扫描电镜分析

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1、1.1扫描电子显微镜电子光学原理1.1.1瑞利公式利用光学显微系统将细节放大，满足人眼分辨率可以接受的程度，最大分辨率可达到200nm(放大倍数1000倍)。根据瑞利公式：Ar0=0.61入/(Nsina)其中:△r0为辨率；入为光源的波长；N为介质的折射率；a为孔径半角，即透镜对物点的张角的一半；Nsina称为数值孔径，常用N.A表示。根据瑞利公式，提高分辩率的途径有：⑴增大数值孔径(Nsina),即增大介质折射率N和数值孔径a；(2)减小照明光源波长入。在以空气为介质的情况下，光学透镜系统的N.A

2、<1,采用油侵透镜，N.Amax=1.35o因此得：Armin=X/2。所以提高显微镜分辨率的根本途径是寻求一种波长更短的光源[2]!既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展，人们自然会想到：要想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应该更换波长更短的光源。随着人们对电磁波的认识，人们了解到：在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米,使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。电子枪会聚透镜—1.1.2扫描电镜成像图为扫描电镜原理示意图,物镶光栏物镜由电子枪发射的电子束，经会聚镜、物

3、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。在扫描线圈磁场作月下，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，由二次电子收集器收集、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。rtr丁•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

4、“物点”和“像点”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loo万个图像单元。正因为如此，才使得sem不仅显示-•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。1・2扫描电镜结构及原理1.2,1SEM装置的结构的构造图为扫描电镜结构示意图，由图可知SEM由形成电子探针的电子光学系统、装载样品用的样品台、检测二次电子的二次电子检测器、观察图像的显示系统及进行各种操作的操作系统等构成，电子光学系统由用于形成电子探针的电子枪、聚光镜、物镜和

5、控制电子探针进行扫描的扫描线圈等构成，电子光学系统（镜筒内部）以及样品周I韦I的空间为真空状态［8］。镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。其作用是产生很细的电子束（直径约儿个nm）,并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。1.2.2电子枪灯ItlDBitSma电子枪是电子束的产生系统，图1-5是热发射电子枪的构造图。将细（0.1mm左右）乍乌丝做成的*J丝（阴极）进彳丁咼温加热（2800K左右）后,会发射热电子，此吋给相向设置的金属板邙日极）加以正高圧（1〜30RV）,热电子会汇集成电子

6、束流向阳极，若在阳极屮央开一个孔，电子束会通过这个孔流岀，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被称为交叉点（Crossover）,成为实际的光源（电子源），其直径为15〜20卩叽以上说明的是最帘用的热发射电子枪，此外还有场发射电子枪和肖特基发射电子枪等。热发射电子枪的阴极除使用钩丝外，还使用单晶六硼化澜（SB6）,LaB6由于活性很强，所以需要在高真空中工作。1.2.3图像的显示和记录二次电子检测器的输出信号被增益

7、后送至显示系统，由于显示系统上的扫描与电子探针的扫描是同步的，显示系统的画面根据二次电子的数量呈现出亮度变化,形成SEM图像。显像管作为显示系统曾被使用了很长一段时间，近来被广泛使用的是液晶显示器。通常，电子探针的扫描速度有几档可以切换，观察时可使用极快的扫描速度，拍摄和保存图像时可使用较慢的扫描速度。记录SEM图像，从前是用相机拍摄显像管上显示的SEM图像，现在是以数字格式（电子文件）的形式进行记录，一方面是由于高分辨的显像管很少，另一方面用电子文件进行各种图像处理和信息传输即简单又方便，现在一般使

8、用的图像格式在100万像素左右。1.2.4SEM的放大倍率d显示单元放大倍車M=D/d图为扫描电镜的放大倍率示意图，由图可知电子束在样品的表面进行二维扫描时，显示单元的屏幕上会出现SEM图像，改变电子束的扫描宽度，SEM图像的放大倍率会发生改变。由于显示器屏幕的大小是固定的，减小扫描宽度，会提高放大倍率，增大扫描宽度，会缩小放大倍率。例如，显示器屏幕尺寸为10cm,扫描电子显微镜的扫描宽度为1mm的话，放大倍率就是100倍，如果扫描宽度为10Um的话，则