SEM 仪器结构及原理.docx

SEM+EDXSEM： (Scanning electron microscope)扫描电子显微镜工作原理：从电子枪阴极打出直径为20~30um的电子束，受到阴阳 极之间加速电压的作用射向镜筒，经过聚光镜及物镜的汇聚作用， 缩小成约几纳米的电子探针在物镜上部的扫面线圈的作用下，电 子探针在样品表面做光栅状扫描并激发出多种电子信号这些电子 信号被相应的检测器检测，经过放大、转换变成电压信号，最后被 送到显像管的栅极上并调制显像管的亮度显像管中的电子束在荧 光屏上也做光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的 扫描动作严格同步，这样就获得衬度与所接收信号强度相对应的扫 描电子像——光栅扫描，逐点成像当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域 将产生二次电子、俄歇电子、特征X射线和连续谱X射线、背散射 电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐 射同时可产生电子-空穴对、晶格振动_声子、电子震荡_等离子 体)放大倍率=荧光屏尺寸/扫描范围弹性散射与非弹性散射Elastic scattering and inelastic scattering在碰撞中，如两粒子间只有动能的交换，粒子的类型及其内部运动 状态并无改变，则这种碰撞称为弹性散射如果在碰撞过程中，除了 动能的交换之外，粒子内部状态在碰撞过程中也有所改变或转化成其他粒子则称为费弹性散射。

SEM中的三种主要成像信号：背散射电子、二次电子和X射线INTERACTION WITHMATTER, Secondary electrons 城心醇饨部-topography-compositional• X-rays-chemistry, Sack scatter electrons背散射电子: 入射电子打到样品后被样品的原子核反弹回来的部分，反应样品表 面不同取向、不同平均原子量的区域差别其能量比较高，基本等 于入射电子的能量背散射电子分为弹性散射电子与非弹性散射电子弹性散射电子即 为电子直接打在样品表面的原子核上，散射角大于90°，直接逃离 样品而被收集，此类电子在碰撞过程中基本不会发生能量的损耗， 能量值介于数千电子伏至数万电子伏之间非弹性散射为电子束中 的电子打到样品表面时，与样品核外电子发生碰撞，经碰撞后电子 不仅方向发生改变，其携带的能量也有不同程度的损失如果此类 电子在经多次散射后仍能逃离样品表面即可形成非弹性散射电子， 其能量比弹性散射的电子携带的低，覆盖范围广，介于在数十电子伏与数千电子伏-尸Final LensPole PieceBatkscH7^r

二次电子的能量较低，一般不超过50eV一般情况下，二次 电子都是样品表层5~10nm深度范围内发射出来，对样品的表面形 貌敏感，可以有效的显示样品的表面形貌X-射线：X-ray样品原子核内层电子在入射电子束的作用下逃逸出样品表面后在原 始位置形成空穴，含有更高能量级的电子有机会跃迁进入空穴并将 多余的能量以光子的形式释放，即形成X-射线其他信号模式：俄歇电子、透射电子、阴极发光俄歇电子：AugerElectron原子内层电子被激发电离形成空位，较高能级电子跃迁至该空位， 多余能量使原子外层电子激发发射，形成无辐射跃迁，被激发的电 子即为俄歇电子一般源于样品表面以下几个nm（＜3nm），多用于 样品表面成分分析，原子最少要含有三个以上的电子才可以产生俄 歇电子俄歇电子具有特征动能，动能的大小主要取决于原子内层有关芯层 结合能的强弱，所以可以用来表征原子的种类及所处的化学状态 通常俄歇电子的能量介于几十电子伏至2300电子伏的范围内透射电子：电子穿透样品的部分，这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息， 用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像，以揭示样品内 部微观结构的形貌特征阴极发光：晶体物质在高能电子的照射下，可发出可见光、紫外或红外光，如 半导体和一些矿物质等，在高能电子束的照射下均可发出不同颜色 的光，用电子探针的同轴光学显微镜可以进行直接观察，还可用分 光光度计进行分光和检测强度进行元素分析。

阴极发光现象和发光能力、波长等参数均与材料内的“激活剂”的 种类及含量有关这些激活剂的可以是由于物质中元素的非化学变 化引起的某种元素过剩或者晶格空位等晶格缺陷各信号的深度和区域大小Catho tfofummescence#艮广束，欠电r皆故射虫广incident e- BeamElectron厢寿如SampleAuger可以产生信号的区域称为有效作用区，有效作用区的最深处为电子 有效作用深度但是有效作用区的信号不一定都可以逃逸出样品表 面成为有效可控采集信号（各种信号能量不同，样品对信号的吸收 和散射也不同）50 eV 2 keV Incident e- EnergyElectron EnergySEM设备结构一整套SEM设备分电源系统、真空系统、电子光学系统、扫描系 统、信号收集系统和图像显示及记录系统电子探针杈构造示育图电源系统为整套设备提供工作电压，真空系统为样品的分析提供一 个真空环境电子光照系统由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件构成，其作 用是将来自电子枪的电子束集聚成高亮度、小直径的入射束来轰击 样品，其直径一般在几~十几nm,使样品产生各种物理信号电子枪一般主要有热电子枪和场致发射枪： 热电子枪：一般灯丝的材质为钨丝或者LaB6水晶棒，灯丝在受热后 温度升高，并释放出电子形成电子束。

电子束在经过一系列的物理 加速过程后打向样品，激发出可探测信号阴极起到减小束径作用（同性排斥）阳极提供对电子的吸引力，提升电子束能量（异性吸引）场致发射枪：在点阴极与平板正极之间加高电压形成电流回路（1~50kV），在高电 场梯度的作用下，电子束在通过工作厂区的时候不断加速，形成高 速电子流轰击样品表面以产生可探测信号亮度高，电子束浓度低扫描系统：扫描系统是组成SEM的特殊部件，由扫描发生器和扫描线圈组成其作用：1） 使入射电子束在样品表面扫描，并使CRT电子束在荧光屏上做同 步扫描；2） 改变入射束在样品表面的扫描振幅来改变扫描成像的放大倍数信号收集系统：SEM应用的电子信号主要有二次电子、背散射电子、透射电子和吸 收电子、吸收电子可直接用万用表测出，其他信号用电子信号收集 器收集常见的电子信号收集器由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部 件其作用是将电子信号收集起来，然后成比例的转换成光信号， 经放大后转换成电学信号输出（增益可达10E6）——作为扫描像的 调制信号SOO^lOOOV二挽电子和背反射电子收集器示意图收集二次电子时，通常在收集器前端栅网上加+250V偏压，使离开 样品的二次电子走弯曲轨道到达收集器，用以提高有效收集立体 角。

入射束电子收集器电子收集器三次电子切 样品 己加偏压前 b）加加偏压前后的二次电子收集情况。