掃描電鏡分析

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1、1.1掃描電子顯微鏡電子光學(xué)原理1.1.1瑞利公式利用光學(xué)顯微系統(tǒng)將細(xì)節(jié)放大，滿足人眼分辨率可以接受的程度，最大分辨率可達(dá)到200nm(放大倍數(shù)1000倍)。根據(jù)瑞利公式：Ar0=0.61入/(Nsina)其中:△r0為辨率；入為光源的波長(zhǎng)；N為介質(zhì)的折射率；a為孔徑半角，即透鏡對(duì)物點(diǎn)的張角的一半；Nsina稱為數(shù)值孔徑，常用N.A表示。根據(jù)瑞利公式，提高分辯率的途徑有：⑴增大數(shù)值孔徑(Nsina),即增大介質(zhì)折射率N和數(shù)值孔徑a；(2)減小照明光源波長(zhǎng)入。在以空氣為介質(zhì)的情況下，光學(xué)透鏡系統(tǒng)的N.A

2、<1,采用油侵透鏡，N.Amax=1.35o因此得：Armin=X/2。所以提高顯微鏡分辨率的根本途徑是尋求一種波長(zhǎng)更短的光源[2]!既然是光源限制了顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的發(fā)展，人們自然會(huì)想到：要想提高顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率，就應(yīng)該更換波長(zhǎng)更短的光源。隨著人們對(duì)電磁波的認(rèn)識(shí)，人們了解到：在一定的電壓下電子束的波長(zhǎng)可以達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)納米,使用電子束做為光源，顯微鏡的分辨率就可能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。電子槍會(huì)聚透鏡—1.1.2掃描電鏡成像圖為掃描電鏡原理示意圖,物鑲光欄物鏡由電子槍發(fā)射的電子束，經(jīng)會(huì)聚鏡、物

3、鏡縮小、聚焦，在樣品表面形成一定能量和斑點(diǎn)直徑的電子束。在掃描線圈磁場(chǎng)作月下，作用在樣品表面上的電子束將按一定時(shí)間、空間順序作光柵或掃描。電子束從樣品中激發(fā)的二次電子，由二次電子收集器收集、由加速極加速至閃爍體轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)光導(dǎo)管到達(dá)光電倍增管再轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。該電信號(hào)由視頻放大器放大，輸送到顯像管柵極，調(diào)制顯像管亮度，使之在屏幕上呈現(xiàn)亮暗程度不同的反映表面起伏（形貌）的二次電子像。rtr丁?電子束在樣品表面上掃描和顯像管中電子束在熒光屏上掃描由同一掃描電路控制，保證了它們之間完全同步，即保證了

4、“物點(diǎn)”和“像點(diǎn)”在時(shí)間和空間上的一一對(duì)應(yīng)。一般稱一個(gè)像點(diǎn)為一個(gè)“圖像單元”、一幅掃描圖像近loo萬個(gè)圖像單元。正因?yàn)槿绱耍攀沟胹em不僅顯示-?般形貌，而且還能將樣品局部化學(xué)元素、光、電和磁等性質(zhì)差異以二維圖像形式顯示出來。1?2掃描電鏡結(jié)構(gòu)及原理1.2,1SEM裝置的結(jié)構(gòu)的構(gòu)造圖為掃描電鏡結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知SEM由形成電子探針的電子光學(xué)系統(tǒng)、裝載樣品用的樣品臺(tái)、檢測(cè)二次電子的二次電子檢測(cè)器、觀察圖像的顯示系統(tǒng)及進(jìn)行各種操作的操作系統(tǒng)等構(gòu)成，電子光學(xué)系統(tǒng)由用于形成電子探針的電子槍、聚光鏡、物鏡和

5、控制電子探針進(jìn)行掃描的掃描線圈等構(gòu)成，電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒內(nèi)部）以及樣品周I韋I的空間為真空狀態(tài)［8］。鏡筒包括電子槍、聚光鏡、物鏡及掃描系統(tǒng)。其作用是產(chǎn)生很細(xì)的電子束（直徑約兒個(gè)nm）,并且使該電子束在樣品表面掃描，同時(shí)激發(fā)出各種信號(hào)。1.2.2電子槍燈ItlDBitSma電子槍是電子束的產(chǎn)生系統(tǒng)，圖1-5是熱發(fā)射電子槍的構(gòu)造圖。將細(xì)（0.1mm左右）乍烏絲做成的*J絲（陰極）進(jìn)彳丁咼溫加熱（2800K左右）后,會(huì)發(fā)射熱電子，此吋給相向設(shè)置的金屬板邙日極）加以正高圧（1?30RV）,熱電子會(huì)匯集成電子

6、束流向陽極，若在陽極屮央開一個(gè)孔，電子束會(huì)通過這個(gè)孔流岀，在陰極和陽極之間，設(shè)置電極并加以負(fù)電圧，能夠調(diào)整電子束的電流量，在這個(gè)電極（被稱為韋氏極）的作用下，電子束被細(xì)聚焦，最細(xì)之處被稱為交叉點(diǎn)（Crossover）,成為實(shí)際的光源（電子源），其直徑為15?20卩嘰以上說明的是最簾用的熱發(fā)射電子槍，此外還有場(chǎng)發(fā)射電子槍和肖特基發(fā)射電子槍等。熱發(fā)射電子槍的陰極除使用鉤絲外，還使用單晶六硼化瀾（SB6）,LaB6由于活性很強(qiáng)，所以需要在高真空中工作。1.2.3圖像的顯示和記錄二次電子檢測(cè)器的輸出信號(hào)被增益

7、后送至顯示系統(tǒng)，由于顯示系統(tǒng)上的掃描與電子探針的掃描是同步的，顯示系統(tǒng)的畫面根據(jù)二次電子的數(shù)量呈現(xiàn)出亮度變化,形成SEM圖像。顯像管作為顯示系統(tǒng)曾被使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間，近來被廣泛使用的是液晶顯示器。通常，電子探針的掃描速度有幾檔可以切換，觀察時(shí)可使用極快的掃描速度，拍攝和保存圖像時(shí)可使用較慢的掃描速度。記錄SEM圖像，從前是用相機(jī)拍攝顯像管上顯示的SEM圖像，現(xiàn)在是以數(shù)字格式（電子文件）的形式進(jìn)行記錄，一方面是由于高分辨的顯像管很少，另一方面用電子文件進(jìn)行各種圖像處理和信息傳輸即簡(jiǎn)單又方便，現(xiàn)在一般使

8、用的圖像格式在100萬像素左右。1.2.4SEM的放大倍率d顯示單元放大倍車M=D/d圖為掃描電鏡的放大倍率示意圖，由圖可知電子束在樣品的表面進(jìn)行二維掃描時(shí)，顯示單元的屏幕上會(huì)出現(xiàn)SEM圖像，改變電子束的掃描寬度，SEM圖像的放大倍率會(huì)發(fā)生改變。由于顯示器屏幕的大小是固定的，減小掃描寬度，會(huì)提高放大倍率，增大掃描寬度，會(huì)縮小放大倍率。例如，顯示器屏幕尺寸為10cm,掃描電子顯微鏡的掃描寬度為1mm的話，放大倍率就是100倍，如果掃描寬度為10Um的話，則