sem扫描电子显微镜2009.10.18.doc

扫描电子显微镜 3—1 前言 扫描电子显微镜(简称扫描电镜，Scanning Electron Microscope，SEM)是一种大型分析仪器，从1965年问世以来，已在材料科学、地质、生物、医学、物理、化学等科学领域获得越来越广泛的应用。而且为适应不同分析要求，相继安装了许多专用附件，实现了一机多用(如电子衍射，透射电镜，电子探针x射线显微分析等)。 SEM的特点： (1)分辨本领高，能观测表面60 ?左右的细节； (2)放大倍数可变范围大(10一150000倍)，连续可调，高倍时亮度与清晰度均优于透射电镜； (3)观察图像景深大，富有立体感； (4)制样简单，图像更近于样品真实状态； (5)可通过电子学方法控制和改善图象质量； (6)可进行综合分析，如在观察形貌图像同时对样品上任意微区进行元素分析，装不同类型的样品台，可直接观察不同环境(热、冷、拉伸等)下样品结构形态变化(动态观察)。 我国1975年开始自行设计制造扫描电镜。 扫描电镜成像原理 一 电子与物质的相互作用 高能电子束轰击样品表面时，有复杂的作用过程，产生各种有用的信息。如图3—1所示。主要有： 图3-1 电子束与固体表面作用产生的信息示意图 二次电子—从距表面100?左右深度范围内激发出来的低能电子； 背散射电子—从距表面0.1—1μm深度范围内散射回来的入射电子。能量近似入射电子能量； 透射电子—样品足够薄(＜1μm) 透过样品的入射电子，能量近似入射电子能量； 俄歇电子—从距样品表面几个?至50 ?左右深度范围内发射的具有持征能量的二次电子； 吸收电子—残存在样品中的入射电子； x射线—因原子激发与退激发过程而从样品的原子内部发射出来的具有一定能量的x射线。发射深度0.5—5μm范围； 感应电动势——入射电子束照射半导体器件PN结产生的电动势。 以上不同的信息，反映样品不同的物理、化学性质。任何一种信息、SEM都要将其转变成放大了的电信号，并在显像管屏上以二维图像显示出来(或记录仪记录)。 SEM的图像不仅仅是样品的形貌像，还有反应元素分布的x射线像。 反映PN结性能的感应电动势等等，这是与普通光学显微镜及透射电镜有很大不同的。 二 SEM成像原理 SEM成像过程与电视显像过程很相似，它不需成像透镜，图像按一定时间、空间顺序逐点形成，并在镜体外显像管上显示。 二次电子像是SEM获得的各种图像中应用最广泛、分辨本领最高的一种。下面以此为例，讨论SEM成像原理及有关问题。 图3—2是扫描电镜成像过程示意图。 由电子枪发射的30keV电子束，经会聚镜、物镜缩小、聚焦，在样品表面形成一定能量和斑点直径的电子束。 在扫描线圈磁场作用下，作用在样品表面上的电子束将按一定时间、空间顺序作光栅或扫描。 电子束从样品中激发的二次电子，由二次电子收集极收集、由加速极加速至闪烁体转变成光信号，此信号经光导管到达光电倍增管再转变成电信号。该电信号由视频放大器放大，输送到显像管栅极，调制显像管亮度，使之在屏幕上呈现亮暗程度不同的反映表面起伏(形貌)的二次电子像。 由于电子束在样品表面上扫描和显像管中电子束在荧光屏上扫描由同一扫描电路控制，保证了它们之间完全同步，即保证了“物点”和“象点”（A和A’)在时间和空间上的一一对应。 一般称一个像点为一个“图像单元”、一幅扫描图像近100万个图像单元。 正因为如此，才使得SEM不仅显示一般形貌，而且还能将样品局部化学元素、光、电和磁等性质差异以二维图像形式显示出来。 图3-2 扫描电镜成像过程示意图 三 、SEM性能指标 分辨本领 所谓分辨本领，是指显微镜能清楚分辨物体最小细节的能力，一般以清楚分辨两点或两细节间距离表示。 ①人眼分辨本领0.1一0.2mm ②光学显微镜分辨本领0.1一0.2μ ③透射电镜分辨本领5—7?(最佳＜或≈2 ?) ④SEM(二次电子像)分辨本领60—100 ? (最佳~30 ?) 分辨本领是与景深有一定联系的。 2．景深 景深是在样品深度方向观察的程度。 扫描电镜景深最大，光学显微镜最小，透射电镜景深不超过样品厚度， 有机样品小于1μm。无机样品为0.1一0.3μm。 景深还与放大倍数有关，放大倍数越大，景深就越小，如： 光学显微镜：10倍，景深0.1mm；100倍．1μm． SEM：10倍，景深10mm；100倍，1mm；104倍，lμm． 3．放大倍数 像与物大小之比，定义为显微镜的放大倍数(M)。 例如，SEM的放大倍数＝显示荧光屏边长／电子束扫描样品的宽度 4．有效放大倍数 有效放大倍数的定义是：M有效＝人眼分辨本领／仪器分辨本领。 例如，SEM的M有效＝0.2mm／100?＝2×104。 可见欲观察100?的细节。SEM只需具有20000倍放大倍数即足够、但SEM的最大放大倍