《SEM结构和原理》课件

第三章

扫描电镜的结构与原理第一节扫描电镜的结构一、电子光学系统二、信号检测与转换系统三、显示与记录系统四、真空系统和供电系统扫描电镜的基本构造基本构成:电子光学系统信号检测与转换系统显示与记录系统真空系统和供电系统四大部分1、电子枪

一电子光学系统系列磁透镜

自给偏压式三极电子枪，提供:30~50

m的高速电子流①聚光镜：作用：汇聚电子束流

30~50

m→3～10nm②物镜：(最下一级聚光镜)作用：调节电子探针直径，微调图像清晰度③物镜可动光阑：减小

,100m,200m,300m

④物镜消像散器：消像散，得到圆束斑3.扫描线圈：（偏转线圈）①作用：控制电子探针在X/Y方向作光栅扫描②三个扫描线圈※物镜极靴内的扫描线圈用于电子探针在样品表面扫描※观察和照相用显象管中的扫描线圈用于控制CRT中的电子束在荧光平上作同步扫描③光栅扫描行（水平）扫描，幀（垂直）扫瞄④扫描信号发生器特点：产生电流强度随时间增大而增大，当但达到设定值时，瞬间降为零⑤同步的作用使得样品上的部位和CRT图像一一对应⑥放大控制改变镜筒中扫描线圈电流大小→改变样品上扫描区域大小→改变放大倍数

4样品室

①空气锁闭装置作用:换样时保持镜筒真空延长灯丝寿命

②样品台可自由X,Y,Z三维运动可旋转360度(水平)可倾斜:-15度~+90度

③样品室周围可驳接

SE,BE,X-rayEDS探头二信号检测与转换系统收集极加速极荧光粉

SE探测器探头闪烁体光电倍增管光导管圆玻片

1.收集极吸收SE，加速之趋向探头,200～500VDC

2.探头①闪烁体：电子→光子②加速极：10～12Kv提高SE检测效率，增加SE通过铝膜的动能③光导管：传递光信号

3.光电倍增管光子→电信号，106增益

4.放大器前置放大视频放大经两级放大之后的电压信号调制显象管的栅极，以控制显象管内电子束打在荧光屏上的光点亮度三

信号显示与记录系统

1、信号显示系统：两个显象管观察用CRT：分辨率低,长余辉照相用CRT：分辨率高,短余辉(2000线)

2、记录系统数字照像系统：

打印机：热敏(分辨1200dpi×1200dpi)、激光、喷墨等打印机

数码冲印：数字照像后形成数字图像

模拟照相系统：记录于黑白底片上四真空系统和供电系统1、机械泵+扩散泵，真空度优于10-5Torr2、分子涡轮泵、离子泵(超高分辨率扫描电镜场发射电子枪使用）扫描电镜结构方框图第二节SEM成像原理一电子束与样品的相互作用二扫描电镜的成像原理

1信号的种类:

参见图56

2与SEM成像有关的信号

①二次电子SE（10nm内的信息)

定义：样品（物质）原子核外电子受入射电子激发后逸出样品表面时,称其为SE

关系：SE数量↗图像质量↗图像质量：图像反差、图像噪波点清晰度②X-ray（50~500nm)

伦琴射线，＝0.001~10nm

分类：特征X-ray（硬），连续X-ray（软）

一

电子束与样品的相互作用X-ray

A.特征X-ray

波长和能量随样品中各元素的不同而异，用于定量、定性分析

Z↗激发的特征X-ray能量E↗波长↘

B.WDS：(Wavelength-DispersiveSpectrometer)

定量分析:Be4~U92,分析感量10－17～10－15g

优点：分辨率高，分析范围大，灵敏度高缺点：速度慢，损伤和污染大

C.EDS：（Energy-DispersiveSpectrometer)

定性分析：Na11~U92

优点：简快，损伤小缺点：分辨率低，分析范围小，灵敏度低③背散射电子BE(50~100nm)定义：入射电子与样品成分发生弹性碰撞后，被反射回来的电子特点：与SE像互补二扫描电镜的成像原理

1.二次电子像能真实反映样品表面形貌（凹凸不平信息）

2.多种效应①倾角效应

SE产生率：∝1/cos↗SE数↗图像质量↗②原子序数效应特点：SE产生率随原子序数增加而增加关系：高Z区→被激发的SE数多→像亮低Z区→被激发的SE数少→像暗★为何要离子溅射（喷镀黄金层）?防止材料的损伤和荷电效应提高SE发射率排除原子序数效应的干扰③荷电效应(排除：导电处理)④边缘效应(排除：降低加速电压)3.SEM的基本成像过程产生电子探针→光栅扫描→产生信号→检出信号→放大处理信号→转为视频信号→调制显象管→显像TEM：整个像同时成立,荧光板显像SEM：电视逐点成像,CRT显像

4.放大倍率的调节

M=像的大小/扫描区域的大小

改变偏转线圈的电流→改变扫描区域大小→改变放大倍率第三节SEM的性能与应用一扫描电镜性能二扫描电镜的特点三扫描电镜的应用一、SEM的性能

1.分辨率5~100Å，取决于:电子探针直径↘,↗电子波长↘

,↗镜筒真空度↗,↗2.像的放大倍数20万

3.成像的反差:取决于样品表面各处二次电子产生率

4.焦深大:500倍时,1000m,一般1mm~0.1m

景深大，10mm(10×)，图像立体感强5.显像方式：CRT6.样品：实物，12＊8＊5cm7.观察条件：真空（10－5Torr）二、SEM的特点：★放大倍数范围大，景深大，图像富有立体感操作简单，样品损伤和污染小制样简单，样品可以很大表面观察和微区成分分析可同时进行

TEM：高，适于研究细胞的精细结构，病毒分子，二维图像，仪器复杂

SEM：表面结构研究，三维图像三、SEM的应用观察表面超微结构，微区成分分析作业1.扫描电镜的基本构造包括哪几部分?

与透射电镜相比，构造有什么特点?2.简述扫