扫描电子显微镜(SEM)成像特点及样品制备

不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨 本领。 本领。
二次电子扫描象的分辨本领最高， 二次电子扫描象的分辨本领最高，约等于入射电 子束直径，一般为6-10nm， 子束直径，一般为 ， 背散射电子为50-200 nm， 背散射电子为 ， 吸收电子和X射线为 射线为100-1000nm。 吸收电子和 射线为 。
(1) 背散射电子像衬度
;
背散 射电 子产 率
样品表面上平均原子 序数较高的区域， 序数较高的区域，产生 较强的信号， 较强的信号，在背散射 电子像上显示较亮的衬 度。
二次电子 产率
(2) 吸收电子像衬度
η+δ+α=1
η：背散射，δ：二次 α：吸收 ：背散射， ： ： 因此可以认为， 因此可以认为，样品表面平均原子序数 大的微区，背散射电子信号强度较高， 大的微区，背散射电子信号强度较高，而吸 收电子信号强度较低，两者衬度正好相反。 收电子信号强度较低，两者衬度正好相反。
SEM像衬度 像衬度
形貌衬度 原子序数衬度
表面形貌衬度
由于二次电子信号主要来自样品表层5 nm深度范围 深度范围， 由于二次电子信号主要来自样品表层5-l0 nm深度范围，它 二次电子信号主要来自样品表层 的强度与原子序数没有明确的关系，适用于显示形貌衬度 显示形貌衬度。 的强度与原子序数没有明确的关系，适用于显示形貌衬度。 入射电子束与试样表面法线间夹角愈大， 入射电子束与试样表面法线间夹角愈大，二次电子产额愈 大
(2) 扫描系统
它的作用是： 它的作用是：

扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。 扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。
1) 使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射 使入射电子束在样品表面扫描， 线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描； 线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描； 2) 改变入射束在样品表面的扫描幅度，从而改 改变入射束在样品表面的扫描幅度， 变扫描像的放大倍数。 变扫描像的放大倍数。
SEM
电子枪发射的电子束 经过2 经过2-3个电磁透镜聚焦
在样品表面按顺序逐行 扫描， 扫描，激发样品产生各种 物理信号:二次电子、 物理信号:二次电子、背 散射电子、吸收电子等。 散射电子、吸收电子等。
信号强度随样品表面特 征而变。 征而变。它们分别被相 应的收集器接受， 应的收集器接受，经放 大器按顺序、 大器按顺序、成比例地 放大后，送到显像管。 放大后，送到显像管。
二次电子
它是被入射电子轰击出来的样品核外电子， 它是被入射电子轰击出来的样品核外电子， 又称为次级电子。二次电子的能量比较低， 又称为次级电子。二次电子的能量比较低，一 般小于50eV； 般小于50eV； 50eV
吸收电子
是随着与样品中原子核或核外电子发生非 弹性散射次数的增多， 弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断 降低以致最后被样品所吸收的入射电子。 降低以致最后被样品所吸收的入射电子。
αc
景深的依赖关系
扫描电子显微镜末级透镜采用小孔径 长焦距, 角很小（ rad）， 角,长焦距,的β角很小（约10-3rad）， 所以它的景深很大。 所以它的景深很大。 它比一般光学显微镜景深大100 500倍 100它比一般光学显微镜景深大100-500倍， 比透射电子显微镜的景深大10 10倍 比透射电子显微镜的景深大10倍。
特点
仪器分辨本领较高。 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达 1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝 场发射),3.0nm(钨灯丝) 1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍）， 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍）， 且连续可调； 且连续可调； 图像景深大，富有立体感。 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大 的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； 的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； 试样制备简单。 试样制备简单。块状或粉末的试样不加处理或稍 加处理，就可直接放到SEM中进行观察, SEM中进行观察 加处理，就可直接放到SEM中进行观察,比透射电 子显微镜（TEM）的制样简单。 子显微镜（TEM）的制样简单。
在背散射电子像上的石墨条呈现暗的衬度， 在背散射电子像上的石墨条呈现暗的衬度， 而在吸收电子像上呈现亮的衬度。 而在吸收电子像上呈现亮的衬度。
奥 氏 体 铸 铁 的 显 微 结 构
背散射电子像
吸收电子像
表面形貌衬度的应用
基于二次电子像（表面形貌衬度）的分辨率比 基于二次电子像（表面形貌衬度） 较高且不易形成阴影等诸多优点，使其成为扫 较高且不易形成阴影等诸多优点， 描电镜应用最广的一种方式，尤其在失效工件 描电镜应用最广的一种方式， 的断口检测、磨损表面观察以及各种材料形貌 的断口检测、 特征观察上，已成为目前最方便、最有效的手 特征观察上，已成为目前最方便、 段。
(1)电子光学系统（镜筒） (1)电子光学系统（镜筒） 电子光学系统
电子枪、聚光镜、 由电子枪、聚光镜、物镜和样品室
等部件组成。 等部件组成。
扫描电镜一般有三个聚光镜： 扫描电镜一般有三个聚光镜：
前两个透镜是强透镜， 前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束 光斑尺寸。 光斑尺寸。 第三个聚光镜是弱透镜， 第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦 距，在该透镜下方放置样品可避免磁场 对电子轨迹的干扰。 对电子轨迹的干扰。
SEM的特点 SEM的特点 SEM成像的物理信号 SEM成像的物理信号 SEM的构造与工作原理 SEM的构造与工作原理 SEM的主要性能 SEM的主要性能 SEM像衬度 SEM像衬度 SEM样品制备 SEM样品制备
背散射电子
它是被固体样品中原子反射回来的一部分 入射电子。 入射电子。又分弹性背散射电子和非弹性背散 射电子。背散射电子的能量比较高， 射电子。背散射电子的能量比较高，其约等于 入射电子能量 E0。
．
背散射电子信号对表面形貌的变化不 那么敏感，分辨率不如二次电子像高， 那么敏感，分辨率不如二次电子像高，信 号强度低。 号强度低。
（ 2）
原子序数衬度
原子序数衬度又称为化学成分衬度 它是利用对样品微区原子序数或化 ，它是利用对样品微区原子序数或化 学成分变化敏感的物理信号作为调制 学成分变化敏感的物理信号作为调制 信号得到的一种显示微区化学成分 差别的像衬度。 差别的像衬度。 这些信号主要有背散射电子 背散射电子、 这些信号主要有背散射电子、吸 收电子和特征X射线等。 收电子和特征 射线等 射线
图像显示和记录
这一系统的作用是将电信号转换为阴极射线显 像管电子束强度的变化，得到一幅亮度变化的扫描 像管电子束强度的变化， 像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存 同时用照相方式记录下来， 储于计算机中。 储于计算机中。
(5)真空系统 (5)真空系统 (6)电源系统 (6)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。 射电镜的相同。
影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁 影响分辨本领的因素还有信噪比、 场和机械震动等。 场和机械震动等。
(3)景深 (3)景深
SEM景深很大。它的 景深很大。 景深很大 景深取决于分辨本领和 电子束入射半角ac。由 。 图可知， 图可知，扫描电镜的景 深F为 为
d0 F= tgα c
很小， 因为ac很小，所以上式 很小 d0 可写作 F=
SEM的特点 SEM的特点 SEM成像的物理信号 SEM成像的物理信号 SEM的构造与工作原理 SEM的构造与工作原理 SEM的主要性能 SEM的主要性能 SEM像衬度 SEM像衬度 SEM样品制备 SEM样品制备
扫描电镜的构造
由五个系统组成 (1)电子光学系统（镜筒） (1)电子光学系统（镜筒） 电子光学系统 (2)扫描系统 (2)扫描系统 (3)信号收集和图像显示系统 (3)信号收集和图像显示系统 (4)真空系统 (4)真空系统 (5)电源系统 (5)电源系统
(3) 信号收集和图像显示系统
扫描电镜应用的物理信号可分为： 扫描电镜应用的物理信号可分为： 电子信号，包括二次电子、背散射电子、 1) 电子信号，包括二次电子、背散射电子、 透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测， 透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测， 其他电子信号用电子收集器； 其他电子信号用电子收集器； 特征X射线信号， 射线谱仪检测； 2) 特征X射线信号，用X射线谱仪检测；
例如在放大倍数是500倍时， 例如在放大倍数是500倍时，焦深可 500倍时 1000μm。 达1000μm。 因而对于复杂而粗糙的样品表面， 因而对于复杂而粗糙的样品表面， 仍然可得清晰聚焦的图像。 仍然可得清晰聚焦的图像。并且图 像立体感强，易于分析 . 像立体感强，
SEM的特点 SEM的特点 SEM成像的物理信号 SEM成像的物理信号 SEM的构造与工作原理 SEM的构造与工作原理 SEM的主要性能 SEM的主要性能 SEM像衬度 SEM像衬度 SEM样品制备 SEM样品制备
SEM的特点 SEM的特点 SEM成像的物理信号 SEM成像的物理信号 SEM的构造与工作原理 SEM的构造与工作原理 SEM的主要性能 SEM的主要性能 SEM像衬度 SEM像衬度 SEM样品制备 SEM样品制备
(1)放大倍数 (1)放大倍数
扫描电镜的放大倍数可用表达式 M=AC/AS AC是荧光屏上图像的边长， AS是电子束在 是荧光屏上图像的边长， 样品上的扫描幅度。 样品上的扫描幅度。 目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20目前大多数商品扫描电镜放大倍数为 200000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。 倍
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(2) 分辨本领
SEM的分辨本领与以下因素有关： 的分辨本领与以下因素有关： 的分辨本领与以下因素有关
入射电子束束斑直径 由于扫描成像， 由于扫描成像，小于入射电子束束斑的细节不 能分辨。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场 能分辨。热阴极电子枪的最小束斑直径 ， 发射电子枪可使束斑直径小于3nm。 发射电子枪可使束斑直径小于 。
扫描电镜 SEM
SEM的特点 SEM的特点 SEM成像的物理信号 SEM成像的物理信号 SEM的构造与工作原理 SEM的构造与工作原理 SEM的主要性能 SEM的主要性能 SEM像衬度 SEM像衬度 SEM样品制备 SEM样品制备
扫描电镜的成像原理， 扫描电镜的成像原理，和透射电 镜大不相同，它不用什么透镜来进行 镜大不相同， 放大成像，而是象闭路电视系统那样， 放大成像，而是象闭路电视系统那样， 逐点逐行扫描成像。 逐点逐行扫描成像。
加偏压前后的二次电子收集情况 (a) 加偏压前 (b) 加偏压后
背散射电子能量比较高， 背散射电子能量比较高，受栅网上偏压的影响 比较小，收集器只能收集直接沿直线到达的电子。 比较小，收集器只能收集直接沿直线到达的电子。 同时，为了挡住二次电子进入收集器， 同时，为了挡住二次电子进入收集器，在栅网 上加上-250V的偏压。 上加上-250V的偏压。 的偏压
透射
吸收
由图知， 由图知，样品质 量厚度越大， 量厚度越大，则透
背散射+二次电 背散射 二次电 子
射系数越小， 射系数越小，而吸 收系数越大； 收系数越大；样品 背散射系数和二次 电子发射系数的和 也越大， 也越大，但达一定
电子在铜中的透射、 电子在铜中的透射、吸收 和背散射系数的关系
值时保持定值。 值时保持定值。
常见的电子收集器由三部分组成： 常见的电子收集器由三部分组成：
闪烁体： 闪烁体：收集电子信号 ， 光导管： 光导管：然后成比例地转换成 光 信号， 光电倍增管： 输出(增益达 光电倍增管：经放大后再转换成 电信号 输出 增益达 106)，作为扫描像的调制信号。 ，作为扫描像的调制信号。
收集二次电子时， 收集二次电子时，常在收集器前端栅网上加上 +250V偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道， +250V偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道，到 偏压 达收集器，提高了收集效率． 达收集器，提高了收集效率． 即使是在十分粗糙的表面上， 即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起 外的背面部分，都能得到清晰的图像。 外的背面部分，都能得到清晰的图像。