第十章扫描电子显微分析和电子操针本章内容SEM的特点和工作原理1965年第一台商用SEM问世；扫描电子显微镜→SEM能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点；电子探针X射线显微分析●景深大;放大倍数连续调节范围大；→分辨本领比较高
1 第十章 扫描电子显微分析和电子探针 本章内容 扫描电子显微镜 电子探针X射线显微分析 SEM的特点和工作原理 ◆ 1965年第一台商用SEM问世; ◆ SEM能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点; ◆ 景深大; ◆ 放大倍数连续调节范围大; ◆ 分辨本领比较高
扫描电子显微镜1）成像物理信号具有一定能量的电子，1）成像物理信号二次电子背散射电子1.工作原理与构造当其入射固体样品时，2)构造微微电将与样品内原子核和核特征X射线3）SEM主要性能2.像衬原理*外电子发生弹性和非弹吸收电子性散射过程，激发固体3.应用样品产生多种物理信避射电子号。1）成像物理信号1）成像物理信号成分分析形貌分析Td背散射电子？（真）二次电子：包括弹性背散射电子和样品核外电子非弹性背散射电子样品表层几个纳米深度能量高能量小来自样品表层几百纳米产额与原子序数无关的深度与原子序数有关1）成像物理信号1）成像物理信号成分分成分分析析8d浙珍吸收电子二次电子二次电子透射电子：宵做射电子背散射电子4特征X射战特征X射线原子序数衬度歌电子做歌电子仅取决于样品微区的成分、厚度、晶驳收电子吸收电子体结构及位向等。拌品拌品避射电子避射电子2
2 1. 工作原理与构造 2.像衬原理* 3.应用 扫描电子显微镜 1）成像物理信号 2）构造 3）SEM主要性能 1）成像物理信号 具有一定能量的电子， 当其入射固体样品时， 将与样品内原子核和核 外电子发生弹性和非弹 性散射过程，激发固体 样品产生多种物理信 号。 特征X射线 e 背散射电子： 包括弹性背散射电子和 非弹性背散射电子 能量高 来自样品表层几百纳米 的深度 与原子序数有关 1）成像物理信号 成分分析 （真）二次电子： 样品核外电子 样品表层几个纳米深度 能量小 产额与原子序数无关 形貌分析 e 1）成像物理信号 特征X射线 成分分 析 吸收电子 原子序数衬度 1）成像物理信号 特征X射线 成分分 析 透射电子： 仅取决于样品微区 的成分、厚度、晶 体结构及位向等。 1）成像物理信号
1.工作原理与构造1）成像物理信号保持电平衡两边同除以，得x时i,=i,+i,+i,+i,二次电子二次电子育散射电子背散射电子电↑ + 8 +a+T=1电是入射电子强度；特征X射线特征射线做歌电子级歌电子n=i/i，背散射系数；i，是背散射电子强度；了费收电子8=ii，二次电子发射系数吸收电子i，是二次电子强度；拌品a=i/ip，吸收系数；。是吸收电子强度；避射电子透射电子i，是透射电子强度。T=i/ip，透射系数。1）成像物理信号二次电子初次背数射电子特征X射线多次非弹性散射二次电子背散射电子内层电子激发单次非弹性散射特征X射线歌电子成分分析弹性散射吸收电子祥品俄歌电子射电子~50eV电子能量电子能谱1）成像物理信号2）构造(1）电子光学系统（镜筒）电子枪形貌分析、二次电子粥光锁塑(2)扫描系统背散射电子(3）信号收集系统吸收电子单色器目镜扫描线图成分分显像营透射电子C)（4）图像显示记录系统物镜折口特征X射线(5）真空系统背射电子祥二次电子(6)电源系统服收电子保中国天设护通射电子3
3 特征X射线 保持电平衡 ip=ib+is +ia+it ip 是入射电子强度； ib 是背散射电子强度； is 是二次电子强度； ia 是吸收电子强度； it 是透射电子强度。 1. 工作原理与构造 特征X射线 两边同除以ip，得 η+δ+a+T=1 η= ib/ip，背散射系数； δ= is /ip，二次电子发射系数 a = ia/ip，吸收系数； T = it /ip，透射系数。 1）成像物理信号 电子能谱 初次背散射电子 多次非弹性散射 单次非弹性散射 弹性散射 俄歇电子 二次电子 电子能量 特征X射线 特征X射线 内层电子激发 成分分析 1）成像物理信号 1）成像物理信号 二次电子 背散射电子 吸收电子 透射电子 特征X射线 成分分 析 形貌分析 (1) 电子光学系统（镜筒） (2) 扫描系统 (3) 信号收集系统 (4) 图像显示记录系统 (5) 真空系统 (6) 电源系统 2）构造
(2）扫描系统(1)电子光学系统（镜筒）电子枪电子枪组成：扫描发生器和扫欢光镜欢光锁作用：将来自电子枪插线围腰做快的电子来聚焦成亮度作用:扫描线围扫描线围高、直径小的入射束1)入射电子束在样品表物镜物镜（直径一般为10nm或面扫描，并使阴极射线口口口更小）来轰击样品，样品BR显像管电子束在荧光屏样品信号放大信号放大信号编信号款和处理和处理使样品产生各种物理上作同步扫描；推卷测信号.2)改变扫描像放大倍数SBM原理方柜图SEM原理方框图(4)）图像显示和记录系统（3）信号收集系统电子枪1）电子信号：电子收光忧阴极射线显像管电子束强度显像管集器（吸收电子用电流表)荧光屏扫描钱围2）特征X射线信号：X物快亮度变化的扫描像射线谱仪检测;口祥品3）可见光讯号（阴校信号放大信号球和处理灌卷荧光）：可见光收集照相方式或数字化形式存储器SEM原理方框图（5）真空系统和电源系统2)构造电子枪与透射电镜不扫描电镜的真空系统和电源系统的作用与同，它不用透镜扫描极射进行放大成像，透射电镜的相同。发生器而是象闭路电视e系统那样，逐点视频放大器逐行扫描成像。电子枪样品扫描电镜工作原理4
4 电子枪 聚光镜 物镜 扫描线圈 样品 信号探 测器 信号放大 和处理 作用：将来自电子枪 显像管 的电子束聚焦成亮度 高、直径小的入射束 （直径一般为10nm或 更小）来轰击样品， 使样品产生各种物理 信号。 (1)电子光学系统（镜筒） SEM原理方框图 电子枪 聚光镜 物镜 扫描线圈 样品 信号探 测器 信号放大 和处理 显像管 SEM原理方框图 组成：扫描发生器和扫 描线圈 作用： 1)入射电子束在样品表 面扫描，并使阴极射线 显像管电子束在荧光屏 上作同步扫描； 2)改变扫描像放大倍数 (2) 扫描系统 电子枪 聚光镜 物镜 扫描线圈 样品 信号探 测器 信号放大 和处理 显像管 SEM原理方框图 1）电子信号：电子收 集器（吸收电子用电 流表） 2）特征X射线信号：X 射线谱仪检测； 3）可见光讯号（阴极 荧光）：可见光收集 器 (3) 信号收集系统 (4)图像显示和记录系统 阴极射线显像管电子束强度 荧光屏 亮度变化的扫描像 照相方式或数字化形式存储 （5）真空系统和电源系统 扫描电镜的真空系统和电源系统的作用与 透射电镜的相同。 2) 构造 与透射电镜不 同，它不用透镜 进行放大成像， 而是象闭路电视 系统那样，逐点 逐行扫描成像
3)扫描电镜的主要性能3)扫描电镜的主要性能(2）分辨本领(1)放大倍数扫描电镜的放大倍数可用表达式1）入射电子束束斑直径束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴M=Ac/As极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可式中Ac是荧光屏上图像的边长（一般为使束斑直径小于3nm.100mm），A，是电子束在样品上的扫描振幅。2）入射束在样品中的扩展效应目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，电子束作用体积越大。人射电了来5-50nm假歌电子提高电压 3-2mlSurface·电子束进入轻元素样品表次电子面后会造成一个滴状作用体as售胶射电子积。增加原子序数·图像分析时二次电子信号特征X射线二次电子+歌电子一连续×射的分辨率最高，所谓扫描电子显微镜的分辨率，即二次背散射电子电子像的分辨率。背散舒电子十空间分拼车特征X射线X时然审间分中人射电子束直径扫描电子显微镜1.工作原理与构造2.像衬原理*3.应用(b)0(a)5
5 3)扫描电镜的主要性能 (1)放大倍数 扫描电镜的放大倍数可用表达式 M = AC / AS 式中AC是荧光屏上图像的边长（一般为 100mm）， AS是电子束在样品上的扫描振幅。 目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000 倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。 1) 入射电子束束斑直径 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) 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 如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原 子序数越小，电子束作用体积越大。 (2) 分辨本领 3)扫描电镜的主要性能 提高电压 增加原子序数 二次电子+俄歇电子 背散射电子 特征X射线 z电子束进入轻元素样品表 面后会造成一个滴状作用体 积。 z图像分析时二次电子信号 的分辨率最高，所谓扫描电 子显微镜的分辨率，即二次 电子像的分辨率。 轻元素的“梨形作用体积”与重元素的“半球形作用体积” 1. 工作原理与构造 2.像衬原理* 3.应用 扫描电子显微镜