扫描电镜的结构

　　扫描电镜全称扫描电子显微镜，简称SEM，是根据电子光学原理，用聚焦很细的电子束照射到要检测的样品表面，电子束与样品相互作用产生各种信息，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器。扫描电镜主要包括电子光学系统、真空系统、成像系统以及检测器。

扫描电镜的电子光学系统

　　扫描电镜的电子光学系统由电子枪、电磁透镜和偏转线圈(又称扫描线圈)几部分组成，是扫描电镜的核心部分，它决定了扫描电镜的类型和扫描电镜的性能。主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成像。

　　1、电子枪的类型及发射机制

　　电子枪用于产生电子，主要有两大类。

　　一类是热游离式电子枪，主要有钨灯丝和六硼化镧灯丝电子枪。一般低配置扫描电镜中钨灯丝电子枪比较常见。钨灯丝扫描电镜中电子枪的阴极是100μm直径的钨丝制成V形的发叉式钨丝阴极，使用V形的作为点发射源。钨灯丝属于热游离电子枪，在灯丝电极加直流电压，钨丝发热，使用温度一般在2600K～2800K之间，由于钨丝的蒸发速度随温度升高而急剧上升，因此钨灯丝的寿命比较短，一般在50～200小时之间。它的制造工艺比较简单，价格比较便宜，在使用过程中更换的比较频繁。

　　另一类是场发射扫描电镜电子枪，有冷场发射式和热场发射式两种。场发射扫描电镜电子枪阴极使用100μm直径的钨丝，经过腐蚀制成针状的尖阴极，一般曲率半径在100nm～1μm之间，在尖阴极表面增加强电场，产生Schottky效应，从而降低阴极材料的表面势垒，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，发射到真空中。因此可得极细而又具高电流密度的电子束，其亮度可达钨灯丝电子枪的数百倍，或甚至千倍。冷场电子枪发射温度为常温300K，热场电子枪发射温度为1500K～1800K。由于阴极材料使用温度较钨灯丝电子枪低，一般材料不会损失，因此寿命很长，冷场电子枪可使用上万小时。

　　2、电磁透镜和偏转线圈

　　电磁透镜主要包括聚光镜、聚光镜光阑、偏转线圈、物镜及物镜光阑等几部分。电子枪发出的电子束会聚集成一个直径很细的交叉点，一般钨枪发射的电子束的交叉点为10nm～1μm，六硼化镧枪及场致发射枪产生的电子束交叉点更细。电子束的直径通过聚光镜使交叉点缩小到几十分之一，通过物镜后又缩小为几十分之一。

　　电子束通过偏转线圈后发生偏转，并在样品表面有规则的扫动，达到对样品测试面的检测。光阑的主要作用是过滤电子束中的杂散电子。物镜光阑离样品Z近，比较容易结碳，影响电子束的分辨率和亮度，现在高端的场致发射扫描电镜配的物镜光阑有自清洁功能，这样就可以省去破坏真空系统打开样品室清洗光阑的麻烦。

扫描电镜的真空系统

　　扫描电镜属于高真空系统的仪器，它的真空度靠真空泵来实现。扫描电镜使用的真空泵主要有机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵及离子泵几类。

　　钨灯丝扫描电镜的真空度要求相对较低，通过机械泵加油扩散泵组合即可满足要求。六硼化镧灯丝在加热时活性很强，所以必须在较好的真空环境下操作，一般要达到10^-7torr。电子枪部分的真空度要靠离子泵实现。场致发射电子枪是从极细的钨针尖发射电子，要求金属表面必需完全干净，所以场发射电子枪必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。冷场发射式电子枪必需在10^-10torr的真空度下操作。热场发式电子枪是在1800K温度下操作，能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较冷场差的真空度下(10^-9torr)操作。

　　场致发射扫描电镜的样品仓的真空度靠机械泵加油扩散泵或机械泵加涡轮分子泵的组合实现，其中涡轮分子泵比起油扩散泵可以得到更加清洁的真空环境;其电子枪部分的真空需要几级的离子泵实现。

扫描电镜的成像系统和检测器

　　1、扫描电镜成像原理

　　从灯丝发射出来的热电子，受2-30kV电压加速，经两个聚光镜和一个物镜聚焦后，形成具有一定能量，强度和斑点直径的入射电子束，在偏转线圈产生的磁场作用下，入射电子束按一定时间、空间顺序做光栅式扫描，入射电子和样品相互作用，产生二次电子、背散射电子、俄歇电子以及X射线等一系列信号。

　　扫描电镜中的Z基本成像是二次电子成像，它主要反映样品的表面立体形貌。由于样品表面的高低参差、凹凸不平，电子束照射到样品上，不同点的作用角不同，因此造成激发的二次电子数就不同;入射角的方向不同，二次电子向空间散射的角度和方向也不同，在样品凸出部分和面向检测器的方向的二次电子多些，样品凹处和背向检测器的方向二次电子就少些。

　　二次电子发射量随试样表面形貌而变化，二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。

　　2、二次电子成像的分辨率

　　扫描电镜的分辨率主要取决于打到样品表面上电子束的直径。而电子束的直径主要是由电子枪所决定。

　　钨灯丝扫描电镜的分辨率由钨枪所限制，钨灯丝的电子发射温度高，发射的电子能量分散度大，一般为2ev，现在Z佳的分辨率可达到3nm左右。其放大倍数目前可达到5～300000倍。六硼化镧(LaB6)灯丝的电子能量散布为1eV，分辨率比钨丝要好。

　　场发射扫描电镜中的场致发射电子枪的电子能量散布仅为0.2～0.3eV，分辨率比钨灯丝扫描电镜提高很多，属于高分辨扫描电镜，分辨率可以达到1nm，甚至更高0.4nm的高分辨率，现在一些高配置的场发射扫描电镜放大倍数也提高到2000000倍，可以更好的观测纳米世界的秘密。

　　3、检测器

　　扫描电镜配以不同的检测器，可以得到样品的不同信息。二次电子检测器，用于样品表面的形貌分析;背散射电子检测器用于显示样品中元素的分布;X射线能谱仪用于样品的成分分析;以及热场发射扫描电镜可配置X射线波谱仪更精确的检测物质的成分。