SEM发展的简史 sem扫描电镜的原理

一、SEM发展的简史

扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM简称SEM)，是继透射电镜(TEM)之后发展起来的一种电子显微镜。1952年，英国工程师Charles 0atley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)。

SEM的成像原理和光学显微镜、透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，通过电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子等，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。

SEM扫描电镜在断口失效分析、材料微观组织形貌观察及成分分析方面发挥了重要作用。

二、SEM扫描电镜的原理：如下图所示：

l二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。

由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离。当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可离开原子而变成自由电子。

如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那些能量尚大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。

二次电子产额随原于序数的变化不明显，它主要决定于表面形貌。

二次电子对试样表面状态非常敏感,能有效地显示试样表面的微观形貌。扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。因此一般所说的电子显微镜照片即是指收集到的二次电子信号转化成的图象,简称形貌像。

SEM扫镜电镜下的头发丝

l背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

背散射电子成像分辨率一般为50-200nm(与电子束斑直径相当)。

背散射电子及二次电子的产额随原子序数的增加而增加，但二次电子增加的不明显。而背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性地成分分析。

原子序数高的元素，背散射能力强。

因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中物质相态的差别。背散射电子像亦称为成分像。

由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过23个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描,激发样品产生各种物理信号,如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受,经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。

三、扫描电子显微镜的结构：

SEM由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统及电源系统组成。

l 电子光学系统

电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。

·其作用是用来获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。

为获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

l 电子枪

其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。

扫描电子显微镜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的低。

根据电子束发生装置不同，扫描电镜可分为:钨灯丝扫描电镜、六硼化锏电镜、场发射电镜(场发射又分热场和冷场两种)。

l 电磁透镜

其作用是把电子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来直径约50um的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。

扫描电子显微镜一般由三个聚光镜，前两个聚光镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，该透镜下方放置祥品，为避免磁场对二次电子轨迹的干扰，该透镜采用上下极靴不同且孔径不对称的特殊结构，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，从而减小了试样表面的磁场强度。

其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。

l 扫描线圈

扫描线圈是扫描电子显微镜的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内，使电子束进入末级透镜强磁场区前就发生偏转，为保证方向一致的电子束都能通过末级透镜的中心射到样品表面;扫描电子显微镜采用双偏转扫描线圈。

当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。在电子束偏转的同时还进行逐行扫描，电子束在上下偏转线圈的作用下，扫描出一个长方形，相应地在样品上画出一帧比例图像。

如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描。

四、描电镜的优点

有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调;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的细微结构;试样制备简单。 目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。

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