SEM的结构及工作原理

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SEM的结构及工作原理蒋长军

SEM的特点和工作原理

◆1965年第一台商用SEM问世;

◆EM能弥补透射电镜样品制备要求

很高的缺点;

◆景深大;

◆放大倍数连续调节范围大;

◆分辨本领比较高；◆样品制备非常方便

◆可直接观察大块试样

◆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能完成：表（界）面形貌分析；配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。扫描电镜由六个系统组成

(1)电子光学系统（镜筒）

(2)扫描系统

(3)信号收集系统

(4)图像显示和记录系统

(5)真空系统

(6)电源系统由电子枪发出的电子，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。（1）

背散射电子入射电子与试样作用，产生弹性或非弹性散射后离开试样表面的电子称为背散射电子。通常背散射电子的能量较高，基本上不受电场的作用而呈直线运动进入检测器。背散射电子的强度与试样表面形貌和组成元素有关。－－－－背散射电子二次电子样品真空

(2)二次电子背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。

(3)特征X射线特征X射线试原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。X射线一般在试样的500nm-5mm深处发出。各元素都有自己的特征X射线，因此可用来进行微区成分分析。（4）俄歇电子如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。

两种信号模式sampleSEBSEElectrodee-UpperSEDetectorSEmodeSEBSESE+BSEmodeExBsampleElectrodee-UpperSEDetectorExBSE+BSESENiHV:2kVMag:20kXSample:Ni/AlCompoundmaterial一、放大倍数扫描电镜的放大倍率M取决于显像管荧光屏尺寸S2和入射束在试样表面扫描距离S1之比，即扫描电镜的主要性能12SSM=二、分辨率扫描电镜的分辨率有两重意义：对微区成分而言，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。这两者主要决定入射电子束的直径，但并不直接等于直径。二是由所接收信号的激发区域半径决定。

SEM的分辨本领与以下因素有关：

1)入射电子束束斑直径

入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。

2)入射束在样品中的扩展效应

电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。由图可以看出，只有在离样品表面深度0.3L2区产生的背散射电子有可能逸出样品表面，二次电子信号在5-10nm深处的逸出，吸收电子信号、一次X射线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理信号来自不同的深度和广度。

入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射电子束直径，一般为6-10nm，背散射电子为50-200nm，吸收电子和X射线为100-1000nm。

影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁场和机械震动等。