扫描电镜的工作原理示意图

扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscopy, SEM）扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。

扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。

目前的扫描电镜都配有X 射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。

电子束与固体样品的相互作用扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。

通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得对是试样表面性貌的观察。

具有高能量的入射电子束与固体样品的原子核及核外电子发生作用后，可产生多种物理信号如下图所示。

电子束和固体样品表面作用时的物理现象一、背射电子背射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背反射电子和非弹性背反射电子。

弹性背反射电子是指倍样品中原子和反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本上没有变化（能量为数千到数万电子伏）。

非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。

非弹性背反射电子的能量范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。

从数量上看，弹性背反射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。

背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度，如下图所示。

电子束在试样中的散射示意图背反射电子产额和二次电子产额与原子序束的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。

背反射电子的产额随原子序数的增加而增加（右图），所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。

二、二次电子二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。

扫描电镜的结构、原理及其操作使用一、实验目的•了解扫描电镜的工作原理及构造。

•初步学习Sirion200场发射扫描电镜的操作方法。

•利用二次电子像对断口形貌进行观察。

二、扫描电镜的构造优点：•景深长、图像富有立体感；•图像的放大倍率可在大范围内连续改变，而且分辨率高；•样品制备方法简单，可动范围大，便于观察；•样品的辐照损伤及污染程度较小；•可实现多功能分析。

二、扫描电镜的构造构成：•电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫描线圈等；•机械系统，包括支撑部分、样品室；•真空系统；•样品所产生信号的收集、处理和显示系统。

二、扫描电镜的构造图1Sirion 200扫描电镜外观照片二、扫描电镜的构造图2扫描电子显微镜构造示意图(a)系统方框图二、扫描电镜的构造图2扫描电子显微镜构造示意图(b) 电子光路图电子光学系统包括:•电子枪•电磁聚光镜•扫描线圈•光阑组件二、扫描电镜的构造•电子枪为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

常用的电子枪有三种：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表1所示。

二、扫描电镜的构造表1 几种类型电子枪性能比较二、扫描电镜的构造(a)热电子发射型电子枪(b)热阴极场发射电子枪图3 电子枪构造示意图二、扫描电镜的构造•电磁聚光镜其功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束光斑越小，其分辨率就愈高。

扫描电镜通常都有三个聚光镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。

为了降低电子束的发散程度，每级聚光镜都装有光阑。

为了消除像散，装有消像散器。

•扫描线圈其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和在显像管上的扫描动作由同一扫描发生器控制,保持严格同步。

当电子束进入偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折,再通过末级透镜的光心射到样品表面。

扫描电镜成像原理扫描成像原理如下图所示，电子枪1（钨丝枪或LaB6枪或场发射枪等）发射一束电子，这就是电子源，其最少截面的直径为d0，对钨丝枪而言大约为20～50μm （场发射枪大约为10～20nm ) ，这个小束斑经3 和5 两级聚光镜进一步缩小几百倍，最后再经物镜缩小并聚焦在样品面上，这时束斑10 直径最小可到3～6nm （约小于扫描电镜的分辨本领），电子束打在样品上，就产生上节所述的各种信号。

二次电子和背散射电子信号是最常用的两种信号，尤其是二次电子。

信号由接收器取出，经光电倍增器和电子放大器放大后，作为视频信号去调制高分辨显示器的亮度，因此显示器上这一点的亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子发射强度相对应。

由于样品上各点形貌等各异，其二次电子发射强度不同，因此显示器屏上对应的点的亮度也不同。

用同一个扫描发生器产生帧扫和行扫信号，同时去控制显示的偏转器和镜筒中的电子束扫描偏转器，使电子束在样品表面上与显示器中电子束在荧光屏上同步进行帧扫和行扫，产生相似于电视机上的扫描光栅。

这两个光栅的尺寸比就是扫描电镜的放倍数。

在显示器屏幕光栅上的图像就是电子束在样品上所扫描区域的放大形貌像。

图像中亮点对应于样品表面上突起部分，暗点表示凹的部分或背向接收器的阴影部分。

由于显示器屏幕上扫描尺寸是固定的，如14in(1in= 25.4mm）显示器的扫描面积是267×200mm2，在放大倍数为十万倍时样品面上的扫描面积为2.67×2 μm2如放大倍数为20 倍时，则为13.35×10mm2。

因此改变电子束扫描偏转器的电流大小，就可改变电子束在样品上的扫描尺寸，从而改变扫描电镜的放大倍数。

扫描电镜的分辨本领一般指的是二次电子像的空间分辨本领，它是在高放大倍数下，人们能从照片中分清两相邻物像的最小距离。

通常是用两物像边缘的最小距离来计算。

但照片放大近十万倍后，边缘轮廓往往不十分清晰敏锐，难以测量准确。

实验5扫描电镜及其观察一、实验目的和任务1 .了解扫描电镜的基本结构和原理2 .了解扫描电镜试样的制备方法3 .了解二次电子象，被散射电子像和吸收电子像观察记录操作的全过程机及其在形貌组织观察中的应用二、扫描电镜的构造扫描电镜是由电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面扫描，激发样品产生各种物理信号，经过检测、视频放大和信号处理，在荧光屏上获得能反映样品表面各种特征的扫描图像。

扫描电镜由下列五部分组成，如图1(a )所示。

各部分主要作用简介如下：b )图1扫描电子显微镜构造示意图1. 电子光学系统a ) 第嗥比镜I 備转挾圍、F 偏转珏隆它由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成，如图1(b)所示。

为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

常用的电子枪有三种形式：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表1所示。

前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。

由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。

电磁透镜的功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束斑越小，其分辨率就越高。

扫描电镜通常有三个磁透镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。

为了降低电子束的发散程度，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。

2.扫描系统扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。

3.信号检测、放大系统样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。

不同的物理信号要用不同类型的检测系统。

它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。

4.真空系统镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1x10-2Pa,它由机械泵和分子涡轮泵来实现。