扫描电子显微镜的发展与应用

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1、扫描电子显微镜的发展与应用摘要：介绍了扫描电子显微镜的工作原理、结构特点及其发展，阐述了扫描电子显微镜在材料科学领域中的应用。关键词：扫描电子显微镜；构造；材料；应用扫描电子显微镜（SEM）于20世纪60年代问世，是用来观察样品表面微区形貌和结构的一种大型精密电子光学仪器。其工作原理是利用一束极细的聚焦电子束扫描样品表面，激发出某些与样品表面结构有关的物理信号（如二次电子、背散射电子）来调制一个同步扫描的显像管在相应位置的亮度而成像。扫描电子显微镜主要用于观察固体厚试样的表面形貌，具有很高的分辨力和连续可调的放大倍数，图像具有很强的立体感。扫描电镜能够与电子能谱仪、

2、波谱仪、电子背散射衍射仪相结合，构成电子微探针，用于物质化学成分和物相分析。因此，扫描电子显微镜在冶金、地质、矿物、半导体、医学、生物学、材料学等领域得到了非常广泛的应用。1.扫描电镜的原理和构造1.1扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜的原理是利用电子枪采用真空加热钨灯丝，发生热电子束，在0.5～30kV的加速电压下，经过电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚极细电子束，并在样品表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束打到样品上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比，扫描电子显微镜是采用逐点成像的图像分解法进行的，

3、光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完成一幅图像。对扫描电子显微镜成像有影响的信号主要有二次电子、背散射电子和X射线谱线等（见图1）。其中二次电子是样品与初始束电子相互作用而被激发出来的样品原子所含的电子，它们能量很低，只能从样品表面很浅的区域逸出，是扫描电子显微镜检测出的主要信号，对应的图像被称为二次电子图像，具有立体感，成像分辨率最好，能准确地反映样品表面的形貌(凹凸)特征；背散射电子是与样10品原子核发生弹性碰撞而被散射出样品的电子束电子，这部分电子能量很高，其成像分辨率不高；X射线谱线是当入射电子流轰击到样品表面时，如果

4、能量足够高，样品内部分原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态，样品原子各能级间出现电子跃迁而产生的，其成像分辨率最差。扫描电子显微镜探头收集样品释放出的二次电子，背散射电子，X射线等信号（其作用见表2）。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。当电子束以一定方式扫描时，按扫描的先后顺序将亮度的变化显示出来，即可得到样品表面形貌图。收集信号要类别功能二次电子形貌分析背散射电子成分分析特征X射线成分分析俄歇电子成分分析图1电子束与固体样品表1扫描电镜中主要信号及其作用作用时产生的信号1.2扫描电子显微镜的构造扫描电镜是根据电子光学原理，

5、用电子束和电磁透镜代替光束和光学透镜，将物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像，它主要由电子光学系统、信号处理系统、图像显示系统、真空系统四大部分构成（见图2）。10图2扫描电镜的构造1.2.1电子光学系统(镜筒)电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。（1）电子枪　　扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子显微镜低。（2）电磁透镜　　扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是作聚光镜用，它们的功能只是把电子枪的束斑(虚光源)逐级聚焦缩小，使原来直径约为 50um的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点。（3）扫描

6、线圈　　扫描线圈的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10样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步。（4）样品室　　样品台本身是一个复杂而精密的组件，它能夹持一定尺寸的样品，并能使样品作平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型试验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验(如拉伸和疲劳)。样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。1.2.2信号的收集和图像显示系统二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引

7、起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映试样各点状态的扫描电子显微图像。1.3.3真空系统为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作，对镜筒内的真空度有一定的要求。如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。1.扫描电镜