SEM的结构及工作原理.ppt

只做学术交流之用，请勿做商只做学术交流之用，请勿做商业用途，转载请说明出处！业用途，转载请说明出处！SEM的结构及工作原理蒋长军SEM的特点和工作原理的特点和工作原理1965年第一台商用年第一台商用SEM问世问世;EM能弥补透射电镜样品制备要求能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点很高的缺点;景深大景深大;放大倍数连续调节范围大放大倍数连续调节范围大;分辨本领比较高；分辨本领比较高；样品制备非常方便样品制备非常方便可直接观察大块试样可直接观察大块试样固体材料样品表面和界面分析固体材料样品表面和界面分析适合于观察比较粗糙的表面：适合于观察比较粗糙的表面：材料断口和显微组织三维形态材料断口和显微组织三维形态扫描电镜能完成：扫描电镜能完成：表（界）面形貌分析；表（界）面形貌分析；配置各种附件，做表面成配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分分析及表层晶体学位向分析等。分析等。扫描电镜的成像原理，和透扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。点逐行扫描成像。扫描电镜由六个系统组成扫描电镜由六个系统组成(1)电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）(2)扫描系统扫描系统(3)信号收集系统信号收集系统(4)图像显示和记录系统图像显示和记录系统(5)真空系统真空系统(6)电源系统电源系统由电子枪发出的电子，经过由电子枪发出的电子，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、背散射电子、吸收电子、X射线、射线、俄歇电子等。俄歇电子等。（1 1）背散射电子背散射电子 入入射射电电子子与与试试样样作作用用，产产生生弹弹性性或或非非弹弹性性散散射射后后离离开开试试样样表表面面的的电电子子称称为为背背散散射射电电子子。通通常常背背散散射射电电子子的的能能量量较较高高，基基本本上上不不受受电电场场的的作作用用而而呈呈直直线线运运动动进进入入检检测测器器。背背散散射射电电子子的强度与试样表面形貌和组成元素有关。的强度与试样表面形貌和组成元素有关。背散射背散射电电子子二次二次电电子子样样样样品品品品真空真空 (2)二次电子 背入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。(3)特征特征X射线射线 特征X射线试原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。X射线一般在试样的500nm-5m m深处发出。各元素都有自己的特征X射线，因此可用来进行微区成分分析。（4）俄歇电子俄歇电子 如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。两种信号模式两种信号模式samplesampleSESEBSEBSEElectrodee e-UpperSEDetectorSEmodeSEmodeSESEBSEBSESE+BSEmodeSE+BSEmodeExBsamplesampleElectrodee e-UpperUpperSEDetectorSEDetectorExBSE+BSESENiHV:2kVMag:20kXSample:Ni/AlCompoundmaterial一、放大倍数 扫描电镜的放大倍率M取决于显像管荧光屏尺寸S2和入射束在试样表面扫描距离S1之比，即扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能12SSM=二、分辨率 扫描电镜的分辨率有两重意义：对微区成分而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。这两者主要决定入射电子束的直径，但并不直接等于直径。二是由所接收信号的激发区域半径决定。SEM的分辨本领与以下因素有关：1)入射电子束束斑直径 入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。2)2)入射束在样品中的扩展效应入射束在样品中的扩展效应电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。由图可子序数越小，则电子束作用体积越大。由图可以看出，只有在离样品表面深度以看出，只有在离样品表面深度2区产生的背散区产生的背散射电子有可能逸出样品表面，二次电子信号在射电子有可能逸出样品表面，二次电子信号在5-10nm深处的逸出，吸收电子信号、一次深处的逸出，吸收电子信号、一次X射射线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理信号来自不同的深度和广度。信号来自不同的深度和广度。入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同分别等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领。的物理信号调制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射电子束直径，一般为电子束直径，一般为6-10nm，背散射电子为，背散射电子为50-200nm，吸收电子和，吸收电子和X射线为射线为100-1000nm。影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁场和机械震动等。场和机械震动等。SEM景深很大。它的景深取决于分辨本领和景深很大。它的景深取决于分辨本领和电子束入射半角电子束入射半角ac。由图可知，扫描电镜的景。由图可知，扫描电镜的景深深F为为因为因为ac很小，所以上式可写作很小，所以上式可写作三、景三、景 深深 谢谢 谢谢！