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扫描电镜显微分析简介,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜,扫描电镜显微分析简介,概况扫描电镜的优点扫描电镜成像的物理信号扫描电镜的工作原理扫描电镜的构造扫描电镜的主要性能应用举例,概况,扫描电子显微镜简称扫描电镜，英文缩写：SEM。为适应不同要求，在扫描电镜上安装上多种专用附件，实现一机多用，使扫描电镜成为同时具有透射电子显微镜（TEM）、电子探针X射线显微分析仪（EPMA）、电子衍射仪（ED）等多种功能的一种直观、快速、综合的表面分析仪器。,扫描电镜的优点,高的分辨率。由于超高真空技术的发展，场发射电子枪的应用得到普及，现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1纳米左右。有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调。有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。试样制备简单。可直接观察大块试样。适用于固体材料样品表面和界面分析。适合于观察比较粗糙的表面：材料断口和显微组织三维形态。,扫描电镜成像的物理信号,扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体样品而激发产生的。具有一定能量的电子，当其入射固体样品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固体样品产生多种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。,SEM中的三种主要信号,背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平均原子量的区域差别。二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。,其他信号,俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。透射电子:电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像,以揭示样品内部微观结构的形貌特征。,扫描电镜的工作原理,扫描电镜成像与电视显象相似。扫描电镜图像按一定时间空间顺序逐点扫描形成，并在镜体外显像管荧光屏幕上显示出来。由电子枪发射的能量达30keV的电子束，经会聚透镜和物镜缩小聚焦，在试样表面形成具有一定能量、一定强度、极小的点状电子束。在扫描线圈磁场作用下，电子束在试样表面上按一定的时间、空间顺序作光栅式逐点扫描。入射电子束和试样相互作用，从试样表面原子中激发出二次电子。二次电子收集极的作用，将各方向发射的二次电子汇集，再经加速极加速，射向闪烁体上转变成光信号。经光导管到达光电倍增管，使光信号再次转变为电信号。电信号经视频放大器放大，并将其输出送至显像管的栅极，调制显像管的亮度，因而在荧光屏幕上便呈现出一幅亮暗程度不同的反映试样表面形貌的二次电子象。一幅扫描图像由多达100万个分别与被分析物表面物点一一对应的图像点构成。,扫描电镜成像示意图,扫描电镜的工作原理,对于扫描电镜的另一种衬度像背散射电子像的成像原理和二次电子像的成像原理相似，此次就不再赘述。扫描电镜除了能显示一般试样表面的形貌外，还能将试样微区范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图像形式显示出来，并可用照相方式拍摄图像。,扫描电镜的构造,电子光学系统扫描系统信号收集系统图像显示和记录系统真空系统电源系统,电子光学系统,由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束(直径一般为10nm或更小)来轰击样品，使样品产生各种物理信号,扫描系统,扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：1)使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描；2)改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。,信号收集系统,扫描电镜应用的物理信号可分为：1)电子信号，包括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用电子收集器；2)特征X射线信号，用X射线谱仪检测；3)可见光讯号（阴极荧光），用可见光收集器。常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部件。其作用是将电子信号收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转换成电信号输出(增益达106)，这种信号就用来作为扫描像的调制信号。,图像显示和记录系统,这一系统的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存储于计算机中。,真空系统和电源系统,真空系统是保证电子枪和试样室有较高的真空度，高真空度能减少电子的能量损失和提高灯丝寿命，并减少了电子光路的污染。真空度一般为0.01Pa0.001Pa。电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。,扫描电镜的主要性能,放大倍数分辨率景深,扫描电镜的主要性能,放大倍数扫描电镜的放大倍数可用表达式M=AC/AS式中AC是荧光屏上图像的边长，AS是电子束在样品上的扫描振幅。目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。分辨率对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。SEM的分辨率大小与以下因数有关：入射电子束束斑直径入射电子束在样品中的扩展效应,扫描电镜的主要性能,景深景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10倍。景深取决于分辨本领和电子束入射半角ac。由右下图可知，扫描电镜的景深F为：d0临界分辨本领，ac电子束的入射半角,扫描电镜应用实例,断口形貌分析纳米材料形貌分析在微电子工业方面的应用,1