掃描電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理

1、掃描電子顯微鏡的工作原理掃描電鏡(ScanningElectronMicroscope)是用聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像。試樣為塊狀或粉末顆粒，成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是最主要的成像信號。由電子槍發(fā)射的能量為535keV的電子，以其交叉斑作為電子源，經(jīng)二級聚光鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動下，于試樣表面按一定時間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作用，產(chǎn)生二次電子發(fā)射(以及其它物理信號)，二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化。二次電子信號被探測器收集轉(zhuǎn)換成電訊號，經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極，調(diào)制

2、與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像、掃描電鏡具有以下的特點(1)可以觀察直徑為030mm的大塊試樣(在半導(dǎo)體工業(yè)可以觀察更大直徑)，制樣方法簡單。(2)場深大、三百倍于光學(xué)顯微鏡，適用于粗糙表面和斷口的分析觀察；圖像富有立體感、真實感、易于識別和解釋。(3)放大倍數(shù)變化范圍大，一般為15200000倍，對于多相、多組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。(4)具有相當(dāng)高的分辨率，一般為3.56nm。(5)可以通過電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像的質(zhì)量，如通過調(diào)制可改善圖像反差的寬容度，使圖像各部分亮暗適中。采用雙放大倍數(shù)裝置或圖像選擇器，可在熒光屏上同

3、時觀察不同放大倍數(shù)的圖像或不同形式的圖像。(6)可進(jìn)行多種功能的分析。與X射線譜儀配接，可在觀察形貌的同時進(jìn)行微區(qū)成分分析；配有光學(xué)顯微鏡和單色儀等附件時，可觀察陰極熒光圖像和進(jìn)行陰極熒光光譜分析等。(7)可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺進(jìn)行動態(tài)試驗，觀察在不同環(huán)境條件下的相變及形態(tài)變化等。三、掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)1 .電子光學(xué)系統(tǒng)：電子槍；聚光鏡(第一、第二聚光鏡和物鏡)；物鏡光闌。2 .掃描系統(tǒng)：掃描信號發(fā)生器；掃描放大控制器；掃描偏轉(zhuǎn)線圈。3 .信號探測放大系統(tǒng)：探測二次電子、背散射電子等電子信號。4 .圖象顯示和記錄系統(tǒng)：早期SEM采用顯象管、照相機(jī)等。數(shù)字式SEM采用電腦系統(tǒng)進(jìn)行圖象顯示

4、和記錄管理。5 .真空系統(tǒng)：真空度高于10-4Torr。常用：機(jī)械真空泵、擴(kuò)散泵、渦輪分子泵6 .電源系統(tǒng)：高壓發(fā)生裝置、高壓油箱。二|四、掃描電鏡主要指標(biāo)1 .放大倍數(shù)M=L/l2 .分辨率(本領(lǐng))影響分辨本領(lǐng)的主要因素：入射電子束斑的大小，成像信號(二次電子、背散射電子等)3 .掃描電鏡的場深掃描電鏡的場深是指電子束在試樣上掃描時，可獲得清晰圖像的深度范圍。當(dāng)一束微細(xì)的電子束照射在表面粗糙的試樣上時，由于電子束有一定發(fā)散度，除了焦平面處，電子束將展寬，場深與放大倍數(shù)及孔徑光闌有關(guān)。五、試樣制備1.對試樣的要求：試樣可以是塊狀或粉末顆粒，在真空中能保持穩(wěn)定，含有水分的試樣應(yīng)先烘干除去水分，或

5、使用臨界點干燥設(shè)備進(jìn)行處理。表面受到污染的試樣，要在不破壞試樣表面結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行適當(dāng)清洗，然后烘干。新斷開的斷口或斷面，一般不需要進(jìn)行處理，以免破壞斷口或表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。有些試樣的表面、斷口需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那治g，才能暴露某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，則在侵蝕后應(yīng)將表面或斷口清洗干凈，然后烘干。對磁性試樣要預(yù)先去磁，以免觀察時電子束受到磁場的影響。試樣大小要適合儀器專用樣品座的尺寸，不能過大，樣品座尺寸各儀器不均相同，一般小的樣品座為35mm,大的樣品座為3050mm,以分別用來放置不同大小的試樣，樣品的高度也有一定的限制，一般在510mm左右。2.掃描電鏡的塊狀試樣制備是比較簡便的。對于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小

6、要適合儀器樣品座尺寸外，基本上不需進(jìn)行什么制備，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，即可放在掃描電鏡中觀察。對于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的材料，要先進(jìn)行鍍膜處理，在材料表面形成一層導(dǎo)電膜。以避免電荷積累，影響圖象質(zhì)量。并可防止試樣的熱損傷。3、粉末試樣的制備：先將導(dǎo)電膠或雙面膠紙粘結(jié)在樣品座上，再均勻地把粉末樣撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再鍍上一層導(dǎo)電膜，即可上電鏡觀察。4、鍍膜：鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺射鍍膜。離子濺射鍍膜的原理是：在低氣壓系統(tǒng)中，氣體分子在相隔一定距離的陽極和陰極之間的強電場作用下電離成正離子和電子，正離子飛向陰極，電子飛向陽極，二電極間形成輝光放電，在輝光放電過程中，具有一定動量的正離子撞擊陰極，使陰極表面的原子被逐出，稱為濺射，如果陰極表面為用來鍍膜的材料（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽極的樣品臺上，則被正離子轟擊而濺射出來的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度的鍍膜層。離子濺射時常用的氣體為惰性氣體tC,要求不高時，也可以用空氣，氣壓約為5X10-2Torr。離子濺射鍍膜與真空鍍膜相比，其主要優(yōu)點是：（1）裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方