中科大扫描电子显微镜_研究生电镜实验培训.ppt

第十二章 扫描电子显微镜的结构和工作原理 中国科学技术大学力学与机械工程系 材料现代测试技术 龚 明 扫描电镜成像原理 一.成像原理： 利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号调制成像。类似电视摄影显像的方式。 电子束经三个电磁透镜聚焦后，成直径为几个纳米的电子束； 末级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激发区域的成分和晶体取向。 在试样附近的探测器把激发出的电子信号接受下来，经信号处理放大系统后，输送到显像管栅极以调制显像管的亮度。 扫描电镜成像原理 SEM的样品室附近可以装入多个探测器，例如：SED、BED、GSED、EDS、WDS、EBSD等。 目前的扫描电子显微镜可以进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。 显像管中的电子束和镜筒中的电子束同步扫描，且显像管上各点的亮度由试样上各点激发出的电子信号强度来调制，因此从试样表面上任一点所收集来的信号强度与显像管屏上相应点亮度一一对应。所以，试样各点状态不同，显像管各点相应的亮度也必不同，由此得到反映试样状态的图像。 GSED 样 品 入射电子束 SED BED EDS/WDS EBSD 扫描电镜的结构和工作原理 1. 电子光学系统(镜筒) （1）电子枪 （2）电磁透镜——汇聚镜 （3）扫描线圈——光栅扫描、角光栅扫描 （4）样品室各级光阑、消像散器 2. 信号探测放大系统 （1）各种探头（闪烁计数器）—— SE、BSE、TE、EDS、GSED、EDS/WDS （2）光电倍增器 （3）视频放大器 3. 真空系统 机械泵、各级分子泵和扩散泵 P = 10-4～10-5 Torr(mmHg) 4. 其他系统 图象显示和记录系统、冷却系统、电源系统 二. 扫描电镜的结构 电磁透镜——聚光镜 扫描电镜电磁透镜都不作成像透镜，而是作聚光镜用。其功能是将来自电子的束斑逐级聚光缩小，使原来直径50um的束斑缩小到几个纳米的细小斑点。 扫描电镜一般有三个聚光镜，第一、二聚光镜属强激磁透镜，起汇聚电子束用；第三聚光镜（末级透镜）是弱磁透镜（又称为物镜），具有较长的焦距，目的是使透镜与样品之间留有一定的空间，以便装入各种信号探测器。 扫描电镜电子束斑尺寸对分辨本领影响很大。一般束斑尺寸越小，分辨本领越高。 偏转系统 作用： 使电子束产生横向偏转。 主要包括： 用于形成光栅状扫描的扫描系统，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的偏转系统。 可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。 (a)光栅扫描 (SEM) (b)角光栅扫描 (ECP) 信号检测放大系统 作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号，并进行放大。 不同的物理信号，要用不同类型的收集系统（探测器）。 二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。 闪烁计数器是由闪烁体、光导管、光电倍增管组成。具有低噪声、宽频带(10Hz～1MHz)、高增益(106)等特点。 二次电子探头(SED)与一般样品台成15～20°夹角，并施加0 ～200V偏压；背散射电子探头(BSD)一般安装在极靴帽下方，与样品台平行。 二次电子 背散射电子 俄歇电子 特征X射线 （弹性散射电子） 样 品 电子束与样品作用产生的信号 透射电子 透射电子 （包含非弹性散射电子） 入射电子束 吸收电子 二次电子 背散射电子 俄歇电子 特征X射线 2.背散射电子 被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 扫描电子显微镜成像信号 能量 Eb?103～104eV ； 出射深度 t n?102nm （1）用作形貌分析 （2）定性成分分析 1.二次电子 因入射电子与试样中弱束缚电子非弹性散射而离开样品表面的核外电子（价带或导带电子）叫做二次电子 。 能量 Es50eV ； 出射深度 t = 5~10nm 只能用作形貌分析 3.吸收电子 由于非弹性散射能量损失殆尽，最后被样品所吸收的电子 。 ia＝i0 - (ib+is) 衬度和二次电子或背散射电子信号调制的图象衬度相反 （1）用作形貌分析 （2）定性成分分析 4.透射电子 穿过薄样品那部分电子 。 ib + is+ ia + it＝i0 ?+?+?+?＝1