电子显微技术--扫描电子显微镜

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1、第五章电子显微技术第一节扫描电子显微镜（SEM）一、扫描电镜的结构和基本原理扫描电镜是利用细聚焦的电子束，在样品表面逐点扫描，用探测器收集在电子束作图5-1KYKY-1000B扫描电镜外貌图用下，样品中产生的电子信号，把信号转换成图像的仪器。扫描电镜的结构分为电子光学系统，信号收集、图像显示和记录系统，真空系统。图5-1、图5-2为扫描电镜外型图和主机构造示意图。（一）光学系统这部分主要由电子枪，电磁透镜，扫描线圈，样品室组成，电子枪提供一个稳定的电子源，形成电子束，一般使用钨丝阴极电子枪，用直径约

2、为0.1mm的钨丝，弯成发夹形，形成半径约为100µm的V型尖端，当灯丝电流通过时，灯丝被加热，达到工图5-2扫描电镜主机结构作温度后便发射电子，在阴极和阳极间加有高压，这些电子则向阳极加速运动，形成电子束。电子束在高压电场作用下，被加速通过阳极轴心孔进入电磁透镜系统。该系统由聚光镜和物镜组成，其作用是依靠透镜的电磁场与运动电子相互作用使电子束聚焦将电子枪发射的电子束约10~50µm,压缩成5~20nm，缩小约1/10000。聚光镜可以改变入射到样品上电子束流的大小，物镜决定电子束束斑的直径。电子光

3、学系统中存在球差，色差，象散，影响最终图象的质量。球差的产生是远离光轴轨迹上运动的电子比近轴电子受到的聚焦作用更强。克服的方法是在电子光学的光轴中加三级固定光阑挡住发散的电子束，光阑通常采用厚度为0﹒05mm的钼片制作，物镜产生的象散器提供一个与物镜不均匀磁场相反的校正磁场，使物镜最终形成一个对称磁场，产生一束细聚焦的电子束。扫描系统主要包括扫描发生器，扫描线圈和放大倍率变换器，扫描发生器由X扫描发生器和Y扫描发生器组成，产生不同频率的锯齿波信号同步地送入镜筒中的扫描线圈和显示系统CRT中的扫描线圈

4、上。镜筒的扫描线圈分上、下双偏转扫描装置。其作用是使电子束正好落在物镜光阑孔中心，并在样品上进行光栅扫描。配置附件可对下扫描线圈加以控制，开展选区电子通道花样的工作。扫描方式分点扫描、线扫描、面扫描和Y调制扫描。扫描电镜图像的放大倍率是通过改变电子束偏转角度来调节的。放大倍数等于CRT面积与电子束在样品上扫描面积之比，减小样品上扫描面积，就可增加放大倍率。不同放大倍率在样品上扫描的面积见表5—1。表5-1不同放大倍率在样品上扫描面积放大倍率样品上面积209.8×8mm1001.96×1.6mm100

5、00.196×0.16mm1000019.6×16μm1000001.96×1.6μm电子束在样品上扫描面积，由扫描线圈产生的激励磁场控制，可以连续调节，所以扫描电镜的放大倍率是可以连续调节的。样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。各种不同信号的收集和相应检测器的安放位置有很大的关系，如果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱。从而影响分析精度。样品台本身是一个复杂而精密的组件，它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移，倾斜和转动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电子显微镜

6、的样品室实际上是一个微型试验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验（如拉伸和疲劳）。（二）信号的收集和图象显示系统高能电子束与样品相互作用产生各种信息，如图5—3所示，在扫描电镜中采用不同的探测器接收这些信号，这里主要介绍二次电子信号的接收和成像原理。二次电子的探测系统见图5—4，它包括静电聚焦电极（收集极），闪烁体探头，光导管，光电倍增管和前置放大器。二次电子在收集极的作用下（+500V），被引导到探测器打在闪烁体探头上，探头表面喷涂厚约数百埃金属铝膜及荧光物质。在铝膜

7、上加+10KV高压，以保证静电聚焦极收集到的绝大部分电子落到闪烁体探头顶部。在二次电子轰击下闪烁体释放出光子束，它沿着光导管传到光电倍增管的阴极上。光电倍增管通常采用13极百叶窗式倍增极，总增益在105～106，光电阴极把光信号转变成电信号并加以放大输出，进入视频放大器直至CRT的栅极上。显图5—3高能电子束与样品作用产生示屏上信号波形的幅度和电压受输入二次电子信的物理信息号强度调制，从而改变图象的反差和亮度。一般的扫描电镜二次电子探测器均在物镜下面，当样品置于物镜内部时，焦距极短，使象差达到最小的

8、程度，从而得到高的分辨率图像，二次电子分辨率可达35Å。图5—4二次电子成象原理显示单元装有长余辉CRT供观察用，一个高分辨率短余辉CRT进行照像，相机配有用普通120胶卷的自动相机，照出6×9底片8张，并将底片编号、高压数值、放大倍率和标尺记录在底片上。有的扫描电镜还配置字符输入附件，可以在图像某一位置输入字符或数字，以备分析时辨认。（三）真空系统真空系统在电子光学仪器中十分重要，扫描电镜要求其真空度高于10-3～10-5Pa，否则，会导致：1．电子束的被散射加大；