扫描电镜SEM简介-文字版.pdf

扫描电子显微镜简介 摘要：本文介绍了扫描电子显微镜SEM 的基本原理、各种信号的产生、结 构组成、衬度和成像的机制、样品的制备、特性参数。此外，对扫描电镜、 光学显微镜和透射电镜的进行了比较。同时，结合自己做过的Si 纳米线、 Ag 纳米颗粒的制备，进行应用举例。 一、 概述 扫描电子显微镜，简称为扫描电镜，英文缩写为SEM (Scanning Electron Microscope) 。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作 用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。 现在SEM 都与能谱（EDS ）组合，可以进行成分分析。所以，SEM 也是显 微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。下 图1 是一个现代化的扫描电子显微镜，已经完全商品化、精密化、自动化。 图1 现代化的扫描电子显微镜 二、 SEM 的产生 1. 光学显微镜(Optical Microscope，OM)的分辨率极限 一个理想的点光源，通过会聚透镜成像，得到的并不是一个像点， 而是一个亮斑，称为艾里斑，光能量的84%集中在中央。如果物体上两 个点所成的两个像斑发生了重叠，两圆心间距恰好是圆的半径时，恰好 可以分辨，此时亮斑中间的光强度与峰值强度的差大于19%，则两个亮 斑尚能分辨开来，这就是瑞丽判据。根据瑞利判据，可以得到显微镜的 分辨率δ 的决定式，如下式①： δ = 0.61λ ① nsinα δ = 0.61×500 = 201.99 nm ② 1.51×sin90° 式①中，λ 是光波在真空中的波长，n 是透镜与物体之间介质的折射 率，α 是孔径角之半。可见波长越短，折射率越大，sinα=1，则分辨率δ 越小。可见光的波长范围是390nm~760nm，松柏油的折射率n=1.51 ，则 可以得到式②，于是得出分辨率δ=201.99nm 。 人的肉眼可以分辨的最小物体大概是0.1mm，那么假如有一个 200nm 的物体，则必须对它进行放大，放大倍数M=0.1mm/200nm=500 倍。对于更小的物体，几纳米、几十纳米，则无法用光学显微镜来看。 需要更高的放大倍数和更好的分辨率。 2. 电子束作为光源 高速运动的电子具有波粒二象性，它的波长比可见光短的多。根据 德布罗意公式： λ = ℎ ③ 设电子的初速度为0，可以用电压V 对它进行加速。于是，电子的 动能可以表示为： 1 2 = eV ④ 2 结合上面的③④两式，推出电子的速度表达式如下： λ = ℎ ⑤ √2 上面的式③④⑤中，h 是普朗克常数，e 是元电荷量，m 是电子的质 量，v 是电子的运动速度,。如果是超高速运动，还得考虑相对论，最终 可以得到表达式： λ = 1.225 ⑥