扫描电子显微镜基本原理和应用

1、扫描电子显微镜的基本原理和结构 下图为扫描电子显微镜的原理结构示意图。由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10m m的电子束，并在试样表面聚焦。 末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。也

2、就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。这种扫描方式叫做光栅扫描。扫描电镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。 1 电子光学系统 电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。 电子枪：其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的

3、电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度。扫描电子显微镜的原理和结构示意图 电磁透镜 其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50m m的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。其工作原理与透射电镜中的电磁透镜相同。 扫描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第三

4、个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。 扫描线圈 其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。扫描线圈试扫描点晶的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。样品室 样品室中主要部件是样品台。它出能进行三维空间的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40毫米，倾斜范围至少在50度左右，转动360度。 样品室中还要安置各种型号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。样品台还可以带有多种附件，例如样品在样品

5、台上加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。近年来，为适应断口实物等大零件的需要，还开发了可放置尺寸在125mm以上的大样品台。 2 信号收集及显示系统 其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：电子检测器，应急荧光检测器和X射线检测器。 在扫描电子显微镜中最普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成（见下图）。 当信号电子进入闪烁体时将引起电离；当离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大并转变成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制

6、信号。这种检测系统的特点是在很宽的信号范围内具有正比与原始信号的输出，具有很宽的频带（10Hz-1MHz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，而由检测器接收的信号强度随样品表面状况不同而变化，那么由信号监测系统输出的反营养品表面状态的调制信号在图像显示和记录系统中就转换成一幅与样品表面特征一致的放大的扫描像。3 真空系统和电源系统 真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。 电源系统由稳压，稳流及相应

7、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。 扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器它可以进行如下基本分析：（1） 三维形貌的观察和分析；（2） 在观察形貌的同时，进行微区的成分分析。 观察纳米材料，所谓纳米材料就是指组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-100nm范围内，在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。纳米材料具有许多与晶体、非晶态不同的、独特的物理化学性质。纳米材料有着广阔的发展前景，将成为未来材料研究的重点方向。扫描电子显微镜的一个重要特点就是具有很高的分辨率。现已广泛用于观察纳米材料。 进口材料断口

8、的分析：扫描电子显微镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。扫描电子显微镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。扫描电子显微镜所显示饿断口形貌从深层次，高景深的角度呈现材料断裂的本质，在教学、科研和生产中，有不可替代的作用，在材料断裂原因的分析、事故原因的分析已经工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。 直接观察大试样的原始表面，它能够直接观察直径100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，

9、而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度（背反射电子象）。 观察厚试样，其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌。扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，但在对厚块试样的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜中还要采用复膜方法，而复膜的分辨率通常只能达到10nm，且观察的不是试样本身。因此，用扫描电子显微镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。 观察试样的各个区域的细节。试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3cm，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电子显微镜中则不同。由于工作距离大（可大于20mm）。焦深大（比透射电子显

10、微镜大10倍）。样品室的空间也大。因此，可以让试样在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转）。且可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。 在大视场、低放大倍数下观察样品，用扫描电子显微镜观察试样的视场大。在扫描电子显微镜中，能同时观察试样的视场范围F由下式来确定：F=L/M式中 F视场范围；M观察时的放大倍数；L显象管的荧光屏尺寸。若扫描电镜采用30cm（12英寸）的显象管，放大倍数15倍时，其视场范围可达20mm，大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的，如刑事侦察和考古。 进行从高倍到低倍的连续观察，放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描

11、电子显微镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行事故分析特别方便。 观察生物试样。因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小。同其他方式的电子显微镜比较，因为观察时所用的电子探针电流小（一般约为10-10 -10-12A）电子探针的束斑尺寸小（通常是5nm到几十纳米），电子探针的能量也比较小（加速电压可以小到2kV）。而且不是固定一点照射试样，而是以光栅状扫描方式照射试样。因此，由于电子照射面发生试样的损伤和污染程度很小，这一点对观察一些生物试样特别重要。 进行动态观察。在扫描电子显微镜中，成象的信息主要是电子信

12、息，根据近代的电子工业技术水平，即使高速变化的电子信息，也能毫不困难的及时接收、处理和储存，故可进行一些动态过程的观察，如果在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件，则可以通过电视装置，观察相变、断烈等动态的变化过程。 从试样表面形貌获得多方面资料，在扫描电子显微镜中，不仅可以利用入射电子和试样相互作用产生各种信息来成象，而且可以通过信号处理方法，获得多种图象的特殊显示方法，还可以从试样的表面形貌获得多方面资料。因为扫描电子象不是同时记录的，它是分解为近百万个逐次依此记录构成的。因而使得扫描电子显微镜除了观察表面形貌外还能进行成分和元素的分析，以及通过电子通道花样进行结晶学分析，选

13、区尺寸可以从10m到3m。由于扫描电子显微镜具有上述特点和功能，所以越来越受到科研人员的重视，用途日益广泛。现在扫描电子显微镜已广泛用于材料科学（金属材料、非金属材料、钠米材料）、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制等。什么是FIB ，FIB能做些什么FIB 是聚焦离子束显微镜 当离子束打到样品表面上的时候，会产生一些二次离子信号，二次电子信号等，FIB通过对这些信号进行采集和处理形成显微图像。 FIB 是一台加工的机器. 这种加工是定位加工，镓离子 (Ga+) 束打到样品的表面可以

14、使样品上的原子被轰击去除，从而达到切割加工的作用。 FIB 可以进行材料沉积和化学增强刻蚀 通过注入特殊的化学气体，离子束可以沉积一些材料形成亚微米的结构，气体化学系统结合离子束可以形成化学刻蚀来进行选择性切割。电子与 Ga+ 离子比较离子是带正电的原子核，其质量和动量分配权大于电子 (360 倍于电子)，这使得FIB具有材料切割，成像和微观沉积的功能 同样束流能量下其他参数有很大差别： 质量: Ga+ Ion= 128,000 倍于电子 速度: Ga+ Ion = 1/360 倍于电子 动量:Ga+ Ion= 360 倍于电子 FIB 能做而SEM 不能做的去除/沉积材料 显示材料衬度的二次

15、离子图像 通道衬度 进行原位样品制备 同时对样品进行制备和观察 离子束与样品的相互作用区比电子束小，一般是5 nm 到40 nm，在 30 kV 的能量下。 离子镜筒与电子镜筒的差别 和电子镜筒相比，离子镜筒具有自清洁的功能，几乎可以自动清除各种颗粒和污染，终生几乎不需要什么清理，而电子束则不然。 镓离子源是冷源，不需要一直加热，不用时可以关掉。 离子镜筒的透镜全是静电场透镜，几乎不产生热量。 离子镜筒的光阑易损，需要经常更换。 镓离子源和离子镜筒 FIB 镜筒与SEM SFEG对比 双束：FIB做加工，沉积，SEM观察，缺一不可FIB可以对材料进行加工沉积，但观察与成像能力不如SEM，SEM

16、本身的观察与成像分辨率高又可以得到样品的成份信息等，二者有机地结合到到一起才能完成所有的工作，缺一不可，这就是FEI公司生产的双束系统。这样的双束系统，不仅可以完成FIB和SEM的所有功能，还可以完成一些单束系统所无法完成的任务，亦即一台离子束加上一台电子束也无法完成的任务，例如，三维重构信息等。附录资料：不需要的可以自行删除常用电工与电子学图形符号序号符号名称与说明1直流 注：电压可标注在符号右边，系统类型可标注在左边2直流 注：若上述符号可能引起混乱，也可采用本符号3交流 频率或频率范围以及电压的数值应标注在符号的右边，系统类型应标注在符号的左边50Hz示例1： 交流 50Hz100600

17、Hz示例2：交流 频率范围100600Hz380/220V 3N 50Hz示例3：交流，三相带中性线， 50Hz， 380V（中性线与相线之间为220V）。3N可用3+ N代替3N 50Hz/TN-S示例4：交流，三相，50Hz，具有一个直接接地点且中性线与保护导线全部分开的系统4低频（工频或亚音频）5中频（音频）6高频（超音频，载频或射频）7交直流8具有交流分量的整流电流注：当需要与稳定直流相区别时使用9N中性（中性线）10M中间线11+正极12-负极13热效应14电磁效应过电流保护的电磁操作15电磁执行器操作16热执行器操作（如热继电器、热过电流保护）17电动机操作18正脉冲19负脉冲20

18、交流脉冲21正阶跃函数22负阶跃函数23锯齿波24接地一般符号25无噪声接地（抗干扰接地）26保护接地27接机壳或接底板28等电位29理想电流源30理想电压源31理想回转器32故障（用以表示假定故障位置）33闪绕、击穿34永久磁铁35动触点注：如滑动触点36测试点指示示例点，导线上的测试37交换器一般符号/转换器一般符号注：若变换方向不明显，可用箭头表示在符号轮廓上38电机一般符号，符号内的星号必须用下述字母代替C同步交流机 G 发电机G8同步发电机 M电动机MG拟作为发电机或电动机使用的电机MS同步电动机 注：可以加上符号或SM伺服电机 TG测速发电机TM力矩电动机 IS感应同步器39三相笼

19、式异步电动机40三相线绕转子异步电动机41并励三相同步变速机42直流力矩电动机步进电机一般符号43电机示例：短分路复励直流发电机示出接线端子和电刷44串励直流电动机45并励直流电动机46单相笼式有分相扇子的异步电动机47单相交流串励电动机48单向同步电动机49单向磁滞同步电动机自整角机一般符号符号内的星号必须用下列字母代替：CX 控制式自整角发送机 CT控制式自整角变压器TX 力矩式自整角发送机 TR 力矩式自整角接收机50手动开关一般符号51按钮开关（不闭锁）52拉拔开关（不闭锁）53旋钮开关、旋转开关（闭锁）54位置开关 动合触点限制开关 动合触点55位置开关 动断触点限制开关 动断触点5

20、6热敏自动开关 动断触点57热继电器 动断触点58接触器触点（在非动作位置断开）59接触器触点（在非动作位置闭合）60操作器件一般符号 注：具有几个绕组的操作器件，可由适当数值的斜线或重复本符号来表示61缓慢释放（缓放）继电器的线圈62缓慢吸合（缓吸）继电器的线圈63缓吸和缓放继电器的线圈64快速继电器（快吸和快放）的线圈65对交流不敏感继电器的线圈66交流继电器的线圈67热继电器的驱动器件68熔断器一般符号69熔断器式开关70熔断器式隔离开关71熔断器式负荷开关72火花间隙73双火花间隙74 动合（常开）触点 注：本符号也可以用作开关一般符号75动断（常闭）触点76先断后合的转换触点77中间

21、断开的双向触点78先合后断的转换触点（桥接）79当操作器件被吸合时延时闭合的动合触点80有弹性返回的动合触点81无弹性返回的动合触点82有弹性返回的动断触点83左边弹性返回，右边无弹性返回的中间断开的双向触点84指示仪表的一般符号 星号须用有关符号替代，如A代表电流表等85记录仪表一般符号 星号须用有关符号替代，如W代表功率表等86指示仪表示例：电压表87电流表88无功电流表89无功功率表90功率因数表91相位表92频率表93检流计94示波器95转速表96记录仪表示例：记录式功率表97组合式记录功率表和无功功率表98记录式示波器99电度表（瓦特小时计）100无功电度表101灯一般符号 信号灯一

22、般符号注：如果要求指示颜色则在靠近符号处标出下列字母：RD 红、YE 黄、GN 绿、BU蓝、WH白如要指出灯的类型，则在靠近符号处标出下列字母：Ne氖、Xe氦、 Na钠 、Hg汞、 I碘、 IN白炽、EL电发光、ARC弧光、FL荧光、IR红外线、UV紫外线、LED发光二极管102闪光型信号灯103电警笛 报警器104优选型其它型峰鸣器105电动器箱106电喇叭107优选型其它型电铃108 可调压的单向自耦变压器109 绕组间有屏蔽的双绕组单向变压器110 在一个绕组上有中心点抽头的变压器111 耦合可变的变压器112 三相变压器星形三角形联结113 三相自耦变压器 星形连接114 单向自耦变压

23、器115 双绕组变压器注：瞬时电压的极性可以在形式Z中表示示例：示出瞬时电压极性标记的双绕组变压器流入绕组标记端的瞬时电流产生辅助磁通116 三绕组变压器117 自耦变压器118电抗器 扼流圈119优选型其它型电阻器一般符号120可变电阻器 可调电阻器121压敏电阻器、变阻器 注：U可以用V代替122滑线式变阻器123带滑动触点和断开位置的电阻器124滑动触点电位器125优选型 其它型 电容器一般符号 注：如果必须分辨同一电容器的电极时，弧形的极板表示：在圈定的纸介质和陶瓷介质电容器中表示外电极在可调和可变的电容器中表示动片电极在穿心电容器中表示纸电位电极126优选型 其它型 极性电容器127

24、优选型 其它型 可变电容器可调电容器128优选型 其它型 微调电容器129电感器 线圈 绕组 扼流圈130半导体二极度管一般符号131发光二极管一般符号132利用室温效应的二极管 Q可用t代替133用作电容性器件的二极管（变容二极管）134隧道二极管135单向击穿二极管电压调整二极管江崎二极管136双向击穿二极管137反向二极管（单隧道二极管）138双向二极管交流开关二极管139三极晶体闸流管 注：当没有必要规定控制极的类型时，这个符号用于表示反向阻断三极晶体闸流管140反向阻断三极晶体闸流管N型控制极（阳极侧受控）141反向阻断三极晶体闸流管P型控制极（阴极侧受控）142可关断三极晶体闸流管

25、，末规定控制极143可关断三极晶体闸流管 N型控制极 （阳极侧受控）144可关断三极晶体闸流管 P型控制极 （阴极侧受控）145反向阻断四极晶体闸流管146双向三极晶体闸流管三端双向晶体闸流管147反向导通三极晶体闸流管，末规定控制极148反向导通三极晶体闸流管，N型控制极（阳极侧受控）149反向导通三极晶体闸流管，P型控制极（阴极侧受控）150光控晶体闸流管151PNP型半导体管152NPN型半导体管，集电极接管壳153NPN型雪崩半导体管154具P型基极单结型半导体管155具有N型基极单结型半导体管156N型沟道结型场效应半导体管注：栅极与源极引线应绘在一直线上157P型沟道结型场效应半导

26、体管158增强型、单栅、P沟道和衬底无引出线绝缘相场效应半导体管159增强型、单栅、N沟道和衬底无引出线绝缘相场效应半导体管160增强型、单栅、P沟道和衬底有引出线绝缘相场效应半导体管161增强型、单栅、N沟道和衬底与源极在内部连接绝缘相场效应半导体管162耗尽型、单栅、N沟道和衬底无引出线的栅场效应半导体管163耗尽型、单栅、P沟道和衬底无引出线的栅场效应半导体管164耗尽型、单栅、N沟道和衬底有引出线的栅场效注：在多栅的情况下，主栅极与源极的引线应在一条直线上165光敏电阻具有对称导电性的光电器件166光电二极管具有非对称导电性的光电器件167光电池168光电半导体管（示出PNP型）169

27、原电池或蓄电池170 原电池组或蓄电池组171“或”单元，通用符号只有一个或一个以上的输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态注：如果不会引起意义混淆，“1”可以用“1”代替172“与”单元，通用符号只有所有输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态173逻辑门槛单元，通用符号只有呈现“1”状态输入的数目等于或大于限定符号中用m表示的数值，输出才呈现“1”状态注：m总是小于输出端的数目具有 m1的单元就是上述“或”单元174等于m单元，通用符号只有呈现“1”状态输入的数目等于限定符号中以m表示的数值，输出才呈现“1”状态注：m总是小于输出端的数目 m1的2输入单元就是通常所说的“异或”单元175

28、多数单元，通用符号只有多数输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态176逻辑恒等单元，通用符号只有所有输入呈现相同的状态，输出才呈现“1”状态177奇数单元（奇数校验单元）模z加单元，通用符号只有呈现“1”状态的输入数目为（1、3、5等），输出才呈现“1”状态178偶数单元，（偶数校验单元）通用符号只有呈现“1”状态的输入数目为偶数（0、2、4等），输出就呈现“1”状态179异或单元，只有两个输入之一呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态180输出无专门放大的缓冲单元只有输入呈现“1”状态，输出才呈现“1”状态181非门反相器（在用逻辑非符号表示器件的情况下）只有输入呈现外部“1”状态，输出才呈现外部“0”状态182反相器（在用逻辑极性符号表示器件的情况下），只有输入呈现H电平，输出才呈现L电平1833输入与非门例如：CTCT1010（国外对应号 SN7410）的一部分1843输入与非门例如：CTCT1027（国外对应号 SN7427）的一部分1852输入与非门（具有斯密特触发器）例如：CTCT1132（国外对