第五章掃描電子顯微術(SEM)SEM的特點樣品制備較簡單，甚至可以不作任何處理。并且樣品可以很大，如直徑可達10cm以上。能在很大的放大倍數范圍工作，從幾倍到幾十萬倍，相當于從放大鏡到透射電鏡的放大范圍。以致使用者可以首先概觀整個樣品，然后迅速轉換到觀察某些選擇的結構的細節，這給觀察帶來很大的方便。

具有相當的分辨率，一般為2-6nm，最高可達0.5nm。掃描電鏡具有很大的焦深。因而對于復雜而粗糙的樣品外表，仍然可得清晰聚焦的圖像。圖像富有立體感、真實感、易于識別和解釋。可進行多種功能的分析。如可與X射線譜儀配接，可在觀察形貌的同時進行微區成分分析。第一節電子與固體樣品作用時

產生的信號1.二次電子〔SE〕入射電子與樣品的核外電子碰撞，使后者脫離原子變成自由電子。那些接近樣品表層且能量大于材料逸出功的自由電子可從外表逸出，成為二次電子。二次電子的強度樣品表面下深度二次電子能量大致在0~30eV之間，多數來自外表層下部5~50?深度之間。二次電子信號對試樣外表形貌非常敏感。二次電子所成的二次電子像可反映樣品外表形貌。020406080246810接收的二次電子二次電子收得數與入射束-試樣面法線間夾角分布曲線二次電子的產額和原子序數之間沒明顯依賴關系，所以不能用它來進行成分分析。2.背散射電子〔BSE〕背散射電子是指被固體樣品原子反射回來的一局部入射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子，只改變了運動方向，本身能量根本上沒有損失，其能量根本等于入射電子的初始能量。能到達數千到數萬電子伏。進入樣品后的局部入射電子在與原子核、核外電子發生屢次非彈性散射，在連續改變前進方向的同時，也有不同程度的能量損失。最終那些能量大于外表逸出功的入射電子從樣品外表發射出去，這局部電子稱為非彈性背散射電子。非彈性背散射電子的能量范圍很寬，從數十電子伏到數千電子伏。10010,0001EnergyofElectron(eV)QuantityofElectrons(Incidentbeamenergy:10,000eV)二次電子彈性背散射電子非彈性背散射電子從數量上看，彈性背散射電子遠比非彈性背散射電子所占的份額多。背散射電子信號可以顯示外表形貌，還可以進行定性成分分析。背散射電子的產額與樣品的原子序數和傾斜角的關系產額傾斜角入射電子打到樣品上，受原子散射，偏離原來入射方向。隨電子束進入樣品的深度的不斷增加，入射電子的分布范圍不斷增大。入射電子在試樣外表下某個范圍內運動，不斷散射，并激發各種信號，這些信號產生的空間范圍不同，它們的能量各不相同。3.各種信號的深度和區域大小入射電子在樣品內產生的各種信號的深度(Z)和廣度(R)對于一般元素而言，電子束與試樣作用，激發區域是一個梨形作用區。在高原子序數樣品中，激發區域是一個半球形區域。改變電子能量只引起作用體積大小的變化，而不會顯著地改變形狀。1kV2kV3kV1020304050(nm)在掃描電鏡中，電子槍發射出來的電子束，經電磁透鏡聚焦后，成直徑很小的電子束。置于末級透鏡上部的掃描線圈能使電子束在試樣外表上做光柵狀掃描。試樣在電子束作用下，激發出各種信號，信號的強度取決于試樣外表的形貌、受激區域的成分和晶體取向。這些信號被相應的接收器接收，經放大器放大后送到顯像管的柵極上，調制顯像管的亮度。第二節SEM的工作原理值得強調的是，入射電子束在試樣外表上是逐點掃描的，像是逐點記錄的，因此試樣各點所激發出來的各種信號都可記錄下來。給試樣的綜合分析帶來極大的方便。第三節SEM的構造ConfigurationofascanningelectronmicroscopeObjectiveMovableApertureModelS-3000NSpecimenStageCRTElectronGunSEDetectorSpecimenChamberSEDetectorCRTCameraAmplifierImageSignal電子光學系統真空系統和供電系統信號接收及圖象顯示系統1.電子光學系統電子光學系統由電子槍，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，作為產生物理信號的激發源。為了獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。

電子槍熱陰極電子槍其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產生高能量的電子束。場發射電子槍第一陽極第二陽極V1V0場發射尖端FETipTungstenFilament750μmElectronSourceTypeofEmissionOperatingVacum(Pa)Brightness(A/cm2?str)SourceSize(μm)EnergySpread(eV)LifeTime(h)TungstenFilamentThermonicFieldEmissionColdFE10-5～10-85x105108300.012.00.2502000

其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，使原來直徑約為50um束斑縮小成一個只有數nm的細小束斑。電磁透鏡掃描線圈使電子束偏轉，并在樣品外表作有規那么的掃動。提供入射電子束在樣品外表上以及陰極射線管電子束在熒光屏上的同步掃描信號,使電子束在樣品上的掃描動作與顯像管上的掃描動作保持嚴格同步。改變電子束在樣品外表掃描距離,以獲所需放大倍數的掃描像。電子束在樣品外表的掃描方式光柵掃描：電子束進入上偏轉線圈時，方向發生轉折，隨后又由下偏轉線圈使它的方向發生第二次轉折，然后通過末級透鏡射到試樣外表。此方式用于形貌分析。角光柵掃描：電子束經上偏轉線圈后未經下偏轉線圈改變方向，直接由末級透鏡折射到入射點的位置。此方式用于電子通道把戲分析。樣品室樣品室中主要部件是樣品臺。它能進行三維空間的移動，還能傾斜和轉動。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檢測器的安放位置有很大關系。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，可進行動態觀察。其作用是檢測樣品在入射電子作用下產生的物理信號，然后經視頻放大作為顯像系統的調制信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統，二次電子、背散射電子等信號通常采用閃爍記數器來檢測。2.信號接收及圖象顯示系統

真空系統的作用是為保證電子光學系統正常工作，防止樣品污染，提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg的真空度。電源系統由穩壓，穩流及相應的平安保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各局部所需的電源。3.真空系統和供電系統1.分辨率掃描電鏡的分辨率有兩重意義：對微區成分而言，它是指能分析的最小區域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。分辨率大小由入射電子束直徑和調制信號類型共同決定。第四節SEM的主要性能主要影響因素電子束斑直徑入射電子束在樣品中的擴展效應成像所用信號的種類背散射電子分辨率2.放大倍數掃描電鏡的放大倍率M取決于顯像管熒光屏尺寸S2和入射束在試樣外表掃描距離S1之比，即由于掃描電鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣外表的掃描幅度來實現的。3.景深透鏡物平面允許的軸向偏差。掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角，可獲得很大的景深，它比一般光學顯微鏡景深大100-500倍。Df透鏡象平面d0α物平面Md0