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第十三章扫描电子显微分析

由于透射电镜是利用穿透样品的电子束进行成像的，这就要求样品的厚度必

须证在电子束可穿透的尺寸范围。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备手

段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的程度。能否直接利用样品表面材料的

物质性能进行微观成像，成为科学家追求的目标。经过努力，这种想法已成为现

实扫描电子显微镜。扫描电镜是介于

(ScanningElecronicMicroscopy,SEM)

透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段。

第一节扫描电镜的工作原理

工作过程：

由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下，

经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚

焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈。在它的作用下使电子束在样品表

面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电

子、背反射电子、吸收电了、射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些

X

信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。

由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，

电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这

样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频

信号，完成一帧图像。从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

第二节扫描电镜的结构

扫描电镜包含以下部分：

1.电子光学部分

该系统由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成。它的作用与透射

电镜不同，仅仅用来获得扫描电子束。显然，扫描电子束应具有较高的亮度和尽

可能小的束斑直径。

（）电子枪

1

目前使用中的扫描电镜大多为普通热阴极电子枪，由于受到钨丝阴极发射

率较的限制，需要较大的发射截面，才能获得足够的电子束强度。其优点是灯

丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率，发射源直径

较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5~7nm，

因此仪器分辨率受到限制。

现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（）或场发射电子枪，使二次电

LaB6

子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度。

以上两种电子枪都属于热发射电子枪。

场发射电子枪分为冷场和热场发射两种，一般在扫描电镜中采用冷场发射。

它是利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子的，所

以叫做场致发射简称场发射。

()

（）电磁透镜

2

其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50mm的束斑缩

小成一个只有数的细小束斑。其工作原理与透射电镜中的电磁透镜相同。扫

nm

描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第

三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二

次电子轨迹的干扰。

在光学系统中，扫描电镜的最后一个透镜的结构有别于透射电镜，它是采

用上下极靴不同孔径不对称的磁透镜，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，从

而减少样品表面的磁场，避免磁场对二次电子轨迹的干扰，不影响对二次电子的

收集。

另外、末级透镜中要有一定的空间，用来容纳扫描线圈和消像散器。

（）扫描线圈扫描线圈是扫描电镜的一个十分重要的部件。其作用是提

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供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信

号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。它一

般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间。

（）样品室

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样品室中主要部件是样品台。它能进行三维空间的移动，还能倾斜和转动，