场发射扫描电镜介绍共47页PPT资料

减速模式
减速模式提高分辨率，减小样品损伤，消除核电效应， 各种信息对表面更为敏感。
能谱
特征X射线的产生是由入射电子激发元素内层电子而 发生的。即内壳层电子被轰击后跳到比费米能级高的能 级上，电子轨道内出现的空位被外层轨道的电子填入时， 放出的能量就是特征X 射线。高能级的电子落入空位时， 要遵从所谓的选择规则（selection rule），只允许满足轨 道量子数l的变化Δl＝±1 的特定跃迁。特征X 射线具有 元素固有的能量。所以，将它们展开成能谱后，根据它 的能量值就可以确定元素的种类，而且根据谱的强度分 析就可以确定其含量。
扫描电镜样品室空间较大，进行 较全面的原位分析，放大倍数连 续调节范围大，景深长，分辨本 领较高
分析中心扫描电镜发展
扫描电子显微镜结构、原理
1 2
3
SEM结构
扫描电子显微镜结构、工作原理
电子枪
热发射电子枪
场发射电子枪
灯
丝
优于
决
定因素：Fra bibliotek磁透镜
旋转对称的磁场对电子束有聚焦作用，能使电子束聚焦 成像。产生这种旋转对称非均匀磁场的线圈装置就是磁透镜.
背散射电子衬度
如果试样表面存在不均 匀的元素分布，则平均原子 序数较大的区域将产生强的 被散射电子信号，因而在被 散射电子像上显示出较亮的 衬度；反之平均原子序数较 小的区域在被散射电子像上 是暗区。因此，根据被散射 电子像的亮暗程度，可判别 出相应区域的原子序数的相 对大小，由此可对金属及合 金的显微组织进行成分分析。
低真空（Helix探头）
Helix探测技术将浸入式透镜和低真空扫描电镜两种技术 成功地组合在一起，在带来超高分辨率的同时，还能在低真 空环境下有效地抑制非导电材料的电荷积累效应。

• 扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍，比 透射电镜的景深大10 倍。
• 景深取决于分辨本领和电子束入射半角ac。由右下图可知， 扫描电镜的景深F为：
d0临界分辨本领， ac电子束的入射半角
扫描电镜应用实例
断口形貌分析 纳米材料形貌分析 在微电子工业方面的应用
断口形貌分析
扫描电镜显微分析简介
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
扫描电镜显微分析简介
概况 扫描电镜的优点 扫描电镜成像的物理信号 扫描电镜的工作原理 扫描电镜的构造 扫描电镜的主要性能 应用举例
概况
扫描电子显微镜简称扫描电镜，英 文缩写：SEM。为适应不同要求，在扫描电 镜上安装上多种专用附件，实现一机多用， 使扫描电镜成为同时具有透射电子显微镜 （TEM）、电子探针X射线显微分析仪 （EPMA）、电子衍射仪（ED）等多种功能 的一种直观、快速、综合的表面分析仪器。
电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路 所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电 源。
扫描电镜的主要性能
放大倍数 分辨率 景深
扫描电镜的主要性能
放大倍数
M=AC/AS 式中AC是荧光屏上图像的边长， AS是电子束在样品上
的扫描振幅。 目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000倍，介
背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从上表 面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平 均原子量的区域差别。
二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在扫描 电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。
X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电 子跃迁至内层时发出的光子。
其他信号
俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电 子后外层电子跃迁至内层时，多余能量转移 给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚， 成为俄歇电子。

工作原理简介
电子枪发射电子，经 过加速和聚焦形成电 子束。
信号被探测器接收并 转换为电信号，经过 处理后形成图像。
电子束在磁场作用下 扫描样品表面，与样 品相互作用产生各种 信号。
设备的主要组件和功能
聚光镜
将电子束聚焦并调 整光束大小。
探测器
接收样品产生的信 号，并将其转换为 电信号。
电子枪
发射电子，是电镜 的照明源。
蔡司场发射扫描电镜操作培训课件
目录
• 设备介绍 • 操作流程 • 高级操作与优化 • 应用与案例展示 • 安全注意事项
01 设备介绍
设备概述
01
蔡司场发射扫描电镜是一种高分 辨率、高放大倍率的电子显微镜 ，用于观察和分析材料表面的微 观结构和形貌。
02
它采用电子作为照明源，通过电 子束扫描样品表面，将产生的信 号收集并处理成图像。
紧急情况处理
如遇电镜异常或故障，应立即切断电 源，保持现场，并及时联系专业维修 人员。
若发生触电或火灾等紧急情况，应迅 速切断电源，使用灭火器扑灭火灾， 同时拨打紧急电话求救。
安全培训与教育
操作人员应接受专业培训，熟悉电镜的基本原理、操作流程 及安全注意事项。
定期对操作人员进行安全教育培训，提高安全意识，确保操 作过程的安全性。
陶瓷与玻璃材料探索
研究陶瓷和玻璃材料的微观结构，如气孔率、晶相组成和显微组织 。
表面科学探索
01
ห้องสมุดไป่ตู้
02
03
表面形貌分析
利用场发射扫描电镜观察 材料表面的形貌和粗糙度 ，分析表面的物理和化学 性质。
表面元素组成分析
结合能谱仪等附件，对材 料表面元素进行定性和定 量分析，了解表面化学组 成。

扫描电镜
SEM构造及原理：
构造：电子光学系统 信号收集处理系统 真空系统 供电系统
电子光学系统: 包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。
电子枪 SEM 中的电子枪与TEM 中的相似，但加速电压更低。 热阴极电子枪 ，束斑可达6nm 。六硼化镧和场发射 电子枪，束斑更小。
电磁透镜（3个） 功 能： 聚焦电子枪束斑，50mm→nm级斑点。 前二者：强透镜，缩小电子束光斑 第三个：弱透镜，习惯称物镜，有较长的焦距， 使样品和透镜之间留有一定空间以装入 各种信号探测器。 SEM中束斑越小，成像单元越小，分辨率就愈高。
2) 选区电子通道花样： 微区范围 10 -15 um 产生花样的区域1-3mm
电子通道花样的标定
L—末级透镜至晶体表面的距离 M—花样放大倍数 W—荧光屏上某衬度带的宽度
EBSD技术
EBSD技术
EBSD技术相关原理 EBSD应用及数据处理
电子背散射衍射分析技术
基于扫描电镜（SEM）中电子束在倾斜 样品表面激发出并形成的衍射菊池带的 分析从而确定晶体结构、取向及相关信 息的方法。
信号收集处理系统
二次电子，背散射电子，透镜电子等信号都可用闪 烁计数器检测。
信号电子进入闪烁体即引起电离，当离子和自由电子 复合后产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电 倍增器，光信号放大，又转化成电流信号输出，电流 信号经视频放大后成为调制信号。
真空系统
为保证电子光学系统的正常工作，对真空度有一定要 求。 真空度 > 1.33×10-2～1.33×10-3Pa 冷场发射真空度一般要达到：10-7 Pa
这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像 管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线 圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，电子 束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一 个亮点。扫描电镜采用逐点成像的方法，把样品表 面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号， 完成一帧图像，从而在荧光屏上观察到样品表面的 各种特征图像。

透射电子
适合作表层轻元素成分分析。
电子束与固体的相互作用
其它信息
入射电子进人样品后，经多次 非弹性散射能量损失殆尽,最后 被样品吸收，即吸收电子。
入射高压电子束
如果被分析的样品很薄．那么 俄歇电子
背散射电子
就会有一部分入射电子穿过薄
样品而成为透射电子。
阴极荧光
二次电子 X射线
半导体样品在入射电子的照射 下，产生电子-空穴对。当电子
包括：二次电子、背散射电子、特征X 射线、 俄歇电子、吸收电子、透射电子、阴极荧光等。
电子束与固体的相互作用
二次电子
二次电子是指在入射电子束作用下 被轰击出来并离开样品表面的样品
的核外层电子。
二次电子的能量较低，一般都不超 过50 ev。大多数二次电子只带有几 个电子伏的能量。
入射高压电子束
俄歇电子
电子束与固体的相互作用
SEM的工作原理
电子枪发射电子束（直径50m）。 电压加速、磁透镜系统会聚，形成直径约为5nm的电子束。 电子束在偏转线圈的作用下，在样品表面作光栅状扫描，
激发多种电子信号。 探测器收集信号电子，经过放大、转换，在显示系统上成
像（扫描电子像）。 二次电子的图像信号“动态”地形成三维图像。 扫描电镜图像的放大倍数定义为：
M=L/l L显象管的荧光屏尺寸；l电子束在试样上扫描距离 “光栅扫描，逐点成像”
SEM的结构与工作原理
SEM的主要结构
SEM的结构与工作原理
随着信号的有效作用深度增加，作 用区的范围增加，信号产生的空间 范围也增加，这对于信号的空间分 辨率是不利的。
各种信号的空间分辨率
二次电子：5~10nm =>形貌分析
背散射电子：50~200nm

（4）按面板上的Transfer按钮，打开Airlock与样品室之间的隔离阀， 利用样品推杆将样品推入样品室内的样品座上卡住，逆时针旋转样 品推杆，使之与样品台脱离后，向外完全拉出样品推杆。
（5）按面板上的Store按钮，关闭隔离阀。
（6）按键盘面板上Resume按钮，点击弹出ok图标，完成装样。
（1）试样可以是块状或粉未状。 （2）试样在真空中稳定，不含水分或其它易挥发物。 （3）对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场影响。 （4）电子束照射下释放出气体的样品严禁测试。 （5）表面污染的试样，要在不破坏试样表面结构前提下进行清洗，并烘干。 （6）进行表面侵蚀的试样在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，并烘干。
（2）移动试样
利用手柄移动试样台，将所需观察试样移到物镜下方。 在开始寻找样品时，切记要在TV模式下进行观察，确保试样不碰到物镜。 按键盘上的Camera按钮可切换到TV模式。
Z上下移动
X、Y及旋转移动
键盘功能图
光阑对中调节 图像旋转
图像移动
像散调节
换样
camera
亮度对比度
聚焦窗口
扫描速度
放大倍数调节
试样尺寸要求：
块体试样大小要适合样品座尺寸，宽度不超过50mm，高度小于10mm左右 为宜。
样品要求及制备
试样制备：样品制备工作请提前在各自实验室自行完成
（1）块体试样 直接用导电胶或双粘胶黏贴于试样台上，尽量保持试样高度一致；
（2）粉末试样 在丁型样品台上贴导电胶或双面胶，将少量粉未撒在上面，吸耳球把未粘住粉未吹去。 或将粉未制备成悬浮液滴在载玻片、硅片等基底上（尺寸5mm左右），待溶液挥发后
蔡司场发射扫描电镜Merlin培训Ppt

C.W.Qatley 和McMullan 在剑桥（Cambridge ）制成了第 一台现代的SEM，分辨率达到500Å 。McMullan和后来的 Smith（史密斯）指出经过信号处理，可以改善图象。Smith 还第一次引入了对信号的非线性放大（γ－处理）。他又用电 磁透镜代替了原来的静电透镜。并且以双重偏转扫描改进了原 来的扫描系统。他还在SEM中加入了消象散器。第一台成功的 商品型仪器是在1965年问世的，由英国剑桥科学仪器公司制 成。 1966年日本电子光学公司也制成了扫描电镜.在不到十年 的时间中，美国，英国，法国，荷兰，日本和西德已经制成了 一千多台扫描电镜。
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图4 电子与物质的相互作用
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3.成象原理
扫描电镜的成象过程与电视的摄象——显象过程很相似。 来自扫描发生器的扫描信号分别送给电子光学系统的扫描 线圈和显象管的扫描线圈，让电子束与显象管的阴极射束 （实际上也是电子束）做同步扫描，使阴极射束在荧光屏 上的照射点（称为象点）与电子束在样品上的照射点（称 为物点）按时间顺序一一对应，样品上的物点在电子束作 用下所产生的信号被检测器随时检出，经视频放大器放大 后控制显象管阴极射束的强度使荧光屏上象点的亮度受试 样上物点所产生的信号的大小的调制，从而得到与样品性 质有关的图象。这是一种按时间顺序逐点成象的方式。前 面提到的电子束与样品相互作用所产生的各种信息都可以 作为调制图象的信号。
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2.二次电子的收集 二次电子常用装在样品室侧面的闪烁体——光电
倍增管检测器检测。入射电子产生的二次电子被加 有+100V至+200V偏压的栅网收集。闪烁体表面有几 十个纳米厚的导电铝膜，在其加上+10KV偏压。穿 过收集栅网的二次电子被加速到闪烁体。具有加速 电子的能量，足以使闪烁体发光，光强度与二次电 子数量成正比。闪烁体发出的光量子通过光导管送 到光电倍增管转换成电压信号，用来调制阴极束。

9
焦深
SEM的焦深是较好光学显微镑的300－600倍。
焦深大意味着能使不平整性大的表面上下都能聚
焦。
F＝
d 2a
△F——焦深； d ——电子束直径； 2a——物镜的孔径角
10
高低电压应用时优缺点比较
高电压（10 kV以上）
优点
分辨率高
缺点
电子束能量高，穿透样品较深， 得到的不是样品真实的表面信息； 对于不耐电子束的样品如有机材 料损伤较大；对于导电性不好的 样品，表面积累电荷造成荷电和 样品漂移，严重影响观察。
14
15
二次电子像的分辨率高、景深大，为什么？
二次电子运动轨迹
背散射电子运动轨迹
16
16
二、SEM的相关对比 1、SEM原理与TEM的比较 2、同类仪器的比较
17
1、SEM原理与TEM的主要区别：
1） 在SEM中电子束并不像TEM中一样是静态的：在扫描线圈产 生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。
微镜
微镜
显微镜 显微镜 显微镜
微镜
显微镜
显微镜
显微镜
显微镜
制造商 国别
日本
日本
美国
美国
美国
日本
日本
美国
美国
型号
日本精工
FEI
Unisocu
岛津 SSX550 SPA300HV/0.1n Nova
USM-
m-150Mm NanoSEM230 1300S3He
veeco multimode
FEI XL-30
4
目录
SEM的操作 SEM的相关对比
SEM的应用举例
5
一、SEM的操作 1、参数概念 2、操作流程

日本电子株式会社-捷欧路(北京)科贸有限公司
SEM EPMA
FIB TEM
电子光学产品的侧重点
• 透射电镜：微区内部观察/结构与成分分析 • 扫描电镜：微区表面观察和成份定性分析 • 电子探针：微区表面成份准确定量分析
欢迎光临网站
http://www.jeol.co.jp
~US$20,000 方便
EDS/EBSP/WDS 多功能分析
低真空钨灯丝 JSM-IT300LV 3.0nm(15kV)
20nm(1kV)
~1uA
1%
2800K 10-4Pa
1.5eV~较短
~US$20 方便
EDS/EBSP/WDS 多功能分析
光源和图像对比
FEG
W
最近的一些新技术介绍
• 物镜设计 • 最佳光阑角控制器 • 气锁交换 • GB模式 • 能量过滤器
JEOL扫描电镜 序列
钨灯丝 JSM-IT300 JSM-6510 JSM-6010
场发射 JSM-7800F New JSM-7610F JSM-7500F JSM-7100F
FEG W或LaB6
扫描电镜的简单原理
光源
聚光镜 物镜光阑
物镜
扫描线圈 样品
SE detector 二次电子探测器 ：观察形貌 BSE detector 背散射电子探测器 ：观察构成
大电流下的小束斑（分辨率）
200nA
5nA
1 mm
500pA
50pA
碳膜上蒸金
x50,000 15kV
最近的一些新技术介绍
• 物镜设计 • 最佳光阑角控制器 • 气锁交换 • GB模式 • 能量过滤器
气锁换样
1. 日本电子专利的一步式样品交换， 方便快捷。 2. 样品室保持高真空，污染小。

散器及物镜光阑； • 设计时焦距应尽可能短。
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扫描系统：
组成：由扫描信号发生器、两组偏转线圈、衰 减网络等电子线路组成。 使电子束偏转，在样品上作光栅状扫描
作用
改变电子束在样品表面扫描振幅， 以获得不同放大倍数的图像
保证电子束在样品上的扫描与显 示系统中的电子束在荧光屏上的 扫描保持同步。
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• 样品室四壁应有多个备用窗口，安装电子检测器，安装其他监 测器和谱仪，以便进行综合性研究；
•在试样台中，试样能进行拉伸、压缩、弯曲、加热、深冷等， 以便研究一些动力学过程；
• 要考虑X-ray通道
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2）、样品台 拉伸台、加热台、冷冻台、低温台等。
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在最佳焦点上下方某个距离内，电子束宽化到重叠两个像 素，产生明显离焦，这个距离称为景深。
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∵当电子束重叠一个以上像素时， 图像模糊
D ≈ 2r/ α= 0.1/ αM
∴在电子束斑尺寸一定时，减小
孔径角 或减小放大倍率均可增
加景深。
减小孔径角：α=R/WD
R：末级光阑尺寸 D：工作距离
• 试样导电、导热、稳定 。
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不导电试样的特点
• 不导电试样或者导电性差的试样，例如无机 非金属材料、有机材料、矿物及生物材料等， 在常规EPMA、SEM分析条件下，由于电荷 积累而产生放电现象、也称荷电（由于缺少 足够的对地导电途径，当试样受电子束轰击 时其表面发生电荷积累的现象）。在分析有 荷电的试样时，无法确定分析点，分析点会 随时间变化；吸收电流减小，无法定量分析； 降低了有效加速电压；图像质量差，或者无 法成像等。
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四、扫描电镜的调整
• 电子束合轴 • 放入试样 • 图像调整
四、扫描电镜的调整
• 电子束合轴
•
调整电子束对中〔合
轴〕的方法有机械式和电磁
式。
• ①机械式是调整合轴螺钉
• ②电磁式那么是调整电磁对 中线圈的电流，以此挪动电
四、扫描电镜的调整
• 放入试样
•
将试样固定在试样
盘上，并进展导电处置，使
试样处于导电形状。将试样
•
样品在入射电子束作
用下会产生各种物理信号，有
二次电子、背散射电子、特征
X射线、阴极荧光和透射电子。
•
不同的物理信号要用
不同类型的检测系统。它大致
二、扫描电镜的构造
常用的检测系统为闪烁计数器，它位于样 品上侧，由闪烁体，光导管和光电倍增器所组 成，如图5所示。
二、扫描电镜的构造
图5 电子检测器
三、扫描电镜的根本原理

二、扫描电镜的构造
构成： 电子光学系统，包括电子枪、电磁透镜和扫
描线圈等； 机械系统，包括支撑部分、样品室； 真空系统； 样品所产生信号的搜集、处置和显示系统。
二、扫描电镜的构造
图1 Sirion 200 扫描电镜外
观照片
二、扫描电镜的构造
图2 扫描电子显微镜
构造表示图 (a)系统方框图
二、扫描电镜的构造
六、实验报告要求
• 简要阐明扫描的原理及电镜各部分的作用。 • 根据他的了解，举例阐明扫描电镜的运用。 • 根据实验察看的断口特征，简述韧窝断口、
穿晶解理断口、脆性沿晶断口、疲劳断口的 典型形貌特征。
END！
角越小，在试样上扫描面积越小，其放大倍
率M越大。 A(CRT上 扫 描 振 幅 )

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电 子 在 铜 中 的 透 射 、第吸21页收/共和49页背 散 射 系 数 的 关 系
由图知，样品质量厚度越大，则 透射系数越小，而吸收系数越大； 样品背散射系数和二次电子发射系 数的和也越大，但达一定值时保持 定值。
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样品本身要保持电平衡，这些电子信 号必须满足以下关系：
子束轰击固体样品而激发产生的。具 有一定能量的电子，当其入射固体样 品时，将与样品内原子核和核外电子 发生弹性和非弹性散射过程，激发固 体样品产生多种物理信号。
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特征X射线
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背散射电子
它是被固体样品中原子反射回来的一部 分入射电子。又分弹性背散射电子和非弹 性背散射电子，前者是指只受到原子核单 次或很少几次大角度弹性散射后即被反射 回来的入射电子，能量没有发生变化；后 者主要是指受样品原子核外电子多次非弹
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(2) 扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊部件，
它由扫描发生器和扫描线圈组成。它 的作用是：1) 使入射电子束在样品表 面扫描，并使阴极射线显像管电子束 在荧光屏上作同步扫描；2) 改变入射 束在样品表面的扫描振幅，从而改变 扫描像的放大倍数。
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(3) 信号收集系统 扫描电镜应用的物理信号可分为：
材料断口和显微组织三维形态
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扫描电镜能完成： • 表（界）面形貌分析； • 配置各种附件，做表面 成分分析及表层晶体学位 向分析等。
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扫描电镜的成像原理，和透 射电镜大不相同，它不用什么 透镜来进行放大成像，而是象 闭路电视系统那样，逐点逐行 扫描成像。
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