扫描电子显微学基础

1、扫描电子显微学基础 扫描电子显微学基本概念 扫描电镜的结构和原理 带电粒子束显微镜分类带电粒子束显微镜分类 带电粒子束显微镜带电粒子束显微镜 电子显微镜 electron microscope 离子显微镜 ion microscope 扫描电子显微镜 scanning electron microscope (sem) 透射电子显微镜 transmission electron microscope (tem) 双束显微镜 focused ion beam (fib)-sem 多束显微镜 multibeam ion microscope 热发射式 (w/lab6) 场发射式 (热场/冷场) 热

2、发射式 (w/lab6) 场发射式 (热场/冷场) 镓离子束 + 电子束 镓离子束 + 氦 离子束 + 氖离 子束 2 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 scanning electron microscope（sem） 扫描电子显微镜（sem）： 是一种利用高能聚焦电子束扫描样品表面从而获得样品信息 的电子显微镜。 使用电子束为照明源 应用电子光学原理 利用电子和物质作用所产生的信息进行成像 电子束在样品表面进行扫描 3 扫描电镜的特点扫描电镜的特点 why using sem？ 高分辨率。 有较高的放大倍数。 景深长，视野大，成像富有立体感 。 试样制备简单。 配备eds，ebsd，stem等

3、装置 ，可以同时进行显微组织形貌的观 察及成分和晶体微观结构的分析。 4 分辨率分辨率 resolution the smallest distance between two points that can be distinguished. lm400nm200nm sem0.007nm1.0nm tem0.0025nm0.2nm 5 放大倍数放大倍数 magnification lm ls 6 景深景深 depth of focus 7 景深景深 depth of focus at some distance d/2 above and below the focus plane, th

4、e image will appear to be in acceptably sharp focus, and so this distance is called “the depth of focus”. the depth of focus is determined by the aperture diameter a, and the working distance w. 8 扫描电镜的主要组成部分扫描电镜的主要组成部分 the main components of sem 真空系统真空系统 电子光学系统电子光学系统 信号探测系统信号探测系统 计算机控制系统计算机控制系统 9 电

5、子光学系统电子光学系统 electron optical system 1. 电子枪（electron gun） 2. 电磁透镜 （electro-magnetic lens） 3. 物镜光阑（objective lens aperture） 4. 扫描线圈（scanning coil） 1 2 2 3 4 10 电子枪电子枪 electron gun i. thermionic emission electron gun (热发射式电子枪): 1. tungsten wire 钨丝 2. lab6 (lanthanum hexaboride) - 六硼化镧 w 11 热发射热发射 therm

6、ionic emission 12 热发射电子枪热发射电子枪 thermionic emission gun 13 ii. field emission electron gun (场发射式电子枪): 1. cold field emission (cfe) - 冷场发射 2. thermal field emission (tfe) 热场（肖特基schottky式）发射 电子枪电子枪 electron gun 14 冷场发射冷场发射 cold field emission 15 热场发射热场发射 thermal field emission 16 肖特基场发射电子源肖特基场发射电子源 sch

7、ottky field emitter 17 电子源性能比较（电子源性能比较（electron source performance comparisonelectron source performance comparison） 发射器类型热灯丝热灯丝冷场发射肖特基场发射 阴极材料钨六硼化镧钨(310) (310) 氧化锆/ /钨(100) (100) 工作温度kk280028001900190030030018001800 阴极寿命 hh2002005005002000200020002000 阴极半径nmnm60000600001000010000 100100 10001000 有效

8、半径nmnm1500015000500050002.52.51515 发射电流密度a/cma/cm2 2 3 33030170001700053005300 总发射电流 aa 20020080805 5200200 正常亮度a/cma/cm2 2.sr.kv.sr.kv1.101.104 41.101.105 52.102.107 71.101.107 7 最大探针电流 nana 10001000100010005 5200200 枪口能量扩展度 evev 1.5-2.51.5-2.51.3-2.51.3-2.50.3-0.70.3-0.70.35-0.70.35-0.7 束流噪音%1 11

9、15-105-101 1 发射电流漂移 %/h%/h0.25 50.50.5 工作真空 hpahpa 1.101.10-5 -5 1.101.10-6 -6 1.101.10-10 -10 1.101.10-8 -8 对外界影响敏感度最小最小高低 阴极除气无要求无要求每6-86-8个小时无要求 18 电磁透镜电磁透镜 electro magnetic lens 19 电磁透镜电磁透镜 electro magnetic lens 电磁透镜的主要作用是将电子枪的束流逐 渐汇聚，使原来直径约为50m的束斑缩 小成一个只有1nm左右的细小束斑。 电磁透镜由极靴（pole piece）

10、和铜线圈 （copper coil）两部分组成。通过改变流 过铜线圈的电流大小来改变透镜汇聚电子 束的能力。 电磁透镜只改变电子束运动的方向，不改 变电子束运动的速度（能量）。 optical axis beam image copper coils reduced beam image pole piece 20 聚光镜聚光镜 condenser lens 聚光镜位于电子枪下方。 两级聚光镜由一块纯铁加工而成，保 证了合轴要求，省去了对中装置，使 用方便。 聚光镜为强透镜，用来缩小电子束光 斑尺寸。 聚光镜的强度决定了样品上束斑的大 小和入射电流的大小。 21 聚光镜聚光镜 condense

11、r lens 聚光镜的强度决定 样品上束斑的大小 入射电流的大小 22 物镜物镜 objective lens 物镜位于镜筒最下方，用来将电子束 汇聚在样品上。 物镜为弱透镜，具有较长的焦距，以 适应工作距离的变化，同时避免磁场 对二次电子轨迹的干扰。 聚焦旋钮就是用来调节物镜电流的。 electron beam exciting coils objective lens pole-piece sample fwd virtual lens 23 像差像差 aberration a) 球差（spherical aberration）：由于电磁透镜中心区域和边 缘区域对电子会聚能力不同而造成的。

12、 远轴电子通过透镜时 被折射得比近轴电子 厉害。 由磁场强度在极靴间 不均匀造成。 24 像差像差 aberration b) 色差（chromatic aberration）：由于成像电子的能量不同而引 起的一种像差。 能量大的电子聚焦在 距透镜中心比较远的 地点，而能量较低的 电子聚焦在距透镜中 心比较近的地点。 25 像差像差 aberration c) 像散（astigmatism）：由于透镜的磁场轴向不对称所引起的 一种像差。 圆形电子束经透镜后 形成椭圆形光束。 可使用像散矫正装置 （stigmator）消除。 26 消像散消像散 astigmatism correction be

13、fore correction after correction under focus in focus over focus 27 物镜光阑物镜光阑 objective lens aperture 用以选择电子束的孔径角 控制束流的大小 调节景深 28 光阑对中光阑对中 wobble（aperture alignment） focus wobble（合轴）：电子束的轴心=光阑孔物理位置中心 29 光阑孔轴心 电子束轴心 scanning coil 扫描线圈扫描线圈 产生偏转磁场，控制电子束 扫描范围。 决定图像的放大倍数。 electron beam scanning coils obje

14、ctive lens sample 30 信号探测系统信号探测系统 signal detection system q 电子束与样品的相互作用 q 二次电子探测器 q 背散射电子探测器 q 阴极荧光探测器 q 扫描透射电子探测器 q x射线能谱 31 电子束与样品的相互作用电子束与样品的相互作用 electron beam - specimen interaction 入射入射电电子束子束 二次二次电电子子 电子电子束束感感 生电生电流流 特特征征 x x 射线射线 背散射背散射电子电子 阴极荧阴极荧光光 试试样电流样电流 散射的散射的透射电子透射电子透射电透射电子子 32 入射深度入射深度

15、penetration depth 33 入射深度入射深度 vs 加速电压加速电压 penetration depth vs accelerating voltage casino simulation results casino can be download from http:/www.gel.usherbrooke.ca/casino/index.html 25 kv 15 kv 5 kv 34 carbon iron gold casino simulation results casino can be download from http:/www.gel.usherbrook

16、e.ca/casino/index.html 入射深度入射深度 vs 试样成分试样成分 penetration depth vs specimen composition 35 电子的散射电子的散射 electron scattering 二次电子：能量在50v以下，由入 射电子与试样发生非弹性散射（ inelastic scattering），试样价电子 逸出产生。 背散射电子：能量在1kv以上，由 入射电子与试样发生弹性散射（ elastic scattering），以大角度逸 出产生。 36 特征特征x射线射线 characteristic x-ray 入射电子轰击原子内 层电子； 原子内层电子被逐出 ，产生空位； 原子外层电子向内层 空位跃迁，并发射x射 线。 x射线的能量（波长） 由原子种类决定。 37 x射线能谱射线能谱 energy dispersive x-ray spectrometer (eds) 38 x射线能谱射线能谱 energy dispersive x-ray spectrometer (eds