场发射扫描电子显微镜工作原理及其在材料分析中的应用一引言11.DOC

场发射扫描电子显微镜工作原理及其在材料分析中的应用 一 引言 1.1电镜的分类 为了了解和研究自然现象，通常开始是用人的肉眼进行观察的。但是，人肉眼的观察能力是有限的，它能分辨的最小距离只能达到0.2mm左右。为了把人的视力范围扩大到微观领域，就必须借助于一种观察仪器，把微观形貌放大几十倍到几十万倍，以适应人眼的分辨能力。我们把这类仪器称为显微镜。 随着科学技术的进步，显微镜的类型和用途也不断的更新和发展。但不管哪种类型的显微镜，尽管所依据的物理基础不同，但其基本工作原理都是类似的，即首先采用一种照明源，把照明源缩小成极细的照明束，再以一定方式照射在被观察的试样上。根据照明束与被观察试样物质的相互作用，把这种相互作用结果所发回的信息通过成像放大系统，构成放大像，然后再进入人眼进行观察。 根据照明源的性质、照明方式以及从被观察对象所收回信息的性质和对信息的相应放大处理方法，通常可以分为光学显微镜、透射电子显微镜、场发射电子显微镜和扫描电子显微镜（以下简称扫描电镜）等。常用的各种显微镜类型如表 1-1所示。表11 常用的各种显微镜类型 由此可见，扫描电镜是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种同试样性质有关的信息，然后加以收集和处理，从而获得微观形貌放大像的一种显微镜。 扫描电镜的成像信息来自电子与物质的相互作用，因此，后者也就成为扫描电镜在各方面应用的物理基础 1.2扫描电镜的性能及其分析技术 关于光学显微镜、扫描电镜和透射电子显微镜的主要性能比较如表1-2所示。同其它方式的显微镜比较，扫描电镜具有如下特点： （1）能直接观察大尺寸试样的原始表面。其能够直接观察尺寸可大到直径为100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度。（2）试样在样品室中可动的自由度非常大。其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3mm，故实际上只允许试样在两度空间内运动。但在扫描电镜中则不同，由于工作距离大（可大于15mm）焦深大（比投射电子显微镜大10倍），样品室的空间也大，因此，允许试样在三度空间内有6国自由度运动（即三度空间平移，和三度空间旋转），可动范围大，这对观察不规则形状试样的各个区域细节带来无比的方便。 （3）观察试样的视场大。在扫描电井中，能同时观察试样的视场范围F由下式来确定： F=L/M 式中 M 为观察时的放大倍数；L为显像管的荧光屏尺寸。 因此，如果采用30cm（12英寸）的显像管，放大倍数为10倍时，其视场范围可达 30mm。采用更大尺寸荧光屏的显像管，不难获得更大的视场范围。 （4）焦深大，图像富立体感。扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大 10倍，比光学显微镜大几百倍。由于图像景深大，故所得扫描电子像富有立体感，并很容易获得一对同样清晰聚焦的立体对照片，进行立体观察和立体分析。 （5）放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦。扫描电镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），基本包括了从金相显微镜到电子显微镜的放大倍数范围，且一次聚焦好后即可从低倍到高倍，或低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行事故分析特别方便。 （6）在观察厚块试样中，它能得到的分辨率和最真实形貌。扫描电镜的分辨率是介于光学显微镜和透射电子显微镜之间（参看表1-2）。但就对厚块试样的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜镜中要采用复膜方法，而复膜的分辨率通常只能达 10nm，且观察并不是试样本身。因此，用扫描电镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。 （7）因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小。同其它方式的电子显微镜比较，因为观察时所用的电子探针电流小（一般约为10-10～10-12A）,电子探针的束斑尺寸小（通常是5nm到几十纳米），电子探针的能量也比较小（加速电压可以小到2kV），而且不是固定一点照射试样，而是以光栅状扫描方式照射试样，因此，由于电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小，这点对观察一些生物试样的损伤和污染程度很小，这点对观察一些生物试样特别重要。 （8）能进行动态观察。在扫描电镜中，成像的信息主要是电子信息。根据近代的电子工业技术水平，即使高速变化的电子信息，也能毫不困难地及时接收，处理和储存，故可进行一些动态过程的观察。如果在样品室内安装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件，则可以通过连接电视装置，观察相变、断裂等动态的变化过程。 （9）它可以从试样表面形貌获得多方面资料。在扫描电镜中，因为可以利用入射电子和试样相互作用所产生各种信息来成像，而且可以通过信号处理方法，获得多种图像的特殊显示方法，可以从试样的表面形貌获得多方面资料。表1-2 光学显微镜、扫描电镜和透射电子显微镜的主