光電檢測技術(shù)論文

1、sem的基本原理及系統(tǒng)分析摘要：本文首先介紹了sem的系統(tǒng)，并從原理出發(fā)導(dǎo)出了sem的構(gòu)造，最后介紹了sem的應(yīng)用和展望。關(guān)鍵詞：掃描電鏡，電子槍 an fundamental principle and system analysis of scanning electron microscopeabstract：this paper introduces the system analysis of sem and sem derived from the principle of starting the construction, and finally introduces appl

2、ication of sem , summed up the prospect of sem.key words：sem, electron gun1 引言sem是近十余年才發(fā)展起來的。它的電子束路徑附好與透射電鏡的相側(cè)逆。掃描電鏡在幾個方面具有明顯的優(yōu)越性，它的成象有較大的景深，不需作樣品表面的復(fù)型，可以觀察游離細胞、血細胞的表面結(jié)構(gòu)和染色體的次級羅紋，其分辨率已經(jīng)達到2nm左右。掃描電鏡利用電子束在晶體中的通道效應(yīng)可作選區(qū)電子衍射，進行微區(qū)空間結(jié)構(gòu)的分析，選區(qū)范圍可小到10nm若帶上x光微區(qū)分析儀后，可利用樣品在電子束作用下發(fā)出的特征x線來進行表面微區(qū)元素成份分析，精度可達10-16g數(shù)量

3、級。還可利用樣品在電子束作用下的熒光效應(yīng)來作熒光特性分析。本文主要對sem對一個概括性介紹。2 基本原理 sem的工作原理是用一束極細的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的有關(guān)，次級電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，再?jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹姸?，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了的表面結(jié)構(gòu)。為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級電子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級電子信號。由電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)過兩級匯聚鏡和一級物鏡聚焦后，直徑可縮小到4

4、nm，當(dāng)電子束在樣品表面掃描時，與樣品發(fā)生作用，激發(fā)出各種信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、俄歇電子、特征x射線等，在較大的樣品室內(nèi)裝有各種探測器，以檢測各種信號，例如，二次電子探測器用以檢測二次電子，背散射電子探測器用以檢測背散射電子，x射線探測器用以檢測特征x射線等等。使反映樣品形貌、成分及其他物化性能的各種信號都能得到檢測，然后經(jīng)放大和信號處理，并以此信號來調(diào)制同步掃描的顯象管亮度，在顯象管的熒光屏上就可得到各種信息的樣品圖象。同時，利用特征x射線，還能得到樣品的成分。掃描電子顯微鏡儀器構(gòu)造：(1) 電子槍。電子槍有熱電子發(fā)射型和場發(fā)射型兩種。其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生

5、高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點是燈絲價格較便宜，對真空度要求不高，缺點是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經(jīng)過二級或三級聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器分辨率受到限制?，F(xiàn)在，高等級掃描電鏡采用六硼化鑭（lab6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。為了獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。(2) 電磁透鏡。其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50m m的束斑縮小成一個只有數(shù)nm的細小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。 掃描電鏡

6、一般有三個聚光鏡，前兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的干擾。 (3) 掃描系統(tǒng)。它是掃描電鏡成象的一個重要組成部分，它的功能是使聚焦后的電子束在樣品表面做光柵掃描。(4) 樣品室。樣品室中主要部件是樣品臺。它出能進行三維空間的移動，還能傾斜和轉(zhuǎn)動，樣品臺移動范圍一般可達40毫米，傾斜范圍至少在50度左右，轉(zhuǎn)動360度。 樣品室中還要安置各種型號檢測器。信號的收集效率和相應(yīng)檢測器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺上加熱，冷卻或拉伸，可進行動態(tài)觀察。近年來，為適應(yīng)斷口實物等大零

7、件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在125mm以上的大樣品臺。(5) 檢測器。其作用是檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，大致可分為三類：電子檢測器，應(yīng)急熒光檢測器和x射線檢測器。 在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成（見下圖）。 當(dāng)信號電子進入閃爍體時將引起電離；當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時產(chǎn)生可見光。光子沿著沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進行放大并轉(zhuǎn)變成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。這種檢測系統(tǒng)的特點是在很寬的信號范圍內(nèi)具有正比與原始信號的輸出，具有很

8、寬的頻帶（10hz-1mhz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強度來調(diào)制的，而由檢測器接收的信號強度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監(jiān)測系統(tǒng)輸出的反營養(yǎng)品表面狀態(tài)的調(diào)制信號在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。(6) 真空系統(tǒng)。為了使外部粒子對電子束的干擾盡可能的最小，要求鏡筒內(nèi)的真空度盡可能的高，如果鏡筒內(nèi)真空壓力大于10-2乇就會導(dǎo)致高壓放電，樣品污染。jxa-840使用一個油旋轉(zhuǎn)泵和兩個串聯(lián)的油擴散泵。其鏡筒內(nèi)真空度為10-4乇。(7) 顯示與記錄系統(tǒng)。

9、從檢測系統(tǒng)輸入的信號，同時顯示在觀察用的大crt上和照相記錄用的小crt上。顯示系統(tǒng)為了目視觀察方便，使用的是12英寸，長余輝，高分辨的大熒光屏，照相記錄系統(tǒng)使用的是5英寸，短余輝，超高分辨的小熒光屏。在熒光屏的上面裝有一臺mamiya相機。使用120膠卷記錄。(8) 電源電路系統(tǒng)。jxa-840的電路系統(tǒng)由高壓電路、透鏡電源、掃描電源、二次電子加速電源和光電倍增管電源等組成。(9) 波譜儀。波譜儀是利用樣品產(chǎn)生的特征x射線的波長和強度進行成分分析的儀器。jxa-840掃描電鏡所配的波譜附件是733型波譜儀。(10) 能譜儀。能譜儀是利用樣品產(chǎn)生的特征x射線的能量和強度進行成分分析的儀器。jx

10、a-840掃描電鏡所配的能譜附件是edax pv9100型能譜儀。三應(yīng)用研究 掃描電子顯微鏡是一種多功能的儀器、具有很多優(yōu)越的性能、是用途最為廣泛的一種儀器它可以進行如下基本分析：（1） 三維形貌的觀察和分析；（2） 在觀察形貌的同時，進行微區(qū)的成分分析。 1觀察納米材料，所謂納米材料就是指組成材料的顆粒或微晶尺寸在0.1-100nm范圍內(nèi)，在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。納米材料具有許多與晶體、非晶態(tài)不同的、獨特的物理化學(xué)性質(zhì)。納米材料有著廣闊的發(fā)展前景，將成為未來材料研究的重點方向。掃描電子顯微鏡的一個重要特點就是具有很高的分辨率?，F(xiàn)已廣泛用于觀察納米材料。 2進口材料斷口

11、的分析：掃描電子顯微鏡的另一個重要特點是景深大，圖象富立體感。掃描電子顯微鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學(xué)顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大，故所得掃描電子象富有立體感，具有三維形態(tài)，能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息，這個特點對使用者很有價值。掃描電子顯微鏡所顯示餓斷口形貌從深層次，高景深的角度呈現(xiàn)材料斷裂的本質(zhì)，在教學(xué)、科研和生產(chǎn)中，有不可替代的作用，在材料斷裂原因的分析、事故原因的分析已經(jīng)工藝合理性的判定等方面是一個強有力的手段。 3直接觀察大試樣的原始表面，它能夠直接觀察直徑100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對試樣的形狀沒有任何限制，粗糙表面也能觀察，這便免除了制備樣品的麻煩

12、，而且能真實觀察試樣本身物質(zhì)成分不同的襯度（背反射電子象）。 4觀察厚試樣，其在觀察厚試樣時，能得到高的分辨率和最真實的形貌。掃描電子顯微的分辨率介于光學(xué)顯微鏡和透射電子顯微鏡之間，但在對厚塊試樣的觀察進行比較時，因為在透射電子顯微鏡中還要采用復(fù)膜方法，而復(fù)膜的分辨率通常只能達到10nm，且觀察的不是試樣本身。因此，用掃描電子顯微鏡觀察厚塊試樣更有利，更能得到真實的試樣表面資料。 5觀察試樣的各個區(qū)域的細節(jié)。試樣在樣品室中可動的范圍非常大，其他方式顯微鏡的工作距離通常只有2-3cm，故實際上只許可試樣在兩度空間內(nèi)運動，但在掃描電子顯微鏡中則不同。由于工作距離大（可大于20mm）。焦深大（比透射

13、電子顯微鏡大10倍）。樣品室的空間也大。因此，可以讓試樣在三度空間內(nèi)有6個自由度運動（即三度空間平移、三度空間旋轉(zhuǎn)）。且可動范圍大，這對觀察不規(guī)則形狀試樣的各個區(qū)域帶來極大的方便。 6在大視場、低放大倍數(shù)下觀察樣品，用掃描電子顯微鏡觀察試樣的視場大。在掃描電子顯微鏡中，能同時觀察試樣的視場范圍f由下式來確定：f=l/m式中 f視場范圍；m觀察時的放大倍數(shù)；l顯象管的熒光屏尺寸。若掃描電鏡采用30cm（12英寸）的顯象管，放大倍數(shù)15倍時，其視場范圍可達20mm，大視場、低倍數(shù)觀察樣品的形貌對有些領(lǐng)域是很必要的，如刑事偵察和考古。 7進行從高倍到低倍的連續(xù)觀察，放大倍數(shù)的可變范圍很寬，且不用經(jīng)常

14、對焦。掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)范圍很寬（從5到20萬倍連續(xù)可調(diào)），且一次聚焦好后即可從高倍到低倍、從低倍到高倍連續(xù)觀察，不用重新聚焦，這對進行事故分析特別方便。 8觀察生物試樣。因電子照射而發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小。同其他方式的電子顯微鏡比較，因為觀察時所用的電子探針電流?。ㄒ话慵s為10-10 -10-12a）電子探針的束斑尺寸?。ㄍǔＪ?nm到幾十納米），電子探針的能量也比較?。铀匐妷嚎梢孕〉?kv）。而且不是固定一點照射試樣，而是以光柵狀掃描方式照射試樣。因此，由于電子照射面發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小，這一點對觀察一些生物試樣特別重要。 9進行動態(tài)觀察。在掃描電子顯微鏡中，成象的信

15、息主要是電子信息，根據(jù)近代的電子工業(yè)技術(shù)水平，即使高速變化的電子信息，也能毫不困難的及時接收、處理和儲存，故可進行一些動態(tài)過程的觀察，如果在樣品室內(nèi)裝有加熱、冷卻、彎曲、拉伸和離子刻蝕等附件，則可以通過電視裝置，觀察相變、斷烈等動態(tài)的變化過程。 10從試樣表面形貌獲得多方面資料，在掃描電子顯微鏡中，不僅可以利用入射電子和試樣相互作用產(chǎn)生各種信息來成象，而且可以通過信號處理方法，獲得多種圖象的特殊顯示方法，還可以從試樣的表面形貌獲得多方面資料。因為掃描電子象不是同時記錄的，它是分解為近百萬個逐次依此記錄構(gòu)成的。因而使得掃描電子顯微鏡除了觀察表面形貌外還能進行成分和元素的分析，以及通過電子通道花樣

16、進行結(jié)晶學(xué)分析，選區(qū)尺寸可以從10m到3m。由于掃描電子顯微鏡具有上述特點和功能，所以越來越受到科研人員的重視，用途日益廣泛?，F(xiàn)在掃描電子顯微鏡已廣泛用于材料科學(xué)（金屬材料、非金屬材料、鈉米材料）、冶金、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體材料與器件、地質(zhì)勘探、病蟲害的防治、災(zāi)害（火災(zāi)、失效分析）鑒定、刑事偵察、寶石鑒定、工業(yè)生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量鑒定及生產(chǎn)工藝控制等。4 展望隨著sem的應(yīng)用范圍不斷擴大，和cem的情況一樣，在試樣裝置上下了不少工夫。除了試樣傾斜和旋轉(zhuǎn)外，還有加熱、冷卻、拉伸和壓縮等裝置.一般來說，sem的分辨率比cem低，也許會把這些設(shè)備的研制想得容易些，由于實際上想把尺寸較大的試祥作為觀察對象

17、，加之固定聚光透鏡和試樣裝置困難，所以研制滿意的裝里并不容易，現(xiàn)在仍只限于重復(fù)作些改進而已。為作動態(tài)觀察，也用掃描時間短而合工業(yè)用電視同樣速度的觀察裝置。15為觀察厚試樣復(fù)雜的表面形貌，正在研制著很多新的試樣制作技術(shù)。觀察絕緣材料時，試樣因電子歡射而帶電，妨礙了正常的sem像的形成，為此發(fā)展了試樣表面覆以適當(dāng)厚度金屬簿膜的技術(shù)。特別是對于生物試樣，要求盡量保持試樣原來形狀的干燥法，以及為觀察細胞內(nèi)部等的試樣切割技術(shù)等均有發(fā)展，現(xiàn)在sem在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的領(lǐng)域里的應(yīng)用極為廣泛。今后，在包括機械工程的很多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里，隨著必要的試樣裝置和制樣技術(shù)的發(fā)展，sem的應(yīng)用必將日益擴大。五referenc

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