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扫描电子显微镜简介

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扫描电子显微镜是一种大型分析仪器,它广泛应用于观察各种固态物质的表面超微结构的形态和组成。 所谓扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程。它与电视一样是由控制电子束偏转的电子系统来完成的,只是在结构和部件上稍有差异而已。 在电子扫描中,把电子束从左到右方向的扫描运动叫做行扫描或称作水平扫描,把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。两者的扫描速度完全不同,行扫描的速度比帧扫描的速度快,对于1000条线的扫描图象来说,速度比为1000。

扫描电子显微镜(SEM)是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具,主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态,即用极狭窄的电子束去扫描样品,通过电子束与样品的相互作用产生各种效应,其中主要是样品的二次电子发射。二次电子能够产生样品表面放大的形貌像,这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的,即使用逐点成像的方法获得放大像。

 

扫描电子显微镜工作原理

二次电子成像是使用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛,分辨本领最高的一种图象。由电子枪发射的电子束最高可达30keV,经会聚透镜、物镜缩小和聚焦,在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下,入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用,将从样品中激发出二次电子。由于二次电子收集极的作用,可将各个方向发射的二级电子汇集起来,再将加速极加速射到闪烁体上,转变成光信号,经过光导管到达光电倍增管,使光信号再转变成电信号。这个电信号又经视频放大器放大并将其输送至显像管的栅极,调制显像管的亮度。因而,再荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。

入射电子与试样相互作用

入射电子与试样相互作用

 

在扫描电镜中,入射电子束在样品上的扫描和显像管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的。这样就保证了入射电子束的扫描和显像管中电子束的扫描完全同步,保证了样品上的 “物点”与荧光屏上的“象点”在时间和空间上一一对应,称其为“同步扫描”。一般扫描图象是由近100万个与物点一一对应的图象单元构成的,正因为如此,才使得扫描电镜除能显示一般的形貌外,还能将样品局部范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图象形式显示。

 

扫描电子显微镜结构原理

扫描电镜的基本结构可分为六大部分,电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统。下图是扫描电镜主机构造示意图。

扫描电镜主机构造示意图

扫描电镜主机构造示意图

 

1. 电子光学系统  主要包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。

(1)电子枪:根据阴极材料分类,电子枪主要有三种类型,钨丝( W)、六硼化镧( LaB6)、钨单晶。根据分辨率的不同,可选择不同的阴极材料。分辨率要求越高,阴极材料也就越贵。电子束加速电压一般为0.5~30kV。目前,应用于SEM的电子枪可以分为三类:a为直热式发射型电子枪,阴极材料为钨丝(直径大约0.1~0.15mm),制成发夹式或针尖式形状,并利用直接电阻加热来发射电子,它是一种最常用的电子枪;b为旁热式发射型电子枪。阴极材料式用电子逸出功小的材料如LaB6,YB6,TiC 或ZrC 等制造,其中LaB6应用最多,它是用旁热式加热阴极来发射电子;c为场致发射型电子枪。阴极材料是用(310)位向的钨单晶针尖,针尖的曲率半径大约为100nm,它是利用场致发射效应来发射电子的;

(2)电磁透镜,主要是对电子束进行聚焦,一般有两到三个透镜。每个透镜都配有光阑,可对无用的电子实现遮挡。目前扫描电镜的透镜系统有三种结构:(a)双透镜系统;(b)双级励磁的三级透镜系统;(c)三级励磁的三级透镜系统。其中以三级励磁透镜系统具有较多优点,其理由如下:(1)多一级透镜的效果是使电子束的收缩能力更强,对原始光源的尺寸要求不高,仍可以获得小于5nm的电子束斑;(2)电子光学系统具有较大的灵活性,便于形成各种扫描式的光路,特别是要形成单偏转摇摆扫描式的光路(这是一种获得选区电子通道花样的光路),只有用三个独立可调的透镜系统才有可能做到。

(3)扫描线圈,在扫描信号发生器的作用下,对样品表面进行从左到右的光栅式扫描。样品室是试样的检测场所,同时装有各种信号探测器。样品在该区域可实现上下、前后、旋转等运动,以便对样品进行全方位的观测。

2. 扫描系统

扫描系统由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是:

1) 使入射电子束在样品表面扫描,并使阴极射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,从而改变扫描像的放大倍数。

3. 信号收集及图像显示系统

扫描电镜应用的物理信号可分为:

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,其他电子信号用电子收集器;

2) 特征X射线信号,用X射线谱仪检测(EDS)

3) 光学信号(阴极荧光)

图像显示系统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,同时用照相方式记录下来,或用数字化形式存储于计算机中。

4. 真空系统

真空系统为电子光学系统提供必需的高真空,保证了电子束的正常扫描,还可以防止样品受到污染。

5. 电源系统

电源系统主要是指各种部件的电源,如加速电压电源、透镜电源和光电倍增管电源等。

 

扫描电子显微镜成象特点

扫描电镜虽然是显微镜家族中的后起之秀,但由于其本身具有许多独特的优点,发展速度是很快的。

1仪器分辨率较高,通过二次电子象能够观察试样表面6nm左右的细节,采用LaB6电子枪,可以进一步提高到3nm。

2仪器放大倍数变化范围大,且能连续可调。因此可以根据需要选择大小不同的视场进行观察,同时在高放大倍数下也可获得一般透射电镜较难达到的高亮度的清晰图像。

3观察样品的景深大,视场大,图像富有立体感,可直接观察起伏较大的粗糙表面和试样凹凸不平的金属断口象等,使人具有亲临微观世界现场之感。

4样品制备简单,只要将块状或粉末状的样品稍加处理或不处理,就可直接放到扫描电镜中进行观察,因而更接近于物质的自然状态。

5可以通过电子学方法有效地控制和改善图像质量,如亮度及反差自动保持,试样倾斜角度校正,图象旋转,或通过Y调制改善图象反差的宽容度,以及图象各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图象选择器,可在荧光屏上同时观察放大倍数不同的图象。

6可进行综合分析。装上波长色散X射线谱仪(WDX)或能量色散X射线谱仪(EDX),使具有电子探针的功能,也能检测样品发出的反射电子、X射线、阴极荧光、透射电子、俄歇电子等。把扫描电镜扩大应用到各种显微的和微区的分析方式,显示出了扫描电镜的多功能。另外,还可以在观察形貌图象的同时,对样品任选微区进行分析;装上半导体试样座附件,通过电动势象放大器可以直接观察晶体管或集成电路中的PN结和微观缺陷。由于不少扫描电镜电子探针实现了电子计算机自动和半自动控制,因而大大提高了定量分析的速度。

 

扫描电子显微镜优势

(1)能直接观察大尺寸试样的原始表面。其能够直接观察尺寸可大到直径为100mm,高50mm,或更大尺寸的试样,对试样的形状没有任何限制,粗糙表面也能观察。

(2)试样在样品室中可动的自由度非常大。其它方式显微镜的工作距离通常只有2~3mm,故实际上只允许试样在两度空间内运动。但在SEM由于工作距离大,焦深大,样品室的空间也大,这对观察不规则形状试样的各个区域细节带来无比的方便。

(3)观察试样的视场大。若采用30cm的显像管,放大倍数为10倍时,其视场范围可达30mm。

(4)焦深大,图像富立体感。SEM的焦深比TEM大10倍,比光学显微镜大几百倍。由于图像景深大,故所得扫描电子像富有立体感。

(5)扫放大倍数的可变范围很宽,且不用经常对焦。SEM的放大倍数范围很宽,且一次聚焦好后即可从低倍到高倍,或低倍到高倍连续观察,不用重新聚焦。

(6)在观察厚块试样中,它能得到的较高的分辨率和最真实形貌。对厚块试样进行观察,TEM镜中要采用复膜方法,而复膜的分辨率通常只能达10nm,且观察并不是试样本身。因此,用SEM观察厚块试样更有利,更能得到真实的试样表面资料。

(7)因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小。观察时所用的电子探针电流小,电子探针的束斑尺寸小,电子探针的能量也比较小,而且是以光栅状扫描方式照射试样,因此,由于电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小。

(8)能进行动态观察。可以通过连接电视装置,观察相变、断裂等动态的变化过程。

(9)可以从试样表面形貌获得多方面资料。可以通过信号处理方法,获得多种图像的特殊显示方法,可以从试样的表面形貌获得多方面资料。

(10)SEM除了观察表面形貌外,还能进行成分和元素的分析。采用三透镜式的SEM还可以通过电子通道花样进行结晶学分析。由于扫描电镜具有上述特点和功能,所以颇受科研工作者的重视,用途日益广泛。

 

 

 

 

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深圳善时扫描电子显微镜SS-150

善时扫描电子显微镜

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经过团队2年的艰苦努力,善时仪器公司为了满足更多客户的需求,我们已推出升级产品,SS-150系列电子显微镜。此系列电子显微镜配置高等,我们主要着眼于经济适用,更适合于在国内中高客户群体内做普及性推广。

对于此系列的小型SEM,我们自行设计制造了电子枪系统、光学系统,电子控制系统,真空组件,软件等等,我们尽可能自己制造了除真空泵和电子元器件外的全部部件,所有倾注的心血主要是为产品下一步的技术升级做到尽可能多的技术储备。

 

作为国内一个自主研发的仪器公司,我们投入了大部分精力在做扫描电子显微镜的项目,我们目的很明确,就是要尽可能做到在同等技术级别的平台下不落后国际上的前辈产品。我们还会像能谱仪(ED-XRF)一样,一步一个脚印的为国内厂家、大学和研发机构等做好每一台产品。希望我们的产品能够为我们中国日益蓬勃的研发工作做出微薄之力。

2017-06-14 16:51:08  浏览次数:5214
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