自從1965年第一臺(tái)商品掃描電鏡問世以來，經(jīng)過40多年的不斷改進(jìn)，掃描電鏡的分辨率從第一臺(tái)的25nm提高到現(xiàn)在的0.01nm，而且大多數(shù)掃描電鏡都能與X射線波譜儀、X射線能譜儀等組合，成為一種對(duì)表面微觀世界能夠經(jīng)行全面分析的多功能電子顯微儀器。

用掃描電鏡可直接對(duì)晶體缺陷及生成過程進(jìn)行研究，可觀測金屬材料內(nèi)部原子及其真實(shí)邊界的集結(jié)模式，還可觀測不同情況下邊界的運(yùn)動(dòng)模式，也可對(duì)晶體進(jìn)行表面機(jī)械加工造成的破壞及輻射損傷進(jìn)行檢驗(yàn)等等。

1、掃描電鏡的結(jié)構(gòu)及主要性能

掃描電鏡大致可以分為鏡體與電源電路系統(tǒng)兩個(gè)組成部分。鏡體部分主要包括電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集與顯示系統(tǒng)，真空抽氣系統(tǒng)。

（1）電子光學(xué)系統(tǒng)

由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。

（2）信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)

檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)?，F(xiàn)在普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。

（3）真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染，一般情況下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。

（4）電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。

（5）各類顯微鏡主要性能的比較

2、掃描電鏡工作原理

掃描電鏡由電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過磁透鏡系統(tǒng)匯聚，形成直徑為5nm，經(jīng)過二至三個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成一個(gè)細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。這些信號(hào)被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對(duì)應(yīng)，也就是說，電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。

掃描電鏡正是這樣利用逐點(diǎn)成像將樣品表面的不同特性，依次、成比例地變換成視頻信號(hào)來完成一幀，這樣，我們就可以從熒光屏中看到試樣表面多種特征圖像。

（1）掃描電鏡襯度像

a. 二次電子像

在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品表面的核外電子叫做二次電子。這是一種真空中的自由電子。二次電子一般都是在表層5~10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，它對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用它來進(jìn)行成分分析。

b.背散射電子像

背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子，背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)能隨樣品原子序數(shù)增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地用作成分分析。

背散射電子信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于二次電子，因此粗糙表面原子序數(shù)襯度常被形貌襯度掩蓋。

（2）掃描電鏡的附件

掃描電鏡一般都配有波譜儀或者能譜儀。波譜儀和能譜儀是不能互相取代的，只能是互相補(bǔ)充。

波譜儀是利用布拉格方程2dsinθ=λ，從試樣激發(fā)出了X射線經(jīng)適當(dāng)?shù)木w分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角2θ。波譜儀是微區(qū)成分分析的有力工具。波譜儀的波長分辨率是很高的，但是由于X射線的利用率很低，所以它使用范圍有限。

能譜儀是利用X光量子的能量不同來進(jìn)行元素分析的方法，對(duì)于某一種元素的X光量子從主量子數(shù)為n1的層躍遷到主量子數(shù)為n2的層上時(shí)，有特定的能量ΔE=En1-En2。能譜儀的分辨率高，分析速度快，但分辨本領(lǐng)差，經(jīng)常有譜線重疊現(xiàn)象，而且對(duì)于低含量的元素分析準(zhǔn)確度很差。

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