電鏡SEM掃面電鏡成像原理ppt課件

1、掃描電鏡掃描電鏡 SEMn SEM SEM的特點(diǎn)的特點(diǎn)n SEMSEM成像的物理信號(hào)成像的物理信號(hào) n SEMSEM的構(gòu)造與任務(wù)原理的構(gòu)造與任務(wù)原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像襯度像襯度n SEMSEM樣品制備樣品制備 掃描電鏡的成像原理，和透射電鏡大不一樣，它不用什么透鏡來進(jìn)展放大成像，而是象閉路電視系統(tǒng)那樣，逐點(diǎn)逐行掃描成像。特點(diǎn)特點(diǎn) n儀器分辨身手較高。二次電子像分辨身手可達(dá)儀器分辨身手較高。二次電子像分辨身手可達(dá)1.0nm(1.0nm(場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)發(fā)射),3.0nm(),3.0nm(鎢燈絲鎢燈絲) )；n儀器放大倍數(shù)變化范圍大從幾倍到幾十萬倍，儀器放大倍數(shù)變化范

2、圍大從幾倍到幾十萬倍，且延續(xù)可調(diào)；且延續(xù)可調(diào)；n圖像景深大，富有立體感?？芍苯硬炜雌鸱^大圖像景深大，富有立體感?？芍苯硬炜雌鸱^大的粗糙外表如金屬和陶瓷的斷口等；的粗糙外表如金屬和陶瓷的斷口等；n試樣制備簡(jiǎn)單。塊狀或粉末的試樣不加處置或稍試樣制備簡(jiǎn)單。塊狀或粉末的試樣不加處置或稍加處置，就可直接放到加處置，就可直接放到SEMSEM中進(jìn)展察看中進(jìn)展察看, ,比透射比透射電子顯微鏡電子顯微鏡TEMTEM的制樣簡(jiǎn)單。的制樣簡(jiǎn)單。n SEM SEM的特點(diǎn)的特點(diǎn)n SEMSEM成像的物理信號(hào)成像的物理信號(hào) n SEMSEM的構(gòu)造與任務(wù)原理的構(gòu)造與任務(wù)原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEM

3、SEM像襯度像襯度n SEMSEM樣品制備樣品制備 背散射電子背散射電子 它是被固體樣品中原子反射回來它是被固體樣品中原子反射回來的一部分入射電子。又分彈性背散射的一部分入射電子。又分彈性背散射電子和非彈性背散射電子。背散射電電子和非彈性背散射電子。背散射電子的能量比較高，其約等于入射電子子的能量比較高，其約等于入射電子能量能量 E0E0。二次電子二次電子 它是被入射電子轟擊出來的樣品它是被入射電子轟擊出來的樣品核外電子，又稱為次級(jí)電子。二次電核外電子，又稱為次級(jí)電子。二次電子的能量比較低，普通小于子的能量比較低，普通小于50eV50eV；吸收電子吸收電子 是隨著與樣品中原子核或核外是隨著與樣

4、品中原子核或核外電子發(fā)生非電子發(fā)生非彈性散射次數(shù)的增多，其能量和活彈性散射次數(shù)的增多，其能量和活動(dòng)才干不斷動(dòng)才干不斷降低以致最后被樣品所吸收的入射降低以致最后被樣品所吸收的入射電子。電子。電子在銅中的透射、吸收電子在銅中的透射、吸收和背散射系數(shù)的關(guān)系和背散射系數(shù)的關(guān)系 由圖知，樣質(zhì)量量厚度越大，那么透射系數(shù)越小，而吸收系數(shù)越大；樣品背散射系數(shù)和二次電子發(fā)射系數(shù)的和也越大，但達(dá)一定值時(shí)堅(jiān)持定值。透射透射吸收吸收背散射背散射+二次電子二次電子n SEM SEM的特點(diǎn)的特點(diǎn)n SEMSEM成像的物理信號(hào)成像的物理信號(hào) n SEMSEM的構(gòu)造與任務(wù)原理的構(gòu)造與任務(wù)原理 n SEMSEM的主要性能的主要

5、性能n SEMSEM像襯度像襯度n SEMSEM樣品制備樣品制備 掃描電鏡的構(gòu)造掃描電鏡的構(gòu)造 由五個(gè)系統(tǒng)組成由五個(gè)系統(tǒng)組成(1)(1)電子光學(xué)系統(tǒng)鏡筒電子光學(xué)系統(tǒng)鏡筒 (2)(2)掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)(3)(3)信號(hào)搜集和圖像顯示系統(tǒng)信號(hào)搜集和圖像顯示系統(tǒng)(4)(4)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)(5)(5)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)SEM電子槍發(fā)射的電子束電子槍發(fā)射的電子束經(jīng)過經(jīng)過2-32-3個(gè)電磁透鏡聚焦個(gè)電磁透鏡聚焦信號(hào)強(qiáng)度隨樣品外表特信號(hào)強(qiáng)度隨樣品外表特征而變。它們分別被相征而變。它們分別被相應(yīng)的搜集器接受，經(jīng)放應(yīng)的搜集器接受，經(jīng)放大器按順序、成比例地大器按順序、成比例地放大后，送到顯像管。放大后，送到顯像管。

6、 在樣品外表按順序逐行在樣品外表按順序逐行掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)物理信號(hào): :二次電子、背二次電子、背散射電子、吸收電子等。散射電子、吸收電子等。 (1)電子光學(xué)系統(tǒng)鏡筒電子光學(xué)系統(tǒng)鏡筒 由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室 等部件組成。等部件組成。n掃描電鏡普通有三個(gè)聚光鏡：掃描電鏡普通有三個(gè)聚光鏡：n前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來減少電前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來減少電子束光斑尺寸。子束光斑尺寸。n第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡，具有較長(zhǎng)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的焦距，在該透鏡下方放置樣品可防止磁場(chǎng)對(duì)電子軌跡的干擾。防止

7、磁場(chǎng)對(duì)電子軌跡的干擾。 (2) 掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng) 掃描系統(tǒng)由掃描發(fā)生器和掃描線圈組掃描系統(tǒng)由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。它的作用是：成。它的作用是： 1) 使入射電子束在樣品外表掃描，使入射電子束在樣品外表掃描，并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描；作同步掃描； 2) 改動(dòng)入射束在樣品外表的掃描幅改動(dòng)入射束在樣品外表的掃描幅度，從而改動(dòng)掃描像的放大倍數(shù)。度，從而改動(dòng)掃描像的放大倍數(shù)。 (3) 信號(hào)搜集和圖像顯示系統(tǒng)信號(hào)搜集和圖像顯示系統(tǒng) 掃描電鏡運(yùn)用的物理信號(hào)可分為：掃描電鏡運(yùn)用的物理信號(hào)可分為： 1) 電子信號(hào)，包括二次電子、背散射電子信號(hào)，包括二次電

8、子、背散射電子、透射電子和吸收電子。吸收電子電子、透射電子和吸收電子。吸收電子可直接用電流表測(cè)，其他電子信號(hào)用電可直接用電流表測(cè)，其他電子信號(hào)用電子搜集器；子搜集器； 2) 特征特征X射線信號(hào)，用射線信號(hào)，用X射線譜儀檢射線譜儀檢測(cè)；測(cè)；n 常見的電子搜集器由三部分組成：閃爍體：搜集電子信號(hào) ，光導(dǎo)管：然后成比例地轉(zhuǎn)換成 光 信號(hào)，光電倍增管：經(jīng)放大后再轉(zhuǎn)換成 電信號(hào) 輸出(增益達(dá)106)，作為掃描像的調(diào)制信號(hào)。加偏壓前后的二次電子搜集情況加偏壓前后的二次電子搜集情況 (a) 加偏壓前加偏壓前 (b) 加偏壓后加偏壓后 搜集二次電子時(shí)，常在搜集器前端柵網(wǎng)上加上+250V偏壓，使分開樣品的二次電

9、子走彎曲軌道，到達(dá)搜集器，提高了搜集效率即使是在非常粗糙的外表上，包括凹坑底部或突起外的反面部分，都能得到明晰的圖像。背散射電子能量比較高，受柵網(wǎng)上偏壓的影響背散射電子能量比較高，受柵網(wǎng)上偏壓的影響比較小，搜集器只能搜集直接沿直線到達(dá)的電子。比較小，搜集器只能搜集直接沿直線到達(dá)的電子。 同時(shí)，為了擋住二次電子進(jìn)入搜集器，在柵網(wǎng)上加上-250V的偏壓。圖像顯示和記錄圖像顯示和記錄 這一系統(tǒng)的作用是將電信號(hào)這一系統(tǒng)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為陰極射線顯像管電子束強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為陰極射線顯像管電子束強(qiáng)度的變化，得到一幅亮度變化的掃描的變化，得到一幅亮度變化的掃描像，同時(shí)用照相方式記錄下來，或像，同時(shí)用照相方式記

10、錄下來，或用數(shù)字化方式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。用數(shù)字化方式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。(5)(5)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) (6)(6)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 掃描電鏡的真空系統(tǒng)和電掃描電鏡的真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的作用與透射電鏡的一樣。源系統(tǒng)的作用與透射電鏡的一樣。n SEM SEM的特點(diǎn)的特點(diǎn)n SEMSEM成像的物理信號(hào)成像的物理信號(hào) n SEMSEM的構(gòu)造與任務(wù)原理的構(gòu)造與任務(wù)原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像襯度像襯度n SEMSEM樣品制備樣品制備 (1)(1)放大倍數(shù)放大倍數(shù) 掃描電鏡的放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)可用表達(dá)式可用表達(dá)式 M=AC/AS M=AC/AS AC AC是熒光屏上圖像的

11、是熒光屏上圖像的邊長(zhǎng)，邊長(zhǎng)， ASAS是電子束在樣品上的是電子束在樣品上的掃描幅度。掃描幅度。 目前大多數(shù)商品掃描目前大多數(shù)商品掃描電鏡放大倍數(shù)為電鏡放大倍數(shù)為20-20000020-200000倍，倍，介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間。介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間。(2) (2) 分辨身手分辨身手 SEMSEM的分辨身手與以下要素的分辨身手與以下要素有關(guān)：有關(guān)： 入射電子束束斑直徑入射電子束束斑直徑 由于掃描成像，小于入由于掃描成像，小于入射電子束束斑的細(xì)節(jié)不能分辨。射電子束束斑的細(xì)節(jié)不能分辨。熱陰極電子槍的最小束斑直徑熱陰極電子槍的最小束斑直徑6nm6nm，場(chǎng)發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于場(chǎng)發(fā)射電

12、子槍可使束斑直徑小于3nm3nm。不同的物理信號(hào)調(diào)制的掃描象有不同的分辨不同的物理信號(hào)調(diào)制的掃描象有不同的分辨身手。身手。二次電子掃描象的分辨身手最高，約等于入二次電子掃描象的分辨身手最高，約等于入射電子束直徑，普通為射電子束直徑，普通為6-10nm，背散射電子為背散射電子為50-200 nm，吸收電子和吸收電子和X射線為射線為100-1000nm。影響分辨身手的要素還有信噪比、雜散電磁影響分辨身手的要素還有信噪比、雜散電磁場(chǎng)和機(jī)械震動(dòng)等。場(chǎng)和機(jī)械震動(dòng)等。(3)(3)景深景深 SEMSEM景深很景深很大。它的景深取大。它的景深取決于分辨身手和決于分辨身手和電子束入射半角電子束入射半角acac。

13、由圖可知，。由圖可知，掃描電鏡的景深掃描電鏡的景深F F為為 由于由于acac很小，所很小，所以上式可寫作以上式可寫作ctgdF0cdF0景深的依賴關(guān)系景深的依賴關(guān)系 n掃描電子顯微鏡末級(jí)透鏡采用小孔徑掃描電子顯微鏡末級(jí)透鏡采用小孔徑角角, ,長(zhǎng)焦距長(zhǎng)焦距, ,的的角很小約角很小約10-3rad10-3rad，所以它的景深很大。所以它的景深很大。n它比普通光學(xué)顯微鏡景深大它比普通光學(xué)顯微鏡景深大100-500100-500倍，倍，比透射電子顯微鏡的景深大比透射電子顯微鏡的景深大1010倍。倍。n例如在放大倍數(shù)是例如在放大倍數(shù)是500500倍時(shí)，焦深可倍時(shí)，焦深可達(dá)達(dá)1000m1000m。n因此

14、對(duì)于復(fù)雜而粗糙的樣品外表，因此對(duì)于復(fù)雜而粗糙的樣品外表，依然可得明晰聚焦的圖像。并且圖依然可得明晰聚焦的圖像。并且圖像立體感強(qiáng)，易于分析像立體感強(qiáng)，易于分析 . .n SEM SEM的特點(diǎn)的特點(diǎn)n SEMSEM成像的物理信號(hào)成像的物理信號(hào) n SEMSEM的構(gòu)造與任務(wù)原理的構(gòu)造與任務(wù)原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像襯度像襯度n SEMSEM樣品制備樣品制備 SEM像襯度像襯度形貌襯度形貌襯度原子序數(shù)襯度原子序數(shù)襯度外表形貌襯度n由于二次電子信號(hào)主要來自樣品表層由于二次電子信號(hào)主要來自樣品表層5-l0 nm5-l0 nm深度范圍，它深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒有明確

15、的關(guān)系，適用于顯示形貌襯度。的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒有明確的關(guān)系，適用于顯示形貌襯度。 n入射電子束與試樣外表法線間夾角愈大，二次電子產(chǎn)額愈入射電子束與試樣外表法線間夾角愈大，二次電子產(chǎn)額愈大大 背散射電子信號(hào)對(duì)外表形貌的變化不背散射電子信號(hào)對(duì)外表形貌的變化不那么敏感，分辨率不如二次電子像高，信那么敏感，分辨率不如二次電子像高，信號(hào)強(qiáng)度低。號(hào)強(qiáng)度低。 2 2 原子序數(shù)襯度原子序數(shù)襯度 原子序數(shù)襯度又稱為化學(xué)成分襯原子序數(shù)襯度又稱為化學(xué)成分襯度，它是利用對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或度，它是利用對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)化學(xué)成分變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)得到的一種顯示微區(qū)化學(xué)成分制

16、信號(hào)得到的一種顯示微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。差別的像襯度。這些信號(hào)主要有背散射電子、吸收這些信號(hào)主要有背散射電子、吸收電子和特征電子和特征X X射線等。射線等。(1) (1) 背散射電子像襯度背散射電子像襯度 ; 樣品外表上平均樣品外表上平均原子原子序數(shù)較高的區(qū)域，序數(shù)較高的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)，產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)，在背散射電子像上在背散射電子像上顯示較亮的襯度。顯示較亮的襯度。 背散背散射電射電子產(chǎn)子產(chǎn)率率二次電子二次電子產(chǎn)率產(chǎn)率(2) (2) 吸收電子像襯度吸收電子像襯度 +=1+=1：背散射，：背散射，：二次：二次：吸收：吸收因此可以以為，樣品外表因此可以以為，樣品外表平均原子序數(shù)大的微區(qū)，

17、背散平均原子序數(shù)大的微區(qū)，背散射電子信號(hào)強(qiáng)度較高，而吸收射電子信號(hào)強(qiáng)度較高，而吸收電子信號(hào)強(qiáng)度較低，兩者襯度電子信號(hào)強(qiáng)度較低，兩者襯度正好相反。正好相反。 背散射電子像背散射電子像吸收電子像吸收電子像奧氏體鑄鐵的顯微構(gòu)造奧氏體鑄鐵的顯微構(gòu)造在背散射電子像上的石墨條呈現(xiàn)暗的襯度，在背散射電子像上的石墨條呈現(xiàn)暗的襯度，而在吸收電子像上呈現(xiàn)亮的襯度。而在吸收電子像上呈現(xiàn)亮的襯度。 外表形貌襯度的運(yùn)用外表形貌襯度的運(yùn)用 n基于二次電子像外表形貌襯度的分辨率比基于二次電子像外表形貌襯度的分辨率比較高且不易構(gòu)成陰影等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為掃較高且不易構(gòu)成陰影等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為掃描電鏡運(yùn)用最廣的一種方式，尤其

18、在失效工件描電鏡運(yùn)用最廣的一種方式，尤其在失效工件的斷口檢測(cè)、磨損外表察看以及各種資料形貌的斷口檢測(cè)、磨損外表察看以及各種資料形貌特征察看上，已成為目前最方便、最有效的手特征察看上，已成為目前最方便、最有效的手段。段。1 1資料外表形狀組織察看資料外表形狀組織察看2 2斷口形貌察看斷口形貌察看2 2斷口形貌察看斷口形貌察看3 3磨損外表形貌察看磨損外表形貌察看4 4納米構(gòu)造資料形狀察看納米構(gòu)造資料形狀察看5 5生物樣品的形貌察看生物樣品的形貌察看原子序數(shù)襯度像原子序數(shù)襯度像n SEM SEM的特點(diǎn)的特點(diǎn)n SEMSEM成像的物理信號(hào)成像的物理信號(hào) n SEMSEM的構(gòu)造與任務(wù)原理的構(gòu)造與任務(wù)原理 n SEMSEM的主要性能的主要性能n SEMSEM像襯度像襯度n SEMSEM樣品制備樣品制備 SEMSEM樣品制備樣品制備 SEM SEM 固體資料樣品制備方便，固體資料樣品制備方便，只需樣品尺寸適宜，就可以直接放只需樣品尺寸適宜，就可以直接放到儀器中去察看。樣品直徑和厚度到儀器中去察看。樣品直徑和厚度普通從幾毫米至幾厘米，視樣品的普通從幾毫米至幾厘米，視樣品的性質(zhì)和電鏡的樣品室空間而定。性質(zhì)和電鏡的樣品室空間而定。 對(duì)于絕緣體或?qū)щ娦圆畹馁Y料來說，那么需求預(yù)先在分析外表上蒸鍍一層厚度約1020 nm的導(dǎo)電層。 否那么，在電子束