材料测试方法扫描电镜SEM详解课件.ppt
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1、 由于透射电镜是由于透射电镜是TETE进行成像的,这就要求进行成像的,这就要求样品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范样品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范围内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备围内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备手段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的手段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的程度。能否直接利用样品表面材料的物质性能程度。能否直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像,成为科学家追求的目标。经过进行微观成像,成为科学家追求的目标。经过努力,这种想法已成为现实努力,这种想法已成为现实-扫描电子显扫描电子显微镜微镜(Scanning Electronic M
2、icroscopy,(Scanning Electronic Microscopy,SEM)SEM)。扫描电子显微镜JEOLJEOL扫描电子显微镜扫描电子显微镜 图片来源:深圳柯西数据公司图片来源:深圳柯西数据公司JSM-6301FJSM-6301F场发射枪扫描电镜场发射枪扫描电镜图片来源:深圳柯西数据公司图片来源:深圳柯西数据公司SEM image(beetle)扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜 (scanning electron(scanning electron microscope)microscope)简称扫描电镜或简称扫描电镜或SEMSEM,它是以类似电视
3、摄影显它是以类似电视摄影显像的方式利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激像的方式利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。发出来的各种物理信号来调制成像的。新式新式SEMSEM的二次电子像的分辨率已达到的二次电子像的分辨率已达到34nm34nm,放大倍数可以从放大倍数可以从数倍放大到数倍放大到2020万倍左右万倍左右。由于扫描电镜的景深远比光学显微镜大,可由于扫描电镜的景深远比光学显微镜大,可以用它进行显微断口分析。以用它进行显微断口分析。引言引言 扫描电镜的优点是扫描电镜的优点是:1 1、有较高的放大倍数,、有较高的放大倍数,20-2020-20万倍之间连万倍之间连续可
4、调;续可调;2 2、有很大的景深,视野大,成像富有立、有很大的景深,视野大,成像富有立体感,可直接观察各种试样凹凸不平表面体感,可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构;的细微结构;3 3、试样制备简单;、试样制备简单;4 4、可同时进行显微形貌观察和微区成分、可同时进行显微形貌观察和微区成分分析。分析。引言引言 扫描电子显微镜的设计思想和工作原理,扫描电子显微镜的设计思想和工作原理,早在早在19351935年年便已被提出来了。便已被提出来了。19421942年,英国年,英国首先制成一台实验室用的扫描电镜首先制成一台实验室用的扫描电镜,但由于,但由于成像的分辨率很差,照相时间太长,所以实成像的
5、分辨率很差,照相时间太长,所以实用价值不大。经过各国科学工作者的努力,用价值不大。经过各国科学工作者的努力,尤其是随着电子工业技术水平的不断发展,尤其是随着电子工业技术水平的不断发展,到到19561956年制造出了第一台商品扫描电镜。年制造出了第一台商品扫描电镜。自自其问世以来,得到了迅速的发展,种类不断其问世以来,得到了迅速的发展,种类不断增多,性能日益提高,并且已广泛地应用在增多,性能日益提高,并且已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中,促生物学、医学、冶金学等学科的领域中,促进了各有关学科的发展。进了各有关学科的发展。引言引言2.1.1 SEM2.1.1 SEM的结构的结构2.
6、1 SEM2.1 SEM的构造和工作原理的构造和工作原理 图片来源:深圳柯西数据公司2.2 SEM2.2 SEM的构造和工作原理的构造和工作原理 2.2.1 SEM2.2.1 SEM的结构的结构a.a.电子光学系统电子光学系统b.b.信号收集处理,图像显示和记录系统信号收集处理,图像显示和记录系统c.c.真空系统真空系统扫描电镜扫描电镜电子枪电子枪电磁透镜电磁透镜扫描线圈扫描线圈样品室样品室(1 1)电子光学系统)电子光学系统(镜筒镜筒)作用作用是用来获得很细的电子束(直径约几是用来获得很细的电子束(直径约几个个nmnm),作为产生物理信号的激发源。),作为产生物理信号的激发源。2.2 SEM
7、2.2 SEM的构造和工作原理的构造和工作原理 a.a.电子枪电子枪作用:利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量作用:利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。的电子束。b.b.电磁透镜电磁透镜聚光镜作用:主要是把电子枪的束斑(虚光源)逐级聚光镜作用:主要是把电子枪的束斑(虚光源)逐级聚焦缩小,使原来直径约为聚焦缩小,使原来直径约为50m50m的束斑缩小成只有几的束斑缩小成只有几个个nmnm的细小束斑。的细小束斑。为了达到目的,可选用几个透镜来完成,一般选用为了达到目的,可选用几个透镜来完成,一般选用3 3个。个。2.2 SEM2.2 SEM的构造和工作原理的构造和工作原理 d.d.样品室样
8、品室主要部件是样品台。它能夹持一定尺寸的样品,主要部件是样品台。它能夹持一定尺寸的样品,并能使样品进行三维空间的移动,还能倾斜和转动并能使样品进行三维空间的移动,还能倾斜和转动,以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。c.c.扫描线圈扫描线圈作用:使电子束偏转,并在样品表面做有规则的扫作用:使电子束偏转,并在样品表面做有规则的扫描;即提供入射电子束在样品表面及阴极射线管内电描;即提供入射电子束在样品表面及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。子束在荧光屏上的同步扫描信号。(2 2)信号收集处理,图像显示和记录系统)信号收集处理,图像显示和记录系统2
9、.2 SEM2.2 SEM的构造和工作原理的构造和工作原理 作用:收集作用:收集(探测探测)样品在入射电子束作用下产样品在入射电子束作用下产生的各种物理信号,并进行放大;将信号检测生的各种物理信号,并进行放大;将信号检测放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极射线管荧光屏上的图像,供观察或记录。射线管荧光屏上的图像,供观察或记录。2.2 SEM2.2 SEM的构造和工作原理的构造和工作原理 (3 3)真空系统)真空系统作用:保证电子光学系统正常工作,防止样品作用:保证电子光学系统正常工作,防止样品污染,避免灯丝寿命快速下降。污染,避免灯丝寿命快速下降。需
10、要提供高的真空度,一般情况下要求保持需要提供高的真空度,一般情况下要求保持 1010-4-4-10-10-5-5mmHgmmHg的真空度。的真空度。2.3 SEM2.3 SEM的主要性能的主要性能 (1 1)分辨率)分辨率(点分辨率点分辨率)定义:定义:对微区成分分析而言,它是指能分析的最小区对微区成分分析而言,它是指能分析的最小区域;对成像而言,它是指能分辨两点之间的最小距离。域;对成像而言,它是指能分辨两点之间的最小距离。分辨率是扫描电镜的主要性能指标。分辨率是扫描电镜的主要性能指标。测定方法:在已知放大倍数(一般在测定方法:在已知放大倍数(一般在1010万倍)的条件万倍)的条件下,把在图
11、像上测到得最小距离除以放大倍数所得数值下,把在图像上测到得最小距离除以放大倍数所得数值就是分辨率。就是分辨率。目前:商品生产的目前:商品生产的SEMSEM,二次电子像的分辨率已优于,二次电子像的分辨率已优于5nm.5nm.例如:日立公司的例如:日立公司的S-570S-570型型SEMSEM的点分辨率为的点分辨率为3.5nm3.5nm;TOPCONTOPCON公司的公司的OSM-720OSM-720型型SEMSEM的点分辨率为的点分辨率为0.9nm.0.9nm.2.3 SEM2.3 SEM的主要性能的主要性能 影响分辨率的因素:影响分辨率的因素:p 扫描电子束的束斑直径扫描电子束的束斑直径 ;p
12、 检测信号的类型;检测信号的类型;p 检测部位的原子序数;检测部位的原子序数;2.3 SEM2.3 SEM的主要性能的主要性能 (2 2)放大倍数)放大倍数AsAs电子束在样品表面扫描的幅度;电子束在样品表面扫描的幅度;AcAc荧光屏阴极射线同步扫描的幅度;荧光屏阴极射线同步扫描的幅度;AcAc是固定不变的,是固定不变的,AsAs越小,越小,M M就越大就越大.放大倍数与扫描面积的关放大倍数与扫描面积的关系:系:(若荧光屏画面面积为若荧光屏画面面积为101010cm10cm2 2)放大倍数放大倍数 扫描面积扫描面积 1010 (1cm)(1cm)2 2 100 100 (1mm)(1mm)2
13、2 1,000 1,000 (100m)(100m)2 2 10,000 10,000 (10m)(10m)2 2 100,000 100,000 (1m)(1m)2 2 90 90年代后期生产的高级年代后期生产的高级SEMSEM的放大倍数已到的放大倍数已到8080万倍左右。万倍左右。2.3 SEM2.3 SEM的主要性能的主要性能 2.4 SEM2.4 SEM的成像衬度的成像衬度 二次电子像衬度二次电子像衬度背散射电子像衬度背散射电子像衬度分分衬度:衬度:电子像的明暗程度电子像的明暗程度取决于取决于电子束的强弱电子束的强弱,当两,当两个区域中的电子强度不同时将出现图像的明暗差异,个区域中的电
14、子强度不同时将出现图像的明暗差异,这种差异就是衬度。这种差异就是衬度。形貌衬度形貌衬度:由于试样表面形貌差别而形成的衬度。由于试样表面形貌差别而形成的衬度。成分衬度:成分衬度:由于试样表面不同部位原子序数不同而形由于试样表面不同部位原子序数不同而形成的衬度。成的衬度。2.4.1 2.4.1 二次电子像衬度二次电子像衬度2.4 SEM2.4 SEM的成像衬度的成像衬度 (1)(1)二次电子成像原理二次电子成像原理a.a.二次电子二次电子:在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的核外电子。表面的核外电子。b.b.二次电子的性质:二次电子的性质:主要来自样品
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