扫描电子显微镜的构造和工作原理

扫描电子显微镜的构造和工作原理 电子光学系统 信号的收集和 图像显示系统 真空系统

扫描电镜结构原理示意图1

电子光学系统电子光学系统包括： 电子枪 电磁透镜 扫描线圈 样品室

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。

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。它们的功能是把电子枪的束斑(虚光源)逐级聚焦 缩小，使原来直径约为50μm的束斑缩小成一个只有数纳米的 细小斑点。 扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜。前两个聚光镜是强磁 透镜，用于缩小电子束光斑；第三个聚光镜是弱磁透镜(称 为物镜),具有较长的焦距。目的是使样品室和透镜之间留 有一定的空间，以便装入各种探测器。 扫描电子显微镜照射到样品上的电子束直径越小，相当于成 像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。 普通热阴极电子枪的束径可达到6nm左右。4

扫描线圈 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。图示为电子束在样品表 面进行扫描的两种方式。 进行形貌分析时采用光栅扫描方式(a),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，发生二次偏转的电 子束通过物镜照射到样品表面。 如果电子束方向经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈 改变方向，而直接由物镜折射到入射点位置，称为角 光栅扫描(b),在进行电子通道花样分析时采用这种 操作方式。5

样品室 样品室内除放置样品外，还安置信号探测 器。 样品台能使样品作平移、倾斜和转动等运 动。 样品室可带有多种附件，如加热、冷却、 拉伸等。

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 引起电离，当离子和自由电子复合后产生可见光。 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的电子束是同步扫 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。7

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。一 般为10-4-10

-5mmHg。

扫描电子显微镜的主要性能 分辨率 放大倍数

分辨率 扫描电子显微镜分辨率的高 低和检测信号的种类有关。 下面列出了扫描电子显微镜 主要信号的成像分辨率。各种信号的成像分辨率 (nm)信号 分辨率 二次电子 背散射电子 5-10 50-200 吸收电子 100-1000 特征X射线 100-1000 俄歇电子 5-10

分辨率的测定

扫描电子显微镜的分辨率是通过测定图像中两 个颗粒(或区域)间的最小距离来确定的。 测定的方法是在已知放大倍数(一般在10万倍) 的条件下，把在图像上测到的最小间距除以放 大倍数就是分辨率。 图为真空蒸镀金膜样品测定分辨率的照片。 扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 5nm。11

点分辨率测定照片真空蒸镀金膜表面金颗粒分布形态

放大倍数 当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面 扫描的幅度为AS,相应地在荧光屏上阴极射线同步 扫描的幅度是Ac, Ac和AS的比值就是扫描电子显微镜 的放大倍数，即 M=Ac/AS。 由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定不变的， 电子束在样品上扫描一个任意面积的矩形时，我们 看到的扫描图像都和荧光屏尺寸相同。因此只要减 小电子束的扫描幅度就可以得到高的放大倍数 。 扫描电子显微镜的放大倍数可从数倍到80万倍左右。13