掃描電子顯微鏡

1、掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發(fā)明的較現代的細胞生物學研究工具，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產生樣品表面放大的形貌像，這個像是在樣品被掃描時按時序建立起來的，即使用逐點成像的方法獲得放大像。掃描電鏡（SEM）是介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀性貌觀手段，可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像。掃描電鏡的優(yōu)點是，有較高的放大倍數，20-20萬倍之間連續(xù)可調；有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構；試樣制備簡單

2、。 目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀（EDS）裝置，這樣可以同時進行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它是當今十分有用的科學研究儀器。一、基本原理掃描電子顯微鏡的制造依據是電子與物質的相互作用。掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測試試樣表面形貌的觀察。當一束極細的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產生的電磁輻射。同時可產生電子-空穴對、晶格振動（聲子)、電子振蕩（等離子體）。掃描式電子顯微

3、鏡的電子束不穿過樣品，僅在樣品表面掃描激發(fā)出次級電子。放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級電子，通過放大后調制顯像管的電子束強度，從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描，這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像，這與工業(yè)電視機的工作原理相類似。 掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比，可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品；圖像有很強的立體感；能利用電子束與物質相互作用而產生的次級電子、吸收電子和 X射線等信息分析物質成分。 背散射電子背散射電子是指被固體樣品原子

4、反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。彈性背反射電子是指倍樣品中原子和反彈回來的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數千到數萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數十電子伏到數千電子伏。從數量上看，彈性背反射電子遠比非彈性背反射電子所占的份額多。 背反射電子的產生范圍在100nm-1mm深度。背反射電子產額和二次電子產額與原子序束的關系背反射電子束成像分辨率一般為50-200nm（與電子束斑直徑相當）。背反射電子的產額隨原子序數的增加而增加

5、（右圖），所以，利用背反射電子作為成像信號不僅能分析新貌特征，也可以用來顯示原子序數襯度，定性進行成分分析。二次電子二次電子是指背入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價電子間的結合能很小，當原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應的結合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。二次電子來自表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產生二次電子的面積與入射電子的照

6、射面積沒有多大區(qū)別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。二次電子產額隨原子序數的變化不大，它主要取決與表面形貌。特征X射線特征X射線試原子的內層電子受到激發(fā)以后在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。 X射線一般在試樣的500nm-5m m深處發(fā)出。俄歇電子如果原子內層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內。 俄歇電子是由試

7、樣表面極有限的幾個原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號適用與表層化學成分分析。產生的次級電子的多少與電子束入射角有關，也就是說與樣品的表面結構有關，次級電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉變?yōu)楣庑盘?，再經光電倍增管和放大器轉變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹姸?，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。為了使標本表面發(fā)射出次級電子，標本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級電子信號。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。具體功能用途歸納如下

8、：1、掃描電鏡追求固體物質高分辨的形貌，形態(tài)圖像(二次電子探測器SEI)-形貌分析(表面幾何形態(tài)，形狀，尺寸)2、顯示化學成分的空間變化，基于化學成分的相鑒定-化學成分像分布，微區(qū)化學成分分析1) 用x射線能譜儀或波譜(EDS or WDS)采集特征x射線信號，生成與樣品形貌相對應的，元素面分布圖或者進行定點化學成分定性定量分析，相鑒定。 2)利用背散射電子BSE)基于平均原子序數(一般和相對密度相關)反差，生成化學成分相的分布圖像；3)利用陰極熒光，基于某些痕量元素(如過渡金屬元素，稀土元素等)受電子束激發(fā)的光強反差，生成的痕量元素分布圖像。4)利用樣品電流，基于平均原子序數反差，

9、生成的化學成分相的分布圖像，該圖像與背散射電子圖像亮暗相反。5)利用俄歇電子，對樣品物質表面1nm表層進行化學元素分布的定性定理分析，掃描電子顯微鏡正是根據上述不同信息產生的機理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關物質微觀形貌的信息；對x射線的采集，可得到物質化學成分的信息。正因如此，根據不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。利用電鏡的透射或散射電子進行其它功能的分析，可以得到材料的其它一些信息。主要有：成分分析、晶體結構分析、粒度分析、陰極發(fā)光觀察二、樣品制備：SEM生物樣品制備：掃描電鏡觀察時要求樣品必需干燥，并且表面能夠導電。因

10、此，在進行掃描電鏡微生物樣品制備時一般都需采用清洗、固定、脫水、干燥及表面鍍金等處理步驟。 生物樣品的制備中，干燥是最關鍵的步驟。干燥過程除引起樣品收縮之外，水的表面張力會使樣品表面形貌發(fā)生很大的變化，這對掃描電鏡的表面形貌觀察特別有害。目前常用的干燥方法主要有空氣干燥法、臨界點干燥法、冰凍干燥法、真空干燥法和莰烯干燥法等。空氣干燥法又稱自然干燥法，就是將經過脫水的樣品，讓其暴露在空氣中使脫水劑逐漸揮發(fā)干燥。此法的最大優(yōu)點是簡單易行和節(jié)省時間，它的致命缺點是在干燥過程中，組織會因脫水劑揮發(fā)時表面張力的作用而產生收縮變形。因此，此種方法一般只適用于外殼(表面)較為堅硬的樣品。在采用空氣干燥時，為

11、了減少樣品的收縮變形，除使用易揮發(fā)和表面張力小的脫水劑如乙醇、丙酮等外，還應使樣品得到充分固定，特別是須經四氧化鋨固定效果才較好。因為它會使組織變得較為堅硬，使收縮變形減少。臨界點干燥法是一種消除了物相界面(液相氣相)，也就是消除了表面張力來源的干燥方法。這種方法由于沒有表面張力的影響，所以樣品不易收縮和損傷，此法所用的儀器結構不甚復雜，操作較為方便，所用的時間也不算長，一般約2h左右即可完成，所以，是最為常用的方法。所謂臨界點，就是指使物質的氣態(tài)和液態(tài)兩相之間達到相同密度，成為均一流體狀態(tài)時的溫度和壓力的總稱。此時的溫度稱臨界溫度；此時的壓力稱臨界壓力。不同的物質都有其特定的臨界點。冰凍干燥

12、是將經冰凍的樣品置于高真空中通過升華，除去樣品中的水分或脫水劑的過程。冰凍干燥的基礎是冰(或固態(tài)溶劑)從樣品中升華，也就是使水分從固態(tài)直接轉化為氣態(tài)，不經過中間的液態(tài),不存在氣相和液相之間的表面張力對樣品的作用，因此，能較好地避免或減少了在干燥過程中對樣品的損傷。冰凍干燥方法有兩種，即含水樣品直接冰凍干燥和樣品脫水后從有機溶劑中冰凍干燥。茨烯干燥法，莰烯是一種樟腦類無色結晶體，能溶于醚、環(huán)乙烷、環(huán)己烯和氯仿中，室溫下呈固體狀，能在較低的溫度下升華，從固態(tài)直接變成氣態(tài)，表面張力小，故經它干燥的樣品較松軟，變形小，操作也較簡便。d、樣品的表面導電處理金屬鍍膜法是采用特殊裝置將電阻率小的金屬，如金、

13、鉑、鈀、銀及碳等蒸發(fā)后覆蓋在樣品表面的方法。樣品鍍以金屬膜(或碳膜)后，不僅能為入射電子提供通路，消除電荷積累的荷電現象，而且能提高二次電子發(fā)射率，增加倍噪比，提高圖像反差，以便能獲得細節(jié)豐富和分辯率高的圖像。其次，樣品經鍍膜后，還能提高樣品表面的機械強度，增強耐受電子束轟擊能力，避免起泡、龜裂、穿孔、分解和漂移等不良現象的產生：此外，通過鍍膜能把掃描電鏡的信息來源限定于樣品表面，即防止來自組織內部的信息參與成像。真空鍍膜法是利用真空鍍膜儀進行的。其原理是在高真空狀態(tài)下(10-3Pa)，使某些金屬物質加熱到熔點以上時，蒸發(fā)成極細小的顆粒噴射到樣品上，由于金屬的沉積使樣品表面形成一層薄金屬膜。真

14、空鍍膜法所得的膜，金屬顆粒較粗，膜不夠均勻，操作較復雜并且費時，因此目前已經較少使用。真空蒸發(fā)儀主要用于制造碳膜、碳復型膜和金屬投影。離子濺射鍍膜法：在低真空中進行輝光放電時，由于離子沖擊，陰極金屬物質有飛濺現象稱為濺射。利用離子濺射儀對樣品進行金屬鍍膜的方法，稱為濺射鍍膜法。圖10一4就是這種鍍膜法的原理示意圖。這種裝置很簡單，主要由真空部分(真空泵)和濺射部分(真空罩)組成，在真空罩內裝有陰極和陽極，陰極對著陽極的一面裝有用于濺射用的金屬靶(黃金靶、鉑靶、白金靶或鈀靶等)，樣品放在陽極的樣品座上面。當真空罩內的真空度抽到101Pa時，在陰極與陽極之間加上10003000V的直流電壓，兩極之

15、間產生弧光放電的電場。在電場的作用下，罩內殘余的氣體分子被電離為正離子和電子，正離子被陰極吸引轟擊金屬靶，激發(fā)出金屬顆粒和電子，并被陽極吸引附著在樣品表面而形成金屬導電膜。組織導電法是利用某些金屬鹽溶液對生物體中的蛋白質、脂肪類及淀粉等成分的結合作用，使樣品表面離子化或產生導電性能好的金屬化合物，從而提高樣品耐受電子束轟擊的能力和導電率。這種方法近年來國內外均有不少報道。3、 儀器結構掃描電子顯微鏡具有由三極電子槍發(fā)出的電子束經柵極靜電聚焦后成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，經過2-3個電磁透鏡所組成的電子光學系統(tǒng)，電子束會聚成孔徑角較小，束斑為5-10m m的電子束，并

16、在試樣表面聚焦。 末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束在試樣表面掃描。高能電子束與樣品物質相互作用產生二次電子，背反射電子，X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，經放大后用來調制熒光屏的亮度。由于經過掃描線圈上的電流與顯象管相應偏轉線圈上的電流同步，因此，試樣表面任意點發(fā)射的信號與顯象管熒光屏上相應的亮點一一對應。也就是說，電子束打到試樣上一點時，在熒光屏上就有一亮點與之對應，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比。換言之，掃描電鏡是采用逐點成像的圖像分解法進行的。光點成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最後一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幀圖像。這種掃描方式叫做光柵掃描。掃描電

17、子顯微鏡由電子光學系統(tǒng)，信號收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。1.真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內產生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類，機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對于裝置了場致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。之所以要用真空，主要基于以下兩點原因：電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿

18、整個真空柱。為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。2.電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產生物理信號的激發(fā)源。為了獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。<1>電子槍其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產生高能量的電子束。目前大多數掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點是燈絲價格較便宜，對真空度要求不高，缺點是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經過二級或三級聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器分辨率受到限制?，F在，高等級掃描電鏡采用六硼

19、化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。<2>電磁透鏡其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50m m的束斑縮小成一個只有數nm的細小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。 掃描電鏡一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的干擾。<3>掃描線圈其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內電子束在熒光屏上的同步掃描信號。改變入射電子束在樣品表面掃描振幅，以獲得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈試掃

20、描點晶的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內。<4>樣品室樣品室中主要部件是樣品臺。它出能進行三維空間的移動，還能傾斜和轉動，樣品臺移動范圍一般可達40毫米，傾斜范圍至少在50度左右，轉動360度。 樣品室中還要安置各種型號檢測器。信號的收集效率和相應檢測器的安放位置有很大關系。樣品臺還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺上加熱，冷卻或拉伸，可進行動態(tài)觀察。近年來，為適應斷口實物等大零件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在125mm以上的大樣品臺。3.信號檢測放大系統(tǒng)其作用是檢測樣品在入射電子作用下產生的物理信號，然后經視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調制信號。不同的物理

21、信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，大致可分為三類：電子檢測器，應急熒光檢測器和X射線檢測器。 在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成。當信號電子進入閃爍體時將引起電離；當離子與自由電子復合時產生可見光。光子沿著沒有吸收的光導管傳送到光電倍增器進行放大并轉變成電流信號輸出，電流信號經視頻放大器放大后就成為調制信號。這種檢測系統(tǒng)的特點是在很寬的信號范圍內具有正比與原始信號的輸出，具有很寬的頻帶（10Hz-1MHz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調制的，而

22、由檢測器接收的信號強度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監(jiān)測系統(tǒng)輸出的反營養(yǎng)品表面狀態(tài)的調制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。4、 主要性能參數與SEM結果圖1.放大率與普通光學顯微鏡不同，在SEM中，是通過控制掃描區(qū)域的大小來控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要掃描更小的一塊面積就可以了。放大率由屏幕/照片面積除以掃描面積得到。所以，SEM中，透鏡與放大率無關。2.場深在SEM中，位于焦平面上下的一小層區(qū)域內的樣品點都可以得到良好的會焦而成象。這一小層的厚度稱為場深，通常為幾納米厚，所以，SEM可以用于納米級樣品的三維成像。3.作用體積電子束不僅

23、僅與樣品表層原子發(fā)生作用，它實際上與一定厚度范圍內的樣品原子發(fā)生作用，所以存在一個作用“體積”。作用體積的厚度因信號的不同而不同：歐革電子：0.52納米。次級電子：5，對于導體，=1納米；對于絕緣體，=10納米。背散射電子：10倍于次級電子。特征X射線：微米級。X射線連續(xù)譜：略大于特征X射線，也在微米級。4.工作距離工作距離指從物鏡到樣品最高點的垂直距離。如果增加工作距離，可以在其他條件不變的情況下獲得更大的場深。如果減少工作距離，則可以在其他條件不變的情況下獲得更高的分辨率。通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。5.成象次級電子和背散射電子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次級電

24、子。6.表面分析歐革電子、特征X射線、背散射電子的產生過程均與樣品原子性質有關，所以可以用于成分分析。但由于電子束只能穿透樣品表面很淺的一層（參見作用體積），所以只能用于表面分析。表面分析以特征X射線分析（EDS）最常用，所用到的探測器有兩種：能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高，后者非常精確，可以檢測到“痕跡元素”的存在但耗時太長。長度標尺，放大倍數（Mag），工作電壓（EHT），工作距離（WD）、二次電子（SE）5、 SEM與TEM區(qū)別1、 分析信號(1)掃描電鏡掃描電子顯微鏡的制造是依據電子與物質的相互作用。當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，被激發(fā)的區(qū)域將產生二次電子、俄歇電子

25、、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產生的電磁輻射。同時，也可產生電子-空穴對、晶格振動（聲子）、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。掃描電子顯微鏡正是根據上述不同信息產生的機理，采用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現。如對二次電子、背散射電子的采集，可得到有關物質微觀形貌的信息；對X射線的采集，可得到物質化學成分的信息。(2)透射電鏡根據德布羅意（De Broglie,20世紀法國科學家）提出的運動的微觀粒子具有波粒二象性的觀

26、點，電子束流也具有波動性，而且電子波的波長比可見光要短得多（例如200千伏加速電壓下電子波波長為0.00251納米），顯然，如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是，由于電子在電場中會受到電場力運動，以及運動的電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉，這使得使用科學手段使電子束聚焦和成像成為可能。2、 結構(1)掃描電鏡  1鏡筒  鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統(tǒng)。其作用是產生很細的電子束(直徑約幾個nm)，并且使該電子束在樣品表面掃描，同時激發(fā)出各種信號。2電子信號的收集與處理系統(tǒng)  在

27、樣品室中，掃描電子束與樣品發(fā)生相互作用后產生多種信號，其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇(Auger)電子等。在上述信號中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區(qū)域，其產生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。檢測二次電子的檢測器的探頭是一個閃爍體，當電子打到閃爍體上時，就在其中產生光，這種光被光導管傳送到光電倍增管，光信號即被轉變成電流信號，再經前置放大及視頻放大，電流信號轉變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極。3電子信號的顯示與記錄系

28、統(tǒng)  掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上，并由照相機拍照記錄。顯像管有兩個，一個用來觀察，分辨率較低，是長余輝的管子；另一個用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子4真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)  掃描電鏡的真空系統(tǒng)由機械泵與油擴散泵組成，其作用是使鏡筒內達到10的真空度。電源系統(tǒng)供給各部件所需的特定的電源。(2)透射電鏡1電子光學部分 整個電子光學部分完全置于鏡筒之內，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機構等裝置。根據這些裝置的功能不同又可將電子光學部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)

29、及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。(1)照明系統(tǒng) 照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應的平移對中及傾斜調節(jié)裝置組成。它的作用是為成像系統(tǒng)提供一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內傾斜。 電子槍它由陰極、柵極和陽極構成。在真空中通電加熱后使從陰極發(fā)射的電子獲得較高的動能形成定向高速電子流。 聚光鏡聚光鏡的作用是會聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。(2)樣品室 樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺。 (3)成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領決定了電鏡的分辨本領，中間鏡和投

30、影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進一步放大。(4)圖像觀察與記錄系統(tǒng)  該系統(tǒng)由熒光屏、照相機、數據顯示等組成。 2真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)由機械泵、油擴散泵、換向閥門、真空測量儀奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內氣體，使鏡筒真空度至少要在 托以上。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會使電子柵極與陽極間高壓電離導致極間放電，殘余的氣體還會腐蝕燈絲，污染樣品。    3供電控制系統(tǒng)  加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會產生嚴重的色差及降低電鏡的分辨本領，所以加速電壓和

31、透鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個重要標準。 透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵磁電源、偏轉器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅動裝置及自動曝光電路等部分組成。另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器 。  三、功能(1)掃描電鏡1、掃描電鏡追求固體物質高分辨的形貌，形態(tài)圖像（二次電子探測器SEI)-形貌分析(表面幾何形態(tài)，形狀，尺寸）2、顯示化學成分的空間變化，基于化學成分的相鑒定-化學成分像分布，微區(qū)化學成分分析1)用x射線能譜儀或波譜（EDS or WDS）采集特征X射線

32、信號，生成與樣品形貌相對應的，元素面分布圖或者進行定點化學成分定性定量分析，相鑒定。 2)利用背散射電子(BSE）基于平均原子序數(一般和相對密度相關）反差，生成化學成分相的分布圖像； 3)利用陰極熒光，基于某些痕量元素（如過渡金屬元素，稀土元素等）受電子束激發(fā)的光強反差，生成的痕量元素分布圖像。 4)利用樣品電流，基于平均原子序數反差，生成的化學成分相的分布圖像，該圖像與背散射電子圖像亮暗相反。 5)利用俄歇電子，對樣品物質表面1nm表層進行化學元素分布的定性定理分析。3、在半導體器件（IC)研究中的特殊應用： 1）利用電子束感生電流EBIC進行成像，可以用來進行集成電路中pn結的定位和損傷

33、研究 2）利用樣品電流成像，結果可顯示電路中金屬層的開、短路，因此電阻襯度像經常用來檢查金屬布線層、多晶連線層、金屬到硅的測試圖形和薄膜電阻的導電形式。 3）利用二次電子電位反差像，反映了樣品表面的電位，從它上面可以看出樣品表面各處電位的高低及分布情況，特別是對于器件的隱開路或隱短路部位的確定尤為方便。4、利用背散射電子衍射信號對樣品物質進行晶體結構（原子在晶體中的排列方式），晶體取向分布分析，基于晶體結構的相鑒定。(2)透射電鏡早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結構。具有能將形貌和晶體結構原位觀察的兩個功能是其它結構分析儀器（如光鏡和X射

34、線衍射儀）所不具備的。透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發(fā)展到還可以進行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（STEM）。結合樣品臺設計成高溫臺、低溫臺和拉伸臺，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態(tài)、低溫冷卻狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下觀察樣品動態(tài)的組織結構、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進一步的拓寬。透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺儀器在不更換樣品的情況下可以進行多種分析，尤其是可以針對同一微區(qū)位置進行形貌、晶體結構、成分（價態(tài)）的全面分析。四、襯度原理(1)掃描電鏡1、質厚襯度 質厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來源。樣品不同微區(qū)存在原子序數和厚度的差異形成的。來源于電子的非相干散射，Z越高，產生散射的比例越