一、掃描電子顯微鏡的原理

掃描電鏡由電子槍發射出電子束(shu)(直徑(jing)約(yue)50um)，在(zai)加(jia)速電壓的(de)作用下經過(guo)磁透鏡系(xi)統匯聚(ju)(ju)，形成直徑(jing)為(wei)5 nm的(de)電子束(shu)，聚(ju)(ju)焦在(zai)樣(yang)品(pin)表面上(shang)，在(zai)第(di)二聚(ju)(ju)光(guang)鏡和物(wu)鏡之間偏轉線圈(quan)的(de)作用下，電子束(shu)在(zai)樣(yang)品(pin)上(shang)做光(guang)柵狀掃描，電子和樣(yang)品(pin)相互作用產生信號電子。這些信號電子經探(tan)測器收集并(bing)轉換(huan)為(wei)光(guang)子，再(zai)經過(guo)電信號放大器加(jia)以放大處理，最終成像在(zai)顯示系(xi)統上(shang)。

試(shi)樣(yang)可為(wei)塊狀(zhuang)或(huo)粉末(mo)顆(ke)粒(li)，成像信(xin)號(hao)(hao)可以(yi)是二(er)(er)次(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)、背(bei)散射(she)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)吸收(shou)(shou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)。其(qi)中二(er)(er)次(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)是最主(zhu)要(yao)的(de)(de)(de)成像信(xin)號(hao)(hao)。由電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)槍發(fa)射(she)的(de)(de)(de)能(neng)量為(wei)5～35keV的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)，以(yi)其(qi)交叉(cha)斑(ban)作為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)源，經二(er)(er)級(ji)聚(ju)光鏡及(ji)物鏡的(de)(de)(de)縮小(xiao)形(xing)成具有一(yi)(yi)定能(neng)量、一(yi)(yi)定束(shu)(shu)流強(qiang)度(du)和束(shu)(shu)斑(ban)直(zhi)徑的(de)(de)(de)微細電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)，在掃描(miao)線(xian)圈驅動(dong)下，于試(shi)樣(yang)表面(mian)按一(yi)(yi)定時間、空間順序做柵(zha)(zha)網式掃描(miao)。聚(ju)焦電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)與(yu)試(shi)樣(yang)相互作用，產生二(er)(er)次(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)發(fa)射(she)(以(yi)及(ji)其(qi)他物理(li)信(xin)號(hao)(hao))，二(er)(er)次(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)發(fa)射(she)量隨(sui)試(shi)樣(yang)表面(mian)形(xing)貌(mao)而變化。二(er)(er)次(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)信(xin)號(hao)(hao)被探(tan)測(ce)器收(shou)(shou)集轉換成電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號(hao)(hao)，經視(shi)頻(pin)放大后輸(shu)入到顯像管(guan)柵(zha)(zha)極，調制與(yu)入射(she)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)束(shu)(shu)同步(bu)掃描(miao)的(de)(de)(de)顯像管(guan)亮度(du)，可得(de)到反(fan)應試(shi)樣(yang)表面(mian)形(xing)貌(mao)的(de)(de)(de)二(er)(er)次(ci)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)像。

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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(xue)顯微鏡不同，在(zai)SEM中，是通(tong)過控制掃描(miao)區(qu)域的(de)大小(xiao)來(lai)控制放(fang)(fang)(fang)(fang)大率(lv)(lv)的(de)。如果需(xu)要更(geng)高的(de)放(fang)(fang)(fang)(fang)大率(lv)(lv)，只需(xu)要掃描(miao)更(geng)小(xiao)的(de)一塊面積就可以了(le)。放(fang)(fang)(fang)(fang)大率(lv)(lv)由(you)屏(ping)幕/照(zhao)片面積除以掃描(miao)面積得(de)到。所以，SEM中，透鏡與放(fang)(fang)(fang)(fang)大率(lv)(lv)無關(guan)。

2、場深

在SEM中，位于(yu)焦(jiao)平面(mian)上(shang)下的(de)一小層(ceng)區域內(nei)的(de)樣(yang)品點(dian)都(dou)可以得到良好的(de)會焦(jiao)而成象。這一小層(ceng)的(de)厚度稱為場深，通常為幾納(na)(na)米厚，所(suo)以，SEM可以用于(yu)納(na)(na)米級樣(yang)品的(de)三維成像。

3、作用體積

電子(zi)束不僅(jin)僅(jin)與樣品表(biao)層(ceng)原子(zi)發生(sheng)作(zuo)用(yong)，它實際上與一定厚(hou)度范圍內的樣品原子(zi)發生(sheng)作(zuo)用(yong)，所以存(cun)在一個作(zuo)用(yong)“體積”。

作(zuo)用體積(ji)的厚度(du)因信(xin)號的不同而(er)不同：

歐革電子：0.5～2納米。

次(ci)級電子：5λ，對于導體(ti)，λ=1納(na)米(mi)；對于絕緣體(ti)，λ=10納(na)米(mi)。

背散射電子：10倍于次(ci)級(ji)電子。

特征X射(she)線：微米級。

X射線連(lian)續譜：略大于特征(zheng)X射線，也在微米(mi)級。

4、工作距離

工(gong)作(zuo)距離指從物鏡到樣(yang)品最高點的垂直距離。

如(ru)果增加工作距離，可以在其他(ta)條件不變的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)獲得(de)更大的(de)場深。

如果減少工作距(ju)離，則可以在(zai)其他條件不變的情況下獲得更(geng)高(gao)的分辨率。

通常使用的工(gong)作距離在5毫米到10毫米之間。

5、成象

次(ci)級電(dian)子和(he)背(bei)散射電(dian)子可以(yi)用(yong)于成象，但后(hou)者不如(ru)前(qian)者，所以(yi)通常使用(yong)次(ci)級電(dian)子。

6、表面分析

歐革(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)、特征(zheng)X射(she)線、背散射(she)電(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)產生(sheng)過程均與樣品原(yuan)子(zi)(zi)性(xing)質有(you)關，所以可(ke)以用(yong)(yong)于成分(fen)分(fen)析(xi)。但由于電(dian)(dian)子(zi)(zi)束只能(neng)穿透樣品表(biao)面很淺(qian)的(de)一(yi)層(ceng)（參見作(zuo)用(yong)(yong)體(ti)積），所以只能(neng)用(yong)(yong)于表(biao)面分(fen)析(xi)。

表面分(fen)析(xi)以特(te)征X射線(xian)分(fen)析(xi)最(zui)常(chang)(chang)用(yong)，所用(yong)到的探測器有兩(liang)種：能譜分(fen)析(xi)儀(yi)與波譜分(fen)析(xi)儀(yi)。前者速度快(kuai)但精度不高，后者非常(chang)(chang)精確，可以檢測到“痕跡元素”的存在但耗時(shi)太長。