掃描電子顯微鏡

1、掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具，主要是利用二次電子信號(hào)成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個(gè)像是在樣品被掃描時(shí)按時(shí)序建立起來的，即使用逐點(diǎn)成像的方法獲得放大像。掃描電鏡（SEM）是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進(jìn)行微觀成像。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是，有較高的放大倍數(shù)，20-20萬倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；試樣制備簡(jiǎn)單

2、。 目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀（EDS）裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析，因此它是當(dāng)今十分有用的科學(xué)研究?jī)x器。一、基本原理掃描電子顯微鏡的制造依據(jù)是電子與物質(zhì)的相互作用。掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對(duì)這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測(cè)試試樣表面形貌的觀察。當(dāng)一束極細(xì)的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子)、電子振蕩（等離子體）。掃描式電子顯微

3、鏡的電子束不穿過樣品，僅在樣品表面掃描激發(fā)出次級(jí)電子。放在樣品旁的閃爍晶體接收這些次級(jí)電子，通過放大后調(diào)制顯像管的電子束強(qiáng)度，從而改變顯像管熒光屏上的亮度。顯像管的偏轉(zhuǎn)線圈與樣品表面上的電子束保持同步掃描，這樣顯像管的熒光屏就顯示出樣品表面的形貌圖像，這與工業(yè)電視機(jī)的工作原理相類似。 掃描式電子顯微鏡的分辨率主要決定于樣品表面上電子束的直徑。放大倍數(shù)是顯像管上掃描幅度與樣品上掃描幅度之比，可從幾十倍連續(xù)地變化到幾十萬倍。掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品；圖像有很強(qiáng)的立體感；能利用電子束與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生的次級(jí)電子、吸收電子和 X射線等信息分析物質(zhì)成分。 背散射電子背散射電子是指被固體樣品原子

4、反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。彈性背反射電子是指倍樣品中原子和反彈回來的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數(shù)千到數(shù)萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏。從數(shù)量上看，彈性背反射電子遠(yuǎn)比非彈性背反射電子所占的份額多。 背反射電子的產(chǎn)生范圍在100nm-1mm深度。背反射電子產(chǎn)額和二次電子產(chǎn)額與原子序束的關(guān)系背反射電子束成像分辨率一般為50-200nm（與電子束斑直徑相當(dāng)）。背反射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加

5、（右圖），所以，利用背反射電子作為成像信號(hào)不僅能分析新貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性進(jìn)行成分分析。二次電子二次電子是指背入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。二次電子來自表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對(duì)試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照

6、射面積沒有多大區(qū)別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達(dá)到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它主要取決與表面形貌。特征X射線特征X射線試原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級(jí)躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。 X射線一般在試樣的500nm-5m m深處發(fā)出。俄歇電子如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮?，這種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內(nèi)。 俄歇電子是由試

7、樣表面極有限的幾個(gè)原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號(hào)適用與表層化學(xué)成分分析。產(chǎn)生的次級(jí)電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，次級(jí)電子由探測(cè)體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級(jí)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(jí)電子信號(hào)。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。具體功能用途歸納如下

8、：1、掃描電鏡追求固體物質(zhì)高分辨的形貌，形態(tài)圖像(二次電子探測(cè)器SEI)-形貌分析(表面幾何形態(tài)，形狀，尺寸)2、顯示化學(xué)成分的空間變化，基于化學(xué)成分的相鑒定-化學(xué)成分像分布，微區(qū)化學(xué)成分分析1) 用x射線能譜儀或波譜(EDS or WDS)采集特征x射線信號(hào)，生成與樣品形貌相對(duì)應(yīng)的，元素面分布圖或者進(jìn)行定點(diǎn)化學(xué)成分定性定量分析，相鑒定。 2)利用背散射電子BSE)基于平均原子序數(shù)(一般和相對(duì)密度相關(guān))反差，生成化學(xué)成分相的分布圖像；3)利用陰極熒光，基于某些痕量元素(如過渡金屬元素，稀土元素等)受電子束激發(fā)的光強(qiáng)反差，生成的痕量元素分布圖像。4)利用樣品電流，基于平均原子序數(shù)反差，

9、生成的化學(xué)成分相的分布圖像，該圖像與背散射電子圖像亮暗相反。5)利用俄歇電子，對(duì)樣品物質(zhì)表面1nm表層進(jìn)行化學(xué)元素分布的定性定理分析，掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。利用電鏡的透射或散射電子進(jìn)行其它功能的分析，可以得到材料的其它一些信息。主要有：成分分析、晶體結(jié)構(gòu)分析、粒度分析、陰極發(fā)光觀察二、樣品制備：SEM生物樣品制備：掃描電鏡觀察時(shí)要求樣品必需干燥，并且表面能夠?qū)щ?。?/p>

10、此，在進(jìn)行掃描電鏡微生物樣品制備時(shí)一般都需采用清洗、固定、脫水、干燥及表面鍍金等處理步驟。 生物樣品的制備中，干燥是最關(guān)鍵的步驟。干燥過程除引起樣品收縮之外，水的表面張力會(huì)使樣品表面形貌發(fā)生很大的變化，這對(duì)掃描電鏡的表面形貌觀察特別有害。目前常用的干燥方法主要有空氣干燥法、臨界點(diǎn)干燥法、冰凍干燥法、真空干燥法和莰烯干燥法等?？諝飧稍锓ㄓ址Q自然干燥法，就是將經(jīng)過脫水的樣品，讓其暴露在空氣中使脫水劑逐漸揮發(fā)干燥。此法的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行和節(jié)省時(shí)間，它的致命缺點(diǎn)是在干燥過程中，組織會(huì)因脫水劑揮發(fā)時(shí)表面張力的作用而產(chǎn)生收縮變形。因此，此種方法一般只適用于外殼(表面)較為堅(jiān)硬的樣品。在采用空氣干燥時(shí)，為

11、了減少樣品的收縮變形，除使用易揮發(fā)和表面張力小的脫水劑如乙醇、丙酮等外，還應(yīng)使樣品得到充分固定，特別是須經(jīng)四氧化鋨固定效果才較好。因?yàn)樗鼤?huì)使組織變得較為堅(jiān)硬，使收縮變形減少。臨界點(diǎn)干燥法是一種消除了物相界面(液相氣相)，也就是消除了表面張力來源的干燥方法。這種方法由于沒有表面張力的影響，所以樣品不易收縮和損傷，此法所用的儀器結(jié)構(gòu)不甚復(fù)雜，操作較為方便，所用的時(shí)間也不算長(zhǎng)，一般約2h左右即可完成，所以，是最為常用的方法。所謂臨界點(diǎn)，就是指使物質(zhì)的氣態(tài)和液態(tài)兩相之間達(dá)到相同密度，成為均一流體狀態(tài)時(shí)的溫度和壓力的總稱。此時(shí)的溫度稱臨界溫度；此時(shí)的壓力稱臨界壓力。不同的物質(zhì)都有其特定的臨界點(diǎn)。冰凍干燥

12、是將經(jīng)冰凍的樣品置于高真空中通過升華，除去樣品中的水分或脫水劑的過程。冰凍干燥的基礎(chǔ)是冰(或固態(tài)溶劑)從樣品中升華，也就是使水分從固態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，不經(jīng)過中間的液態(tài),不存在氣相和液相之間的表面張力對(duì)樣品的作用，因此，能較好地避免或減少了在干燥過程中對(duì)樣品的損傷。冰凍干燥方法有兩種，即含水樣品直接冰凍干燥和樣品脫水后從有機(jī)溶劑中冰凍干燥。茨烯干燥法，莰烯是一種樟腦類無色結(jié)晶體，能溶于醚、環(huán)乙烷、環(huán)己烯和氯仿中，室溫下呈固體狀，能在較低的溫度下升華，從固態(tài)直接變成氣態(tài)，表面張力小，故經(jīng)它干燥的樣品較松軟，變形小，操作也較簡(jiǎn)便。d、樣品的表面導(dǎo)電處理金屬鍍膜法是采用特殊裝置將電阻率小的金屬，如金、

13、鉑、鈀、銀及碳等蒸發(fā)后覆蓋在樣品表面的方法。樣品鍍以金屬膜(或碳膜)后，不僅能為入射電子提供通路，消除電荷積累的荷電現(xiàn)象，而且能提高二次電子發(fā)射率，增加倍噪比，提高圖像反差，以便能獲得細(xì)節(jié)豐富和分辯率高的圖像。其次，樣品經(jīng)鍍膜后，還能提高樣品表面的機(jī)械強(qiáng)度，增強(qiáng)耐受電子束轟擊能力，避免起泡、龜裂、穿孔、分解和漂移等不良現(xiàn)象的產(chǎn)生：此外，通過鍍膜能把掃描電鏡的信息來源限定于樣品表面，即防止來自組織內(nèi)部的信息參與成像。真空鍍膜法是利用真空鍍膜儀進(jìn)行的。其原理是在高真空狀態(tài)下(10-3Pa)，使某些金屬物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)以上時(shí)，蒸發(fā)成極細(xì)小的顆粒噴射到樣品上，由于金屬的沉積使樣品表面形成一層薄金屬膜。真

14、空鍍膜法所得的膜，金屬顆粒較粗，膜不夠均勻，操作較復(fù)雜并且費(fèi)時(shí)，因此目前已經(jīng)較少使用。真空蒸發(fā)儀主要用于制造碳膜、碳復(fù)型膜和金屬投影。離子濺射鍍膜法：在低真空中進(jìn)行輝光放電時(shí)，由于離子沖擊，陰極金屬物質(zhì)有飛濺現(xiàn)象稱為濺射。利用離子濺射儀對(duì)樣品進(jìn)行金屬鍍膜的方法，稱為濺射鍍膜法。圖10一4就是這種鍍膜法的原理示意圖。這種裝置很簡(jiǎn)單，主要由真空部分(真空泵)和濺射部分(真空罩)組成，在真空罩內(nèi)裝有陰極和陽極，陰極對(duì)著陽極的一面裝有用于濺射用的金屬靶(黃金靶、鉑靶、白金靶或鈀靶等)，樣品放在陽極的樣品座上面。當(dāng)真空罩內(nèi)的真空度抽到101Pa時(shí)，在陰極與陽極之間加上10003000V的直流電壓，兩極之

15、間產(chǎn)生弧光放電的電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，罩內(nèi)殘余的氣體分子被電離為正離子和電子，正離子被陰極吸引轟擊金屬靶，激發(fā)出金屬顆粒和電子，并被陽極吸引附著在樣品表面而形成金屬導(dǎo)電膜。組織導(dǎo)電法是利用某些金屬鹽溶液對(duì)生物體中的蛋白質(zhì)、脂肪類及淀粉等成分的結(jié)合作用，使樣品表面離子化或產(chǎn)生導(dǎo)電性能好的金屬化合物，從而提高樣品耐受電子束轟擊的能力和導(dǎo)電率。這種方法近年來國(guó)內(nèi)外均有不少報(bào)道。3、 儀器結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡具有由三極電子槍發(fā)出的電子束經(jīng)柵極靜電聚焦后成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，經(jīng)過2-3個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成孔徑角較小，束斑為5-10m m的電子束，并

16、在試樣表面聚焦。 末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束在試樣表面掃描。高能電子束與樣品物質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子，背反射電子，X射線等信號(hào)。這些信號(hào)分別被不同的接收器接收，經(jīng)放大后用來調(diào)制熒光屏的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流與顯象管相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈上的電流同步，因此，試樣表面任意點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)與顯象管熒光屏上相應(yīng)的亮點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。也就是說，電子束打到試樣上一點(diǎn)時(shí)，在熒光屏上就有一亮點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比。換言之，掃描電鏡是采用逐點(diǎn)成像的圖像分解法進(jìn)行的。光點(diǎn)成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最後一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幀圖像。這種掃描方式叫做光柵掃描。掃描電

17、子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。1.真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個(gè)密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。有機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及渦輪分子泵三大類，機(jī)械泵加油擴(kuò)散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對(duì)于裝置了場(chǎng)致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機(jī)械泵加渦輪分子泵的組合。成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。之所以要用真空，主要基于以下兩點(diǎn)原因：電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會(huì)迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時(shí)需要用真空以外，平時(shí)還需要以純氮?dú)饣蚨栊詺怏w充滿

18、整個(gè)真空柱。為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。2.電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)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。<1>電子槍其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點(diǎn)是燈絲價(jià)格較便宜，對(duì)真空度要求不高，缺點(diǎn)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(jí)或三級(jí)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(jí)掃描電鏡采用六硼

19、化鑭（LaB6）或場(chǎng)發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達(dá)到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。<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(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。 掃描電鏡一般有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡，具有較長(zhǎng)的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾。<3>掃描線圈其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹?，以獲得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈試掃

20、描點(diǎn)晶的一個(gè)重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級(jí)透鏡的空間內(nèi)。<4>樣品室樣品室中主要部件是樣品臺(tái)。它出能進(jìn)行三維空間的移動(dòng)，還能傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，樣品臺(tái)移動(dòng)范圍一般可達(dá)40毫米，傾斜范圍至少在50度左右，轉(zhuǎn)動(dòng)360度。 樣品室中還要安置各種型號(hào)檢測(cè)器。信號(hào)的收集效率和相應(yīng)檢測(cè)器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺(tái)還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺(tái)上加熱，冷卻或拉伸，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。近年來，為適應(yīng)斷口實(shí)物等大零件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在125mm以上的大樣品臺(tái)。3.信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)其作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理

21、信號(hào)需要不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)，大致可分為三類：電子檢測(cè)器，應(yīng)急熒光檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。 在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測(cè)器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí)將引起電離；當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時(shí)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(jìn)行放大并轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出，電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。這種檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在很寬的信號(hào)范圍內(nèi)具有正比與原始信號(hào)的輸出，具有很寬的頻帶（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(hào)強(qiáng)度來調(diào)制的，而

22、由檢測(cè)器接收的信號(hào)強(qiáng)度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的反營(yíng)養(yǎng)品表面狀態(tài)的調(diào)制信號(hào)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。4、 主要性能參數(shù)與SEM結(jié)果圖1.放大率與普通光學(xué)顯微鏡不同，在SEM中，是通過控制掃描區(qū)域的大小來控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要掃描更小的一塊面積就可以了。放大率由屏幕/照片面積除以掃描面積得到。所以，SEM中，透鏡與放大率無關(guān)。2.場(chǎng)深在SEM中，位于焦平面上下的一小層區(qū)域內(nèi)的樣品點(diǎn)都可以得到良好的會(huì)焦而成象。這一小層的厚度稱為場(chǎng)深，通常為幾納米厚，所以，SEM可以用于納米級(jí)樣品的三維成像。3.作用體積電子束不僅

23、僅與樣品表層原子發(fā)生作用，它實(shí)際上與一定厚度范圍內(nèi)的樣品原子發(fā)生作用，所以存在一個(gè)作用“體積”。作用體積的厚度因信號(hào)的不同而不同：歐革電子：0.52納米。次級(jí)電子：5，對(duì)于導(dǎo)體，=1納米；對(duì)于絕緣體，=10納米。背散射電子：10倍于次級(jí)電子。特征X射線：微米級(jí)。X射線連續(xù)譜：略大于特征X射線，也在微米級(jí)。4.工作距離工作距離指從物鏡到樣品最高點(diǎn)的垂直距離。如果增加工作距離，可以在其他條件不變的情況下獲得更大的場(chǎng)深。如果減少工作距離，則可以在其他條件不變的情況下獲得更高的分辨率。通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。5.成象次級(jí)電子和背散射電子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次級(jí)電

24、子。6.表面分析歐革電子、特征X射線、背散射電子的產(chǎn)生過程均與樣品原子性質(zhì)有關(guān)，所以可以用于成分分析。但由于電子束只能穿透樣品表面很淺的一層（參見作用體積），所以只能用于表面分析。表面分析以特征X射線分析（EDS）最常用，所用到的探測(cè)器有兩種：能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高，后者非常精確，可以檢測(cè)到“痕跡元素”的存在但耗時(shí)太長(zhǎng)。長(zhǎng)度標(biāo)尺，放大倍數(shù)（Mag），工作電壓（EHT），工作距離（WD）、二次電子（SE）5、 SEM與TEM區(qū)別1、 分析信號(hào)(1)掃描電鏡掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子

25、、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子）、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)X射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。(2)透射電鏡根據(jù)德布羅意（De Broglie,20世紀(jì)法國(guó)科學(xué)家）提出的運(yùn)動(dòng)的微觀粒子具有波粒二象性的觀

26、點(diǎn)，電子束流也具有波動(dòng)性，而且電子波的波長(zhǎng)比可見光要短得多（例如200千伏加速電壓下電子波波長(zhǎng)為0.00251納米），顯然，如果用電子束作光源制成的顯微鏡將具有比光學(xué)顯微鏡高得多的分辨能力。更重要的是，由于電子在電場(chǎng)中會(huì)受到電場(chǎng)力運(yùn)動(dòng)，以及運(yùn)動(dòng)的電子在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這使得使用科學(xué)手段使電子束聚焦和成像成為可能。2、 結(jié)構(gòu)(1)掃描電鏡  1鏡筒  鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統(tǒng)。其作用是產(chǎn)生很細(xì)的電子束(直徑約幾個(gè)nm)，并且使該電子束在樣品表面掃描，同時(shí)激發(fā)出各種信號(hào)。2電子信號(hào)的收集與處理系統(tǒng)  在

27、樣品室中，掃描電子束與樣品發(fā)生相互作用后產(chǎn)生多種信號(hào)，其中包括二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇(Auger)電子等。在上述信號(hào)中，最主要的是二次電子，它是被入射電子所激發(fā)出來的樣品原子中的外層電子，產(chǎn)生于樣品表面以下幾nm至幾十nm的區(qū)域，其產(chǎn)生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像指的就是二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號(hào)。檢測(cè)二次電子的檢測(cè)器的探頭是一個(gè)閃爍體，當(dāng)電子打到閃爍體上時(shí)，就在其中產(chǎn)生光，這種光被光導(dǎo)管傳送到光電倍增管，光信號(hào)即被轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，再經(jīng)前置放大及視頻放大，電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，最后被送到顯像管的柵極。3電子信號(hào)的顯示與記錄系

28、統(tǒng)  掃描電鏡的圖象顯示在陰極射線管(顯像管)上，并由照相機(jī)拍照記錄。顯像管有兩個(gè)，一個(gè)用來觀察，分辨率較低，是長(zhǎng)余輝的管子；另一個(gè)用來照相記錄，分辨率較高，是短余輝的管子4真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)  掃描電鏡的真空系統(tǒng)由機(jī)械泵與油擴(kuò)散泵組成，其作用是使鏡筒內(nèi)達(dá)到10的真空度。電源系統(tǒng)供給各部件所需的特定的電源。(2)透射電鏡1電子光學(xué)部分 整個(gè)電子光學(xué)部分完全置于鏡筒之內(nèi)，自上而下順序排列著電子槍、聚光鏡、樣品室、 物鏡、中間鏡、投影鏡、觀察室、熒光屏、照相機(jī)構(gòu)等裝置。根據(jù)這些裝置的功能不同又可將電子光學(xué)部分分為照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)

29、及圖像觀察和記錄系統(tǒng)。(1)照明系統(tǒng) 照明系統(tǒng)由電子槍、聚光鏡和相應(yīng)的平移對(duì)中及傾斜調(diào)節(jié)裝置組成。它的作用是為成像系統(tǒng)提供一束亮度高、相干性好的照明光源。為滿足暗場(chǎng)成像的需要照明電子束可在2-3度范圍內(nèi)傾斜。 電子槍它由陰極、柵極和陽極構(gòu)成。在真空中通電加熱后使從陰極發(fā)射的電子獲得較高的動(dòng)能形成定向高速電子流。 聚光鏡聚光鏡的作用是會(huì)聚從電子槍發(fā)射出來的電子束，控制照明孔徑角、電流密度和光斑尺寸。(2)樣品室 樣品室中有樣品桿、樣品杯及樣品臺(tái)。 (3)成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)一般由物鏡、中間鏡和投影鏡組成。物鏡的分辨本領(lǐng)決定了電鏡的分辨本領(lǐng)，中間鏡和投

30、影鏡的作用是將來自物鏡的圖像進(jìn)一步放大。(4)圖像觀察與記錄系統(tǒng)  該系統(tǒng)由熒光屏、照相機(jī)、數(shù)據(jù)顯示等組成。 2真空系統(tǒng) 真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、換向閥門、真空測(cè)量?jī)x奉及真空管道組成。它的作用是排除鏡筒內(nèi)氣體，使鏡筒真空度至少要在 托以上。如果真空度低的話，電子與氣體分子之間的碰撞引起散射而影響襯度，還會(huì)使電子?xùn)艠O與陽極間高壓電離導(dǎo)致極間放電，殘余的氣體還會(huì)腐蝕燈絲，污染樣品。    3供電控制系統(tǒng)  加速電壓和透鏡磁電流不穩(wěn)定將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的色差及降低電鏡的分辨本領(lǐng)，所以加速電壓和

31、透鏡電流的穩(wěn)定度是衡量電鏡性能好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。 透射電鏡的電路主要由高壓直流電源、透鏡勵(lì)磁電源、偏轉(zhuǎn)器線圈電源、電子槍燈絲加熱電源，以及真空系統(tǒng)控制電路、真空泵電源、照相驅(qū)動(dòng)裝置及自動(dòng)曝光電路等部分組成。另外，許多高性能的電鏡上還裝備有掃描附件、能譜議、電子能量損失譜等儀器 。  三、功能(1)掃描電鏡1、掃描電鏡追求固體物質(zhì)高分辨的形貌，形態(tài)圖像（二次電子探測(cè)器SEI)-形貌分析(表面幾何形態(tài)，形狀，尺寸）2、顯示化學(xué)成分的空間變化，基于化學(xué)成分的相鑒定-化學(xué)成分像分布，微區(qū)化學(xué)成分分析1)用x射線能譜儀或波譜（EDS or WDS）采集特征X射線

32、信號(hào)，生成與樣品形貌相對(duì)應(yīng)的，元素面分布圖或者進(jìn)行定點(diǎn)化學(xué)成分定性定量分析，相鑒定。 2)利用背散射電子(BSE）基于平均原子序數(shù)(一般和相對(duì)密度相關(guān)）反差，生成化學(xué)成分相的分布圖像； 3)利用陰極熒光，基于某些痕量元素（如過渡金屬元素，稀土元素等）受電子束激發(fā)的光強(qiáng)反差，生成的痕量元素分布圖像。 4)利用樣品電流，基于平均原子序數(shù)反差，生成的化學(xué)成分相的分布圖像，該圖像與背散射電子圖像亮暗相反。 5)利用俄歇電子，對(duì)樣品物質(zhì)表面1nm表層進(jìn)行化學(xué)元素分布的定性定理分析。3、在半導(dǎo)體器件（IC)研究中的特殊應(yīng)用： 1）利用電子束感生電流EBIC進(jìn)行成像，可以用來進(jìn)行集成電路中pn結(jié)的定位和損傷

33、研究 2）利用樣品電流成像，結(jié)果可顯示電路中金屬層的開、短路，因此電阻襯度像經(jīng)常用來檢查金屬布線層、多晶連線層、金屬到硅的測(cè)試圖形和薄膜電阻的導(dǎo)電形式。 3）利用二次電子電位反差像，反映了樣品表面的電位，從它上面可以看出樣品表面各處電位的高低及分布情況，特別是對(duì)于器件的隱開路或隱短路部位的確定尤為方便。4、利用背散射電子衍射信號(hào)對(duì)樣品物質(zhì)進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)（原子在晶體中的排列方式），晶體取向分布分析，基于晶體結(jié)構(gòu)的相鑒定。(2)透射電鏡早期的透射電子顯微鏡功能主要是觀察樣品形貌，后來發(fā)展到可以通過電子衍射原位分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)。具有能將形貌和晶體結(jié)構(gòu)原位觀察的兩個(gè)功能是其它結(jié)構(gòu)分析儀器（如光鏡和X射

34、線衍射儀）所不具備的。透射電子顯微鏡增加附件后，其功能可以從原來的樣品內(nèi)部組織形貌觀察（TEM）、原位的電子衍射分析（Diff），發(fā)展到還可以進(jìn)行原位的成分分析（能譜儀EDS、特征能量損失譜EELS）、表面形貌觀察（二次電子像SED、背散射電子像BED）和透射掃描像（STEM）。結(jié)合樣品臺(tái)設(shè)計(jì)成高溫臺(tái)、低溫臺(tái)和拉伸臺(tái)，透射電子顯微鏡還可以在加熱狀態(tài)、低溫冷卻狀態(tài)和拉伸狀態(tài)下觀察樣品動(dòng)態(tài)的組織結(jié)構(gòu)、成分的變化，使得透射電子顯微鏡的功能進(jìn)一步的拓寬。透射電子顯微鏡功能的拓寬意味著一臺(tái)儀器在不更換樣品的情況下可以進(jìn)行多種分析，尤其是可以針對(duì)同一微區(qū)位置進(jìn)行形貌、晶體結(jié)構(gòu)、成分（價(jià)態(tài)）的全面分析。四、襯度原理(1)掃描電鏡1、質(zhì)厚襯度 質(zhì)厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來源。樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度的差異形成的。來源于電子的非相干散射，Z越高，產(chǎn)生散射的比例越