立体感 它主要是利用试样表面在高能电子束所激发出来的二次电子或背散射电子信号 通过接收放大在荧光屏上显示出来 它的衬度首先取决于信号性质即二次电子或背散射电子 其次取决于试样材料本身的性质 特别是试样表面的结构与性质 例如凹凸不平情况 成分差别 晶体取向及表面电位分布等 除此之外 扫描电镜成象还涉及到电子光学系统 如电子束斑的大小和象散 因此 也将影响到图象的衬度 最后 成象不是直接由二次电子或背散射电子显象 而必须经过一系列的电子线路将它们放大并在荧光屏上扫描显示 五 扫描电镜的图象衬度原理 因此 人为的对信号的处理 如灰度控制等 就象看电视调节 也将影响图象的衬度 当然最重要的还是电子信号和试样本身的性质 在扫描电镜做形貌观察时 一般都采用二次电子信号 二次电子成象具有下列几个特点 1 二次电子空间分辨率高 二次电子能量低 2 50ev 一般从50 100 内的表层逸出 面积与入射电子的照射面积相近 所以分辨率高 它有利于用来观察极细小的细节 如断口的微区结构 分析裂纹源的形成与发展 2 二次电子能量低 电子轨迹容易弯曲 二次电子象不形成背影 在收集极上加上250伏电压 低能的二次电子在正电场作用下折向收集极 它不但增强了有效收集立体角 提高二次电子所具有的这种翻越障碍 是曲线进入检测器的能力 使得试样表面凹坑内部的细节也能被清楚的显示出来 使二次电子象具有整体的立体感 3 二次电子的产额 Is Ip Is 激发的二次电子流 Ip 入射电子流 强烈地依靠于入射电子束与试样表面法线间的夹角 对于光滑试样表面 入射电子束能量大于1kev时 二次电子产额 与 关系为 1 cos 旋转试样 改变 角 可测得 与 的关系 这是因为 增大 入射电子束在试样内运动的总轨迹增长 电子增多 增大 作用体积接近表面层 因而作用