掃描電子顯微技術(shù)

掃描電子顯微技術(shù)報告人：宋文娟導(dǎo)師：熊祖洪教授SEM簡介

掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）,SEM是利用細(xì)聚焦電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描，與樣品相互作用產(chǎn)生各種物理信號，這些信號經(jīng)檢測器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號，最后在熒光屏上顯示反映樣品表面各種特征的圖像。最常用來觀察樣品表面行貌（斷口等）。它有如下優(yōu)點(diǎn)：1.高的分辨率2.有較高的放大倍數(shù)3.有很大的景深4.試樣制備簡單5.配有X射線能譜儀裝置舌頭上的味蕾金顆粒樣品場發(fā)射掃描照片分叉頭發(fā)的掃描圖

1.SEM基本原理

最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚焦后，在加速電壓作用下，經(jīng)過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成一個細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背散射電子、X射線、俄歇電子和透射電子等。這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。經(jīng)過掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對應(yīng)。

SEM基本結(jié)構(gòu)電子光學(xué)系統(tǒng)掃描系統(tǒng)信號檢測放大系統(tǒng)圖像顯示和記錄系統(tǒng)電源和真空系統(tǒng)2.(1)電子光學(xué)系統(tǒng)場發(fā)射電子槍電磁透鏡光柵和樣品室(2)真空系統(tǒng)機(jī)械泵擴(kuò)散泵真空管道閥門（另外還有以液態(tài)氮冷卻的冷阱，可以控制樣品室的真空度）(3)電源系統(tǒng)高壓電源透鏡電流電子槍電源真空系統(tǒng)電源(4)掃描系統(tǒng)掃描線圈掃描信號發(fā)生器放大控制器相應(yīng)電子線路(5)信號探測系統(tǒng)收集器閃爍體光電倍增管前置放大器(6)顯示系統(tǒng)觀察用（為了便于調(diào)焦，采用盡可能快的掃描速度）記錄用（為了得到分辨率高的圖像，采用慢的掃描速度）3.電子槍3.1熱發(fā)射

電子槍提供一個穩(wěn)定的電子源，以形成電子束。通常依靠所謂熱發(fā)射過程從電子源獲得這些電子。在該過程中，足夠高的溫度使一定百分比的電子具有充分的能量以克服陰極材料的功函數(shù)而從電子源跑出。燈絲或陰極有一個半徑約為5到100um的V型尖端。用鎢或六硼化鑭做的燈絲其功函數(shù)較低。下面將討論幾種特殊的燈絲。

電子槍燈絲依靠熱發(fā)射得到的熱發(fā)射電流密度，用Richardson定律表示：式中為與材料有關(guān)的常數(shù)，為發(fā)射溫度。

由Langmuir指出，對于高電壓來說，電子束亮度的極大值由下式給出：

式中為陰極表面上的電流密度，為加速電壓，e為電子電荷，k為波爾茲曼常數(shù)。

3.1.1鎢陰極鎢陰極是一根直徑約為0.01cm的鎢絲，彎成發(fā)夾形，并有一個半徑約為100um的V型尖端。鎢燈絲以熱游離式來發(fā)射電子。鎢在典型工作溫度2700K時，根據(jù)Richardson公式計算出，式中

由于鎢的蒸發(fā)，燈絲直徑會變小，因此達(dá)到工作溫度和燈絲飽和所必須的燈絲電流也隨燈絲的老化而減少。燈絲壽命也隨溫度提高而降低。鎢燈絲平均壽命約為40～80h

3.1.2六硼化鑭陰極（1）六硼化鑭的結(jié)構(gòu)它是一種化合物，其中鑭原子包含在硼原子所形成的晶格中。當(dāng)六硼化鑭被加熱時，鑭原子能夠自由的擴(kuò)散，通過硼的晶格空隙去填補(bǔ)表面因蒸發(fā)而失去的材料。鑭的作用使六硼化鑭有低的功函數(shù)。（2）六硼化鑭的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)時，已測量出多晶六硼化鑭的功函數(shù)約為2.4eV。這意味著工作溫度約為1500K時就能獲得與普通鎢燈絲相同的電流密度。因而它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（a）、蒸發(fā)速率下降，因此與壽命短的發(fā)夾式鎢燈絲相比，可預(yù)期六硼化鑭燈絲工作壽命長。（b）、從Langmuir公式可以看到這兩種電子源如果陰極電流密度和加速電壓相同，但分別工作在1500K和3000K下，那么，1500K的六硼化鑭的亮度將是3000K的鎢燈絲亮度的兩倍。（3）六硼化鑭的缺點(diǎn)六硼化鑭的化學(xué)活性很強(qiáng)，在加熱時很容易與幾乎所有的元素形成化合物，僅碳和錸除外。這種活性意味著陰極僅能在高真空中工作，因為在壓力高于100uPa時，會形成一種特有的紫色氧化物，影響性能。另外，由于工業(yè)上只能提供六硼化鑭的細(xì)小顆粒粉末。因此，為了制成一個有用的陰極組件，需要大量加工處理。

3.2場發(fā)射電子槍

3.2.1場發(fā)射電子槍工作原理

當(dāng)在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場時，會有可觀數(shù)量的電子發(fā)射出來，此過程叫做場發(fā)射。其原理是高壓電場使電子的電位障礙產(chǎn)生Schottky效應(yīng)，亦即使能障寬度變窄，高度變低，致使電子可直接“穿隧”通過此狹窄能障并離開陰極。

3.2.2場發(fā)射電子槍的分類陰極材料通常由單晶鎢制成，場發(fā)射電子槍可分為三種：（1）冷場發(fā)射式（coldfieldemission，CFE）（2）熱場發(fā)射式（heatfieldemission，HFE）（3）肖特基發(fā)射式（schottkyemission，SE）電子槍分類工作條件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)CFEPa2500K電子束直徑最小、亮度最高、持續(xù)時間非常長，因此影像分辨率最優(yōu)。能量散布最小、需要很高的真空度、易污染、需要頻閃、電流穩(wěn)定性差HFE1800K不需要針尖頻閃，不易污染，具有較大能量擴(kuò)散電子能量散布比冷式大3到5倍，影像分辨率差，通常不常使用SE（在鎢單晶上鍍ZrO覆蓋層）Pa1800K發(fā)射電流大、較大的發(fā)射面、小的能量擴(kuò)散、較高的電流密度、良好的電流穩(wěn)定性，不易污染，壽命長。電子源直徑比冷式大，影像分辨率比冷式稍差3.2.3場發(fā)射掃描電子顯微鏡的特點(diǎn)

（1）具有超高分辨掃描圖像觀察能力（可達(dá)1.5nm），是傳統(tǒng)SEM的3~6倍。（2）圖像質(zhì)量較好，并能即時打印和存盤輸出。（3）是納米材料粒徑測試和形貌觀察最有效的儀器。（4）廣泛用于生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、金屬材料、高分子材料、化工原料、地質(zhì)礦物、商品檢驗、產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量控制、寶石鑒定、考古和文物鑒定、公安刑偵物證分析等。

4.電子束聚焦系統(tǒng)

電磁透鏡其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，使原來直徑約為50u

m的束斑縮小成一個只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。

掃描電鏡一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強(qiáng)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。

4.1磁透鏡的一般性質(zhì)

(1)聚光鏡系統(tǒng)由一個或幾個透鏡組成，它決定了入射到樣品上束流的大小。末級探針形成透鏡也成為物鏡，它決定了電子束最終束斑的大小。

(2)依靠透鏡的電磁場與運(yùn)動的電子相互作用使電子束聚焦。速度為V的電子在強(qiáng)度為B的磁場中受力為F，則：

4.2電磁透鏡聚焦原理如圖，當(dāng)速度為V的平行電子束進(jìn)入透鏡的磁場時，位于M點(diǎn)的電子將受到分量Br的作用。根據(jù)右手法則，電子所受的切向力Ft的方向如圖（b）所示，使電子獲得一個切向速度Vt。

Vt隨即和分量Bz叉乘，形成另一個向主軸靠近的徑向力Fr使電子向主軸偏轉(zhuǎn)（聚焦）。當(dāng)電子穿過線圈走到N點(diǎn)時，Br的方向改變了180度，F(xiàn)t也隨之反向，但是Ft的反向只能使Vt變小，而不能改變Vt的方向，因此穿過線圈的電子仍然趨向于主軸靠近。

結(jié)果使電子做如圖（c）那樣的圓錐螺旋近軸運(yùn)動。一束平行于主軸的入射電子束通過電磁透鏡時將被聚焦在軸線上一點(diǎn)（d），這與光學(xué)玻璃凸透鏡對平行于軸線入射的平行光的聚焦作用十分相似（e）5.最小束斑尺寸的獲得

若透鏡厚度與和相比可被忽略，則可把薄透鏡高斯公式應(yīng)用到掃描電鏡的透鏡系統(tǒng)。即：

當(dāng)聚光鏡系統(tǒng)的電流I增加時，透鏡強(qiáng)度增加，而焦距減小。根據(jù)上式，是常數(shù)，因此就減小。同樣，縮小倍率就增加。上式可分別用于每個透鏡，因而總縮小倍率是每個透鏡縮小倍率的乘積。

樣品表面最終形成一個直徑為、孔徑角為的束斑。末級透鏡的縮小倍率為

。樣品上最終束斑尺寸等于電子槍交叉斑尺寸除以電子光學(xué)系統(tǒng)中每個透鏡縮小倍率的乘積。因此，可通過以下方法縮小束斑尺寸：（1）增加聚光鏡系統(tǒng)的電流I

（2）減小工作距離

6.電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號6.1彈性散射和非彈性散射6.2電子顯微鏡常用的信號6.3各種信號的深度和區(qū)域大小6.1彈性散射和非彈性散射當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向入射到試樣內(nèi)時，由于受到固體物質(zhì)中晶格位場和原子庫侖場的作用，其入射方向會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為散射。（1）彈性散射。如果在散射過程中入射電子只改變方向，但其總動能基本上無變化，則這種散射稱為彈性散射。彈性散射的電子符合布拉格定律，攜帶有晶體結(jié)構(gòu)、對稱性、取向和樣品厚度等信息,在電子顯微鏡中用于分析材料的結(jié)構(gòu)。（2）非彈性散射。如果在散射過程中入射電子的方向和動能都發(fā)生改變，則這種散射稱為非彈性散射。在非彈性散射情況下，入射電子會損失一部分能量，并伴有各種信息的產(chǎn)生。非彈性散射電子：損失了部分能量，方向也有微小變化。用于電子能量損失譜，提供成分和化學(xué)信息。也能用于特殊成像或衍射模式。6.2SEM中的三種主要信號背散射電子：入射電子在樣品中經(jīng)散射后再從上表面射出來的電子。反映樣品表面不同取向、不同平均原子量的區(qū)域差別。二次電子：由樣品中原子外殼層釋放出來，在掃描電子顯微術(shù)中反映樣品上表面的形貌特征。X射線：入射電子在樣品原子激發(fā)內(nèi)層電子后外層電子躍遷至內(nèi)層時發(fā)出的光子。SEM中的三種主要信號其他信號俄歇電子：入射電子在樣品原子激發(fā)內(nèi)層電子后外層電子躍遷至內(nèi)層時，多余能量轉(zhuǎn)移給外層電子，使外層電子掙脫原子核的束縛，成為俄歇電子。透射電子:電子穿透樣品的部分。這些電子攜帶著被樣品吸收、衍射的信息，用于透射電鏡的明場像和透射掃描電鏡的掃描圖像,以揭示樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形貌特征。6.3各種信號的深度和區(qū)域大小可以產(chǎn)生信號的區(qū)域稱為有效作用區(qū)，有效作用區(qū)的最深處為電子有效作用深度。但在有效作用區(qū)內(nèi)的信號并不一定都能逸出材料表面、成為有效的可供采集的信號。這是因為各種信號的能量不同，樣品對不同信號的吸收和散射也不同。隨著信號的有效作用深度增加，作用區(qū)的范圍增加，信號產(chǎn)生的空間范圍也增加，這對于信號的空間分辨率是不利的。7.掃描電子顯微鏡的主要性能分辨率景深

放大倍數(shù)7.1分辨率對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離。（1）入射電子束束斑直徑

入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。

如束斑為10nm，那么分辨本領(lǐng)最高也是10nm

一般配備熱陰極電子槍的掃描電鏡的最小束斑直徑可縮小到6nm，相應(yīng)的儀器最高分辨本領(lǐng)也就在6nm左右。

利用場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm，相應(yīng)的儀器最高分辨本領(lǐng)也就可達(dá)3nm。（2）入射束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)影響分辨本領(lǐng)的因素還有信噪比、雜散電磁場和機(jī)械震動等7.2景深景深是指圖像清晰度保持不變的情況下樣品平面沿光軸方向前后可移動的距離。通常用Df