1、扫描电子显微学基础,扫描电子显微学基本概念,扫描电镜的结构和原理,带电粒子束显微镜分类,2,扫描电子显微镜 Scanning Electron Microscope（SEM）,扫描电子显微镜（SEM）： 是一种利用高能聚焦电子束扫描样品表面从而获得样品信息的电子显微镜。 使用电子束为照明源 应用电子光学原理 利用电子和物质作用所产生的信息进行成像 电子束在样品表面进行扫描,3,扫描电镜的特点 Why Using SEM？,高分辨率。 有较高的放大倍数。 景深长，视野大，成像富有立体感。 试样制备简单。 配备EDS，EBSD，STEM等装置，可以同时进行显微组织形貌的观察及成分和晶体微观结构的分
2、析。,4,分辨率 Resolution,The smallest distance between two points that can be distinguished., : 波长； : 折射率； : 孔径半角,= 0.61 ,5,放大倍数 Magnification,LM,LS,= ,6,景深 Depth of Focus,7,景深 Depth of Focus,At some distance D/2 above and below the focus plane, the image will appear to be in acceptably sharp focus, and
3、so this distance is called “the depth of focus”. The depth of focus is determined by the aperture diameter A, and the working distance W., ,8,扫描电镜的主要组成部分 The Main Components of SEM,真空系统,电子光学系统,信号探测系统,计算机控制系统,9,电子光学系统 Electron Optical System,电子枪（Electron gun） 电磁透镜 （Electro-magnetic lens） 物镜光阑（Objecti
4、ve lens aperture） 扫描线圈（Scanning coil）,1,2,2,3,4,10,电子枪 Electron Gun,I. Thermionic Emission Electron Gun (热发射式电子枪):1. Tungsten Wire 钨丝2. LaB6 (Lanthanum Hexaboride) - 六硼化镧,W,11,热发射 Thermionic Emission,12,热发射电子枪 Thermionic Emission Gun,13,II. Field Emission Electron Gun (场发射式电子枪):1. Cold Field Emissio
5、n (CFE) - 冷场发射2. Thermal Field Emission (TFE) 热场（肖特基Schottky式）发射,电子枪 Electron Gun,14,冷场发射 Cold Field Emission,15,热场发射 Thermal Field Emission,16,肖特基场发射电子源 Schottky Field Emitter,17,18,电磁透镜 Electro Magnetic Lens,19,电磁透镜 Electro Magnetic Lens,电磁透镜的主要作用是将电子枪的束流逐渐汇聚，使原来直径约为50m的束斑缩小成一个只有1nm左右的细小束斑。 电磁透镜由极
6、靴（pole piece）和铜线圈（copper coil）两部分组成。通过改变流过铜线圈的电流大小来改变透镜汇聚电子束的能力。 电磁透镜只改变电子束运动的方向，不改变电子束运动的速度（能量）。,20,聚光镜 Condenser Lens,聚光镜位于电子枪下方。 两级聚光镜由一块纯铁加工而成，保证了合轴要求，省去了对中装置，使用方便。 聚光镜为强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。 聚光镜的强度决定了样品上束斑的大小和入射电流的大小。,21,聚光镜 Condenser Lens,聚光镜的强度决定 样品上束斑的大小 入射电流的大小,22,物镜 Objective Lens,物镜位于镜筒最下方，用来将电
7、子束汇聚在样品上。 物镜为弱透镜，具有较长的焦距，以适应工作距离的变化，同时避免磁场对二次电子轨迹的干扰。 聚焦旋钮就是用来调节物镜电流的。,23,像差 Aberration,球差（Spherical aberration）：由于电磁透镜中心区域和边缘区域对电子会聚能力不同而造成的。,远轴电子通过透镜时被折射得比近轴电子厉害。 由磁场强度在极靴间不均匀造成。,24,像差 Aberration,色差（Chromatic aberration）：由于成像电子的能量不同而引起的一种像差。,能量大的电子聚焦在距透镜中心比较远的地点，而能量较低的电子聚焦在距透镜中心比较近的地点。,25,像差 Aberr
8、ation,像散（Astigmatism）：由于透镜的磁场轴向不对称所引起的一种像差。,圆形电子束经透镜后形成椭圆形光束。 可使用像散矫正装置（Stigmator）消除。,26,消像散 Astigmatism Correction,Before correctionAfter correction,under focus in focus over focus,27,物镜光阑 Objective Lens Aperture,用以选择电子束的孔径角 控制束流的大小 调节景深,28,光阑对中 Wobble（Aperture Alignment）,Focus wobble（合轴）：电子束的轴心=光阑
9、孔物理位置中心,29,光阑孔轴心,电子束轴心,Scanning Coil 扫描线圈,产生偏转磁场，控制电子束扫描范围。 决定图像的放大倍数。,30,信号探测系统 Signal Detection System,电子束与样品的相互作用 二次电子探测器 背散射电子探测器 阴极荧光探测器 扫描透射电子探测器 X射线能谱,31,电子束与样品的相互作用 Electron Beam - Specimen Interaction,32,入射深度 Penetration Depth,33,入射深度 VS 加速电压 Penetration Depth VS Accelerating Voltage,CASINO
10、 simulation results Casino can be download from http:/www.gel.usherbrooke.ca/casino/index.html,25 kV,15 kV,5 kV,34,Carbon,Iron,Gold,CASINO simulation results Casino can be download from http:/www.gel.usherbrooke.ca/casino/index.html,入射深度 VS 试样成分 Penetration Depth VS Specimen Composition,35,电子的散射 Ele
11、ctron Scattering,二次电子：能量在50V以下，由入射电子与试样发生非弹性散射（inelastic scattering），试样价电子逸出产生。 背散射电子：能量在1KV以上，由入射电子与试样发生弹性散射（elastic scattering），以大角度逸出产生。,36,特征X射线 Characteristic X-ray,入射电子轰击原子内层电子； 原子内层电子被逐出，产生空位； 原子外层电子向内层空位跃迁，并发射X射线。 X射线的能量（波长）由原子种类决定。,37,X射线能谱 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS),38,X射线能
12、谱 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS),39,真空系统 Vacuum System,Why do we need a vacuum？ 减少阴极发射电子和气体分子碰撞几率，得到符合要求的电子束； 防止电子枪灯丝因迅速氧化，或者离子溅射作用，损害阴极灯丝，从而减少灯丝寿命； 提高阴阳极之间的空气绝缘性，使之能够承受高电位差，而不至高压击穿短路，造成电器烧毁； 减少空气中的尘埃对电子枪，镜筒和样品的污染。,40,真空泵 Vacuum Pumps,机械泵（Mechanic pump） ：a 10 1 ,41,真空泵 Vacuum Pumps,涡轮分子泵（Turbo molecular pump）：5 10 5 ,42,真空泵 Vacuum Pumps,溅射离子泵（Sputter ion pump）: 10 2 10 8 ,43,
