SEM掃描電鏡知識點(diǎn)掃盲-儀德公司

1. 光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光為介質(zhì)，電子顯微鏡以電子束為介質(zhì)，由于電子束波長(cháng)遠較可見(jiàn)光小，故電子顯微鏡分辨率遠比光學(xué)顯微鏡高。光學(xué)顯微鏡放大倍率高只有約1500倍，掃描式顯微鏡可放大到10000倍以上。

　　2. 根據de Broglie波動(dòng)理論，電子的波長(cháng)僅與加速電壓有關(guān)：

　　λe=h / mv= h / (2qmV)1/2=12.2 / (V)1/2 (?)

　　在 10 KV 的加速電壓之下，電子的波長(cháng)僅為0.12?，遠低于可見(jiàn)光的4000 - 7000?，所以電子顯微鏡分辨率自然比光學(xué)顯微鏡*許多，但是掃描式電子顯微鏡的電子束直徑大多在50-100?之間，電子與原子核的彈性散射 (Elastic Scattering) 與非彈性散射 (Inelastic Scattering) 的反應體積又會(huì )比原有的電子束直徑增大，因此一般穿透式電子顯微鏡的分辨率比掃描式電子顯微鏡高。

　　3. 掃描式顯微鏡有一重要特色是具有超大的景深(depth of field)，約為光學(xué)顯微鏡的300倍，使得掃描式顯微鏡比光學(xué)顯微鏡更適合觀(guān)察表面起伏程度較大的樣品。

　　4. 掃描式電子顯微鏡，其系統設計由上而下，由電子槍 (Electron Gun) 發(fā)射電子束，經(jīng)過(guò)一組磁透鏡聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔徑 (Condenser Aperture) 選擇電子束的尺寸(Beam Size)后，通過(guò)一組控制電子束的掃描線(xiàn)圈，再透過(guò)物鏡 (Objective Lens) 聚焦，打在樣品上，在樣品的上側裝有訊號接收器，用以擇取二次電子 (Secondary Electron) 或背向散射電子 (Backscattered Electron) 成像。

　　5. 電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的種類(lèi)計有三種，鎢(W)燈絲、六硼化鑭(LaB6)燈絲、場(chǎng)發(fā)射 (Field Emission)，不同的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩定度及電子源壽命等均有差異。

　　6. 熱游離方式電子槍有鎢(W)燈絲及六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種，它是利用高溫使電子具有足夠的能量去克服電子槍材料的功函數(work function)能障而逃離。對發(fā)射電流密度有重大影響的變量是溫度和功函數，但因操作電子槍時(shí)均希望能以低的溫度來(lái)操作，以減少材料的揮發(fā)，所以在操作溫度不提高的狀況下，就需采用低功函數的材料來(lái)提高發(fā)射電流密度。

　　7. 價(jià)錢(qián)便宜使用普遍的是鎢燈絲，以熱游離 (Thermionization) 式來(lái)發(fā)射電子，電子能量散布為 2 eV，鎢的功函數約為4.5eV，鎢燈絲系一直徑約100µm，彎曲成V形的細線(xiàn)，操作溫度約2700K，電流密度為1.75A/cm2，在使用中燈絲的直徑隨著(zhù)鎢絲的蒸發(fā)變小，使用壽命約為40~80小時(shí)。

　　8. 六硼化鑭(LaB6)燈絲的功函數為2.4eV，較鎢絲為低，因此同樣的電流密度，使用LaB6只要在1500K即可達到，而且亮度更高，因此使用壽命便比鎢絲高出許多，電子能量散布為 1 eV，比鎢絲要好。但因LaB6在加熱時(shí)活性很強，所以必須在較好的真空環(huán)境下操作，因此儀器的購置費用較高。

　　9. 場(chǎng)發(fā)射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出 10 - 100 倍，同時(shí)電子能量散布僅為 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率掃描式電子顯微鏡都采用場(chǎng)發(fā)射式電子槍?zhuān)浞直媛士筛哌_ 1nm 以下。

　　10. 場(chǎng)發(fā)射電子槍可細分成三種:冷場(chǎng)發(fā)射式(cold field emission , FE)，熱場(chǎng)發(fā)射式(thermal field emission ,TF)，及蕭基發(fā)射式(Schottky emission ,SE)

　　11. 當在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場(chǎng)時(shí)，會(huì )有可觀(guān)數量的電子發(fā)射出來(lái)，此過(guò)程叫做場(chǎng)發(fā)射，其原理是高電場(chǎng)使電子的電位障礙產(chǎn)生 Schottky效應，亦即使能障寬度變窄，高度變低，因此電子可直接"穿隧"通過(guò)此狹窄能障并離開(kāi)陰極。場(chǎng)發(fā)射電子系從很尖銳的陰極所發(fā)射出來(lái)，因此可得極細而又具高電流密度的電子束，其亮度可達熱游離電子槍的數百倍，或甚至千倍。

　　12. 場(chǎng)發(fā)射電子槍所選用的陰極材料必需是高強度材料，以能承受高電場(chǎng)所加諸在陰極的高機械應力，鎢即因高強度而成為較佳的陰極材料。場(chǎng)發(fā)射槍通常以上下一組陽(yáng)極來(lái)產(chǎn)生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽(yáng)極的特殊外形所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)，能對電子產(chǎn)生聚焦效果，所以不再需要韋氏罩或柵極。di一(上)陽(yáng)極主要是改變場(chǎng)發(fā)射的拔出電壓(extraction voltage)，以控制針尖場(chǎng)發(fā)射的電流強度，而第二(下)陽(yáng)極主要是決定加速電壓，以將電子加速至所需要的能量。

　　13. 要從極細的鎢針尖場(chǎng)發(fā)射電子，金屬表面必需*干凈，無(wú)任何外來(lái)材料的原子或分子在其表面，即使只有一個(gè)外來(lái)原子落在表面亦會(huì )降低電子的場(chǎng)發(fā)射，所以場(chǎng)發(fā)射電子槍必需保持超高真空度，來(lái)防止鎢陰極表面累積原子。由于超高真空設備價(jià)格極為高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否則較少采用場(chǎng)發(fā)射電子槍。

　　14. 冷場(chǎng)發(fā)射式大的優(yōu)點(diǎn)為電子束直徑小，亮度高，因此影像分辨率優(yōu)。能量散布小，故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來(lái)氣體吸附，而降低場(chǎng)發(fā)射電流，并使發(fā)射電流不穩定，冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍必需在10-10 torr的真空度下操作，雖然如此，還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2500K(此過(guò)程叫做flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點(diǎn)是發(fā)射的總電流小。

　　15. 熱場(chǎng)發(fā)式電子槍是在1800K溫度下操作，避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面，所以免除了針尖flashing的需要。熱式能維持較佳的發(fā)射電流穩定度，并能在較差的真空度下(10-9 torr)操作。雖然亮度與冷式相類(lèi)似，但其電子能量散布卻比冷式大3~5倍，影像分辨率較差，通常較不常使用。

　　16. 蕭基發(fā)射式的操作溫度為1800K，它系在鎢(100)單晶上鍍ZrO覆蓋層，ZrO將功函數從純鎢的4.5eV降至2.8eV，而外加高電場(chǎng)更使電位障壁變窄變低，使得電子很容易以熱能的方式跳過(guò)能障(并非穿隧效應)，逃出針尖表面，所需真空度約10-8~10-9torr。其發(fā)射電流穩定度佳，而且發(fā)射的總電流也大。而其電子能量散布很小，僅稍遜于冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍。其電子源直徑比冷式大，所以影像分辨率也比冷場(chǎng)發(fā)射式稍差一點(diǎn)。

　　17. 場(chǎng)發(fā)射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速電壓15kV時(shí)，分辨率可達到1nm，加速電壓1kV時(shí)，分辨率可達到2.2nm。一般鎢絲型的掃描式電子顯微鏡儀器上的放大倍率可到200000倍，實(shí)際操作時(shí)，大部份均在20000倍時(shí)影像便不清楚了，但如果樣品的表面形貌及導電度合適，大倍率 650000倍是可以達成的。

　　18. 由于對真空的要求較高，有些儀器在電子槍及磁透鏡部份配備了3組離子泵(ion pump)，在樣品室中，配置了2組擴散泵(diffusion pump)，在機體外，以1組機械泵負責粗抽，所以有6組大小不同的真空泵來(lái)達成超高真空的要求，另外在樣品另有以液態(tài)氮冷卻的冷阱(cold trap)，協(xié)助保持樣品室的真空度。

　　19. 平時(shí)操作，若要將樣品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr)，則抽真空的時(shí)間將變長(cháng)而降低儀器的便利性，更增加儀器購置成本，因此一些儀器設計了階段式真空(step vacuum)，亦即使電子槍、磁透鏡及樣品室的真空度依序降低，并分成三個(gè)部份來(lái)讀取真空計讀數，如此可將樣品保持在真空度10-5pa的環(huán)境下即可操作。平時(shí)待機或更換樣品時(shí)，為防止電子槍污染，皆使用真空閥(gun valve)將電子槍及磁透鏡部份與樣品室隔離，實(shí)際觀(guān)察時(shí)再打開(kāi)使電子束通過(guò)而打擊到樣品。

　　20. 場(chǎng)發(fā)射式電子槍的電子產(chǎn)生率與真空度有密切的關(guān)系，其使用壽命也隨真空度變差而急劇縮短，因此在樣品制備上必須非常注意水氣，或固定用的碳膠或銀膠是否烤干，以免在觀(guān)察的過(guò)程中，真空陡然變差而影響燈絲壽命，甚至系統當機。

　　21. 在電子顯微鏡中須考慮到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波長(cháng)散布像差(即色散像差，chromatic aberration)。

　　22. 面像差為物鏡中主要缺陷，不易校正，因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大，其成像點(diǎn)較沿軸電子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透鏡為近。

　　23. 散光像差由透鏡磁場(chǎng)不對稱(chēng)而來(lái)，使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點(diǎn)上。散光像差一般用散光像差補償器(stigmator)產(chǎn)生與散光像差大小相同、方向相反的像差校正，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補償器。

　　24. 光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于電子束通過(guò)小光圈電子束產(chǎn)生衍射現象，使用大光圈可以改善。

　　25. 色散像差(Chromatic aberration):因通過(guò)透鏡電子束能量差異，使得電子束聚焦后并不在同一點(diǎn)上。

　　26. 電子束和樣品作用體積(interaction volume)，作用體積約有數個(gè)微米(μm)深，其深度大過(guò)寬度而形狀類(lèi)似梨子。此形狀乃源于彈性和非彈性碰撞的結果。低原子量的材料，非彈性碰撞較可能，電子較易穿進(jìn)材料內部，較少向邊側碰撞，而形成梨子的頸部，當穿透的電子喪失能量變成較低能量時(shí)，彈性碰撞較可能，結果電子行進(jìn)方向偏向側邊而形成較大的梨形區域。

　　27. 在固定電子能量時(shí)，作用體積和原子序成反比，乃因彈性碰撞之截面積和原子序成正比，以致電子較易偏離原來(lái)途徑而不能深入樣品。

　　28. 電子束能量越大，彈性碰撞截面積越小，電子行走路徑傾向直線(xiàn)而可深入樣品，作用體積變大。

　　29. 電子束和樣品的作用有兩類(lèi)，一為彈性碰撞，幾乎沒(méi)有損失能量，另一為非彈性碰撞，入射電子束會(huì )將部份能量傳給樣品，而產(chǎn)生二次電子、背向散射電子、俄歇電子、X光、長(cháng)波電磁放射、電子-空位對等。這些信號可供SEM運用者有二次電子、背向散射電子、X光、陰極發(fā)光、吸收電子及電子束引起電流(EBIC) 等。

　　30. 二次電子(Secondary Electrons)：電子束和樣品作用，可將傳導能帶(conduction band)的電子擊出，此即為二次電子，其能量約 < 50eV。由于是低能量電子，所以只有在距離樣品表面約50~500?深度范圍內所產(chǎn)生之二次電子，才有機會(huì )逃離樣品表面而被偵測到。由于二次電子產(chǎn)生的數量，會(huì )受到樣品表面起伏狀況影響，所以二次電子影像可以觀(guān)察出樣品表面之形貌特征。

　　31. 背向散射電子(Backscattered Electrons)：入射電子與樣品子發(fā)生彈性碰撞，而逃離樣品表面的高能量電子，其動(dòng)能等于或略小于入射電子的能量。背向散射電子產(chǎn)生的數量，會(huì )因樣品元素種類(lèi)不同而有差異，樣品中平均原子序越高的區域，釋放出來(lái)的背向散射電子越多，背向散射電子影像也就越亮，因此背向散射電子影像有時(shí)又稱(chēng)為原子序對比影像。由于背向散射電子產(chǎn)生于距樣品表面約5000?的深度范圍內，由于入射電子進(jìn)入樣品內部較深，電子束已被散射開(kāi)來(lái)，因此背向散射電子影像分辨率不及二次電子影像。

　　32. X光：入射電子和樣品進(jìn)行非彈性碰撞可產(chǎn)生連續X光和特征X光，前者系入射電子減速所放出的連續光譜，形成背景決定少分析之量，后者系特定能階間之能量差，可藉以分析成分元素。

　　33. 電子束引致電流(Electron-beam induced Current , EBIC)：當一個(gè)p-n接面(Junction)經(jīng)電子束照射后，會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的電子-空位對，這些載子擴散時(shí)被p-n接面的電場(chǎng)收集，外加線(xiàn)路時(shí)即會(huì )產(chǎn)生電流。

　　34. 陰極發(fā)光(Cathodoluminescence)：當電子束產(chǎn)生之電子-空位對再結合時(shí)，會(huì )放出各種波長(cháng)電磁波，此為陰極發(fā)光(CL)，不同材料發(fā)出不同顏色之光。

　　35. 樣品電流(Specimen Current)：電子束射到樣品上時(shí)，一部份產(chǎn)生二次電子及背向散射電子，另一部份則留在樣品里，當樣品接地時(shí)即產(chǎn)生樣品電流。

　　36. 電子偵測器有兩種，一種是閃爍計數器偵測器(Scintillator)，常用于偵測能量較低的二次電子，另一種是固態(tài)偵測器(solid state detector)，則用于偵測能量較高的反射電子。

　　37. 影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素:

　　A. 電子槍的種類(lèi):使用場(chǎng)發(fā)射、LaB6或鎢絲的電子槍。

　　B. 電磁透鏡的完美度。

　　C. 電磁透鏡的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lens

　　D. 樣品室的潔凈度: 避免粉塵、水氣、油氣等污染。

　　E. 操作條件: 加速電壓、工作電流、儀器調整、樣品處理、真空度。

　　F. 環(huán)境因素: 振動(dòng)、磁場(chǎng)、噪音、接地。

　　38. 如何做好SEM的影像，一般由樣品的種類(lèi)和所要的結果來(lái)決定觀(guān)察條件，調整適當的加速電壓、工作距離 (WD)、適當的樣品傾斜，選擇適當的偵測器、調整合適的電子束電流。

　　39. 一般來(lái)說(shuō)，加速電壓提高，電子束波長(cháng)越短，理論上，只考慮電子束直徑的大小，加速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電子束，因而提高分辨率，然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點(diǎn)：

　　A. 無(wú)法看到樣品表面的微細結構。

　　B. 會(huì )出現不尋常的邊緣效應。

　　C. 電荷累積的可能性增高。

　　D. 樣品損傷的可能性增高。

　　因此適當的加速電壓調整，才可獲得清晰的影像。

　　40. 適當的工作距離的選擇，可以得到好的影像。較短的工作距離，電子訊號接收較佳，可以得到較高的分辨率，但是景深縮短。較長(cháng)的工作距離，分辨率較差，但是影像景深較長(cháng)，表面起伏較大的樣品可得到較均勻清晰的影像。

　　41. SEM樣品若為金屬或導電性良好，則表面不需任何處理，可直接觀(guān)察。若為非導體，則需鍍上一層金屬膜或碳膜協(xié)助樣品導電，膜層應均勻無(wú)明顯特征，以避免干擾樣品表面。金屬膜較碳膜容易鍍，適用于SEM影像觀(guān)察，通常為Au或Au-Pd合金或Pt。而碳膜較適于X光微區分析，主要是因為碳的原子序低，可以減少X光吸收。

　　42. SEM樣品制備一般原則為:

　　A. 顯露出所欲分析的位置。

　　B. 表面導電性良好，需能排除電荷。

　　C. 不得有松動(dòng)的粉末或碎屑(以避免抽真空時(shí)粉末飛揚污染鏡柱體)。

　　D. 需耐熱，不得有熔融蒸發(fā)的現象。

　　E. 不能含液狀或膠狀物質(zhì)，以免揮發(fā)。

　　F. 非導體表面需鍍金(影像觀(guān)察)或鍍碳(成份分析)。

　　43. 鍍導電膜的選擇，在放大倍率低于1000倍時(shí)，可以鍍一層較厚的Au，以提高導電度。放大倍率低于10000倍時(shí)，可以鍍一層Au來(lái)增加導電度。放大倍率低于100000倍時(shí)，可以鍍一層Pt或Au-Pd合金，在超過(guò)100000時(shí)，以鍍一層超薄的Pt或Cr膜較佳。

　　44. 電子束與樣品作用，當內層電子被擊出后，外層電子掉入原子內層電子軌道而放出X光，不同原子序，不同能階電子所產(chǎn)生的X光各不相同，稱(chēng)為特征X光，分析特征X光，可分析樣品元素成份。

　　45. 分析特征X光的方式，可分析特征X光的能量分布，稱(chēng)為EDS，或分析特征X光的波長(cháng)，稱(chēng)為WDS。X光能譜的分辨率，在EDS中約有100~200eV的分辨率，在WDS中則有5~10eV的分辨率。由于EDS的分辨率較WDS差，因此在能譜的解析上，較易產(chǎn)生重迭的情形。

　　46. 由于電子束與樣品作用的作用體積(interaction volume)的關(guān)系，特征X光的產(chǎn)生和作用體積的大小有關(guān)，因此在平面的樣品中，EDS或WDS的空間分辨率，受限于作用體積的大小。

FlexSEM1000是日立公司新推出的一款機型小巧性能優(yōu)異的鎢燈絲電鏡，擁有大束流和低球差的物鏡和聚光鏡設計，配備了高分辨率二次電子探頭及高靈敏度五分割背散射探頭，具有的低真空成像能量，并且采用新的SEM MAP高精度導航系統及新全的自動(dòng)化功能，使性能更加*，使用更加簡(jiǎn)便。 

特點(diǎn)：

1.節能環(huán)保的設計

2.高效率的自動(dòng)功能

3.簡(jiǎn)捷的操作界面

4.高分辨低真空觀(guān)察

應用領(lǐng)域：

1、 生物醫學(xué)

2、 食品衛生

3、 電子半導

4、 汽車(chē)制造

5、 新能源

樣品 水泥

          樣品 氧化鋅

廣州市儀德科學(xué)儀器有限公司創(chuàng )立于2005年，十二年來(lái)堅持服務(wù)于國內光譜分析領(lǐng)域，專(zhuān)注各類(lèi)光譜儀器，為客戶(hù)打造一站式，全鏈條和“交鑰匙”實(shí)驗室組建的高科技企業(yè)。目前擁有多個(gè)歐、日品牌的總代理及一級代理權，產(chǎn)品資源豐富，種類(lèi)齊全。品牌包括有德國斯派克、日本日立等，產(chǎn)品涵蓋實(shí)驗室通用儀器、化學(xué)分析、表面科學(xué)等，如直讀光譜儀、X射線(xiàn)熒光光譜儀、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、輝光放電光譜儀、紫外可見(jiàn)分光光譜儀、分子熒光光譜儀、原子吸收光譜儀、掃描電鏡等。在儀德人的深耕細作下，客戶(hù)遍及汽車(chē)制造、鋼鐵冶金、有色金屬、電子電器、能源電力、石油化工、鐵路運輸、航天航天、機械制造、商檢、質(zhì)檢、環(huán)境保護、食品藥品以及教學(xué)科研等各行各業(yè)的各級實(shí)驗室。目前，儀德科學(xué)儀器總部設在廣州，并在武漢、長(cháng)沙、南寧、廈門(mén)、深圳設有子公司和辦事處，業(yè)務(wù)覆蓋華南區域。

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