一、掃描電子顯微鏡的原理

掃(sao)描(miao)電(dian)鏡(jing)由電(dian)子(zi)槍發射出電(dian)子(zi)束(直(zhi)徑(jing)約50um)，在(zai)加速電(dian)壓的作用下經過磁透鏡(jing)系(xi)統(tong)匯聚，形成直(zhi)徑(jing)為5 nm的電(dian)子(zi)束，聚焦在(zai)樣品表(biao)面上，在(zai)第二聚光(guang)鏡(jing)和物鏡(jing)之間偏(pian)轉線圈的作用下，電(dian)子(zi)束在(zai)樣品上做光(guang)柵狀掃(sao)描(miao)，電(dian)子(zi)和樣品相互作用產生信(xin)號電(dian)子(zi)。這(zhe)些信(xin)號電(dian)子(zi)經探測器(qi)(qi)收(shou)集并轉換為光(guang)子(zi)，再(zai)經過電(dian)信(xin)號放(fang)(fang)大(da)器(qi)(qi)加以放(fang)(fang)大(da)處理，最終成像在(zai)顯示系(xi)統(tong)上。

試樣(yang)可(ke)為塊狀(zhuang)或粉末顆粒，成像(xiang)信號(hao)可(ke)以(yi)(yi)是二(er)(er)次電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)、背散射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)或吸收電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。其中二(er)(er)次電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)是最主要的(de)成像(xiang)信號(hao)。由電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)槍(qiang)發(fa)射(she)的(de)能(neng)量(liang)為5～35keV的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，以(yi)(yi)其交叉斑作為電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)源，經(jing)二(er)(er)級(ji)聚光鏡及物(wu)鏡的(de)縮(suo)小形成具有(you)一(yi)定能(neng)量(liang)、一(yi)定束(shu)流(liu)強度和束(shu)斑直徑的(de)微(wei)細電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)束(shu)，在掃描(miao)線圈驅動下，于試樣(yang)表面按一(yi)定時間、空間順(shun)序做柵網式掃描(miao)。聚焦電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)束(shu)與(yu)試樣(yang)相互作用，產生二(er)(er)次電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)發(fa)射(she)(以(yi)(yi)及其他物(wu)理信號(hao))，二(er)(er)次電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)發(fa)射(she)量(liang)隨試樣(yang)表面形貌而變化。二(er)(er)次電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)信號(hao)被探測器收集轉換成電(dian)(dian)信號(hao)，經(jing)視(shi)頻(pin)放大(da)后輸入到顯(xian)(xian)像(xiang)管(guan)柵極，調制與(yu)入射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)束(shu)同步掃描(miao)的(de)顯(xian)(xian)像(xiang)管(guan)亮(liang)度，可(ke)得到反應試樣(yang)表面形貌的(de)二(er)(er)次電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)像(xiang)。

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二、掃描電子顯微鏡的主要性能參數及意義

1、放大率

與普通(tong)光學顯微鏡不同，在(zai)SEM中，是通(tong)過控制掃(sao)描(miao)(miao)區域(yu)的大(da)(da)(da)小(xiao)來(lai)控制放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)率(lv)(lv)的。如果需(xu)要更高的放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)率(lv)(lv)，只需(xu)要掃(sao)描(miao)(miao)更小(xiao)的一塊面積(ji)就可以(yi)了。放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)率(lv)(lv)由(you)屏幕/照片面積(ji)除以(yi)掃(sao)描(miao)(miao)面積(ji)得到。所以(yi)，SEM中，透鏡與放(fang)(fang)(fang)大(da)(da)(da)率(lv)(lv)無關(guan)。

2、場深

在SEM中，位于(yu)焦(jiao)平面上下的一小層區域(yu)內的樣(yang)品點(dian)都可以(yi)得到良好的會焦(jiao)而成(cheng)象。這一小層的厚(hou)度(du)稱為場(chang)深(shen)，通常為幾(ji)納米(mi)厚(hou)，所以(yi)，SEM可以(yi)用(yong)于(yu)納米(mi)級樣(yang)品的三維成(cheng)像(xiang)。

3、作用體積

電子束不僅僅與(yu)(yu)樣(yang)品表層原子發生作用，它實際(ji)上(shang)與(yu)(yu)一定厚度范圍(wei)內(nei)的樣(yang)品原子發生作用，所以存在(zai)一個作用“體(ti)積”。

作用體積的厚(hou)度(du)因信(xin)號的不(bu)同(tong)而(er)不(bu)同(tong)：

歐革電子：0.5～2納米。

次(ci)級電子：5λ，對(dui)于(yu)(yu)導體，λ=1納米；對(dui)于(yu)(yu)絕緣體，λ=10納米。

背散射(she)電子(zi)：10倍于(yu)次級電子(zi)。

特(te)征X射(she)線：微米級(ji)。

X射線連續譜：略大(da)于特(te)征(zheng)X射線，也在微(wei)米(mi)級(ji)。

4、工作距離

工(gong)作距離指從物鏡(jing)到(dao)樣品最高點的垂直距離。

如果增加工作(zuo)距離，可(ke)以在其他條(tiao)件不變的情況下獲得更大的場深。

如果(guo)減少工作距離，則可以(yi)在其他條件不變的(de)情(qing)況下獲得更高的(de)分辨率。

通常(chang)使用(yong)的工作距離在(zai)5毫米到10毫米之間。

5、成象

次(ci)級(ji)(ji)電子(zi)和背(bei)散射電子(zi)可(ke)以(yi)(yi)用于成象，但(dan)后(hou)者不如前(qian)者，所以(yi)(yi)通常使用次(ci)級(ji)(ji)電子(zi)。

6、表面分析

歐革電(dian)子(zi)、特(te)征(zheng)X射線、背散射電(dian)子(zi)的產生過程均與樣品原子(zi)性質有關，所(suo)以可以用(yong)于(yu)成分分析。但由于(yu)電(dian)子(zi)束只(zhi)能(neng)穿透樣品表(biao)面很淺的一(yi)層（參(can)見作用(yong)體積），所(suo)以只(zhi)能(neng)用(yong)于(yu)表(biao)面分析。

表面分(fen)析以特征(zheng)X射線分(fen)析最常用，所用到的(de)探測器(qi)有(you)兩種：能譜分(fen)析儀與波譜分(fen)析儀。前者(zhe)速度快但(dan)精度不高，后者(zhe)非常精確(que)，可(ke)以檢測到“痕跡元素”的(de)存在但(dan)耗時太長(chang)。