扫描电镜实验课教学讲义

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1、一.扫描电镜的构造及原理扫描电镜是利用细聚焦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收、放大和显示，实现对试样进行微区分析。结构上可分为五部分，即：电子光学系统、扫描系统、信号接收与显示系统、样品移动与更换系统和真空系统。下面可通过日立S－530为例了解扫描电镜结构及原理。1.1电子光学系统电子光学系统如图1-1所示。这部分是由电子枪及电磁透镜等组成。图1-1扫描电镜电子光学系统电子枪是采用三级热阴极电子枪。普通灯丝做成V型，栅极为负偏压，阳极接地。电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布要小，目前常用的种类计有三

2、种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射(FieldEmission)，热游离方式电子枪有钨(W)灯丝及六硼化镧(LaB6)灯丝两种，它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(workfunction)能障而逃离。当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高电场使电子的电位障碍产生Schottky效应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接"穿隧"通过此狭窄能障并离开阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来，因此可得极细1而又

3、具高电流密度的电子束，其亮度可达热游离电子枪的数百倍，或甚至千倍。表1-1为钨灯丝、六硼化镧灯丝和场发射的性能比较。电子能量散布亮度真空度寿命Candela钨灯丝2eV81.3E-4mBar100h六硼化镧灯丝1eV402E-7mBar2000h场发射0.2-0.3eV30005E-9mBar10000h表1-1钨灯丝、LaB6灯丝、场发射的性能比较S-530使用的是钨灯丝，通常每周需要更换灯丝一次。更换灯丝时，需要将温纳尔帽清洗干净，并将灯丝对中。图1-2钨灯丝的构造图电磁透镜是由三个会聚型透镜组成。三个会聚透镜对电子束的压缩倍数分

4、别为M1、M2、M3。落在样品上的电子束直径，也称束斑直径d，可由下列公式表示：d=d0/M1xM2xM3式中d0为栅极和阳极之间交叉斑直径（30-50μm）。S－530分辨率为50A，所以电子束的总的压缩倍数应在10,000倍以上。最末级的会聚镜也称为物镜，物镜上方装有物镜光阑，孔径分别为0.1，0.2，0.3，0.4mm。物镜光栏孔径越小，图像的分辨率越高，但信号越弱、信噪比越低，背散射电子像衬度越低，景深越大；物镜光栏孔径越大，图像的分辨率越低，但信号强、信噪比高，背散射电子像的衬度越高，景深越小。S－530扫描电镜还装有8级像

5、散消除器。像散是由于电磁透镜的会聚能力不对称造2成的。如果不调节像散会造成图像变形。当图像的放大倍数不高时（低于1000倍），像散对图像的影响不大。放大倍数越高，越需要消像散。工作距离越大，像散对图像的影响越大。图1-3透镜的三种缺陷对光源的影响a.球面像差，由于通过透镜中心与边缘的会聚能力不同造成的b.色差，透镜对不同波长的电子束会聚能力不同造成的c.像散，通过透镜同直径不同平面的会聚能力不同造成的图1-4有无像散的图像对比3a-e为有像散时，欠焦到过焦的过程中，图像的变化。f-j为无像散时，欠焦到过焦的过程中，图像的变化。1.2扫

6、描系统主要包括扫描发生器、扫描线圈和放大倍率变换器。扫描发生器的基本原理是利用开关电路对积分电容反复充电、放电而产生一串锯齿波输出，是随着时间线性变化的波形。S－530扫描电镜的扫描发生器由X扫描发生器、Y扫描发生器及它们的放大器组成，从而实现行扫描和帧扫描。锯齿波信号同步地送入镜筒中的扫描线圈和显示系统的显像管的扫描线圈上。扫描电镜的放大倍率是通过改变电子束的偏转角度来调节的。放大倍数等于显示屏上4的宽度与电子束在试样上扫描的宽度之比。如果显示屏宽度为150mm，放大10倍，试样上的行扫宽度为15μm。S－530扫描电镜放大倍数为2

7、0-150,000倍率连续可调。1.3信号的接收、放大与显示电子束与试样相互作用会产生多种信息。主要有二次电子，背散射电子及X射线等，扫描电镜中采用不同的探测器可以接收不同的信号。如用正比计数器接收X射线，再加上晶体分光计则可组成波谱仪——电子探针；如用Si（Li）半导体计数，接收X射线，则可组成能谱仪，还可利用俄歇电子为信号做成俄歇谱仪等。由闪烁体及光电倍增管组成的以接收二次电子为主的仪器称为扫描电镜。二次电子的探测系统如图1－5所示。二次电子在收集栅的作用下（+500V）打在闪烁体探头上，探头表面喷涂有约数百埃的铝膜和荧光物质，闪

8、烁体上加有+10KV电压，以保证绝大部分电子落在探头的顶部。在二次电子的轰击下闪烁体释放出光子束，沿着光导管传到光电倍增管的阴极上。光电阴极把光信号转变成电信号并加以放大输出，再经前置放大器放大后进入视频放大器，再到CR