上海交通大学：《材料组织结构表征》课程教学资源（课件讲义）复习-2019课件浓缩版

扫描电镜-SEM W3XOD 。 扫描电镜工作原理和构造 。扫描电镜像衬原理及应用 影响SEM图像质量的因素 世 1

 扫描电镜工作原理和构造  扫描电镜像衬原理及应用  影响SEM图像质量的因素 扫描电镜-SEM 1

电子束与固态样品相互作用 SEM Incident high-kV beam Secondary electrons (SE) Backscattered electrons (BSE) Characteristic X-rays EDS/WDS Auger Visible electrons Light Absorbed' Electron-hole electrons pairs Bremsstrahlung Specimen X-rays Elastically Inelastically scattered Direct scattered electrons Beam electrons 2 TEM

2 EDS/WDS SEM 电子束与固态样品相互作用 TEM

扫描电镜工作原理和构造 Acceleration voltage Cathode Wehnelt cylinder Anode 卤 Screen:Brightness Condensor lens 1 FASTX is proportional to Condensor lens 2 START SE or BSE signal 区 SLOW Scan generator Deflection coils END (X and Y (scan) deflection) Objective lens Amplifiers ←BSE detector SE detector Secondary Back-scattered electrons(SE electrons Probe (BSE) 3

扫描电镜工作原理和构造 3

电子源 热电子发射 场发射 参数 钨灯丝 LaB6灯丝 肖特基 冷场 阴极材质 W LaBs Zr0/W(100) W(310) 工作温度[K] 2,800 1,900 1,800 常温 电子源直径 50 5 0.015 0.0025 亮度[A/cm2.sr] 104 105 108 109 能量分散[eV] ~2.3 ≈1.5 0.7 0.3 工作真空度[Pa] <10-3 <10-5 <1x10-7 <1x10-8 闪烁 无需 无需 无需 1次/天 累计寿命 100~200h 1年 1~2年 3~5年 钨灯丝 LaB灯丝 场发射灯丝

参数 热电子发射 场发射 钨灯丝 LaB6灯丝 肖特基 冷场 阴极材质 W LaB6 ZrO/W (100) W(310) 工作温度 [K] 2,800 1,900 1,800 常温 电子源直径 [um] 50 5 0.015 0.0025 亮度 [A/cm2.sr] 104 105 108 109 能量分散 [eV] ～2.3 ～1.5 ～0.7 ～0.3 工作真空度 [Pa] < 10-3 < 10-5 < 1x10-7 < 1x10-8 闪烁 无需 无需 无需 1次/天 累计寿命 100～200h 1年 1～2年 3～5年 钨灯丝 LaB6灯丝 场发射灯丝 电子源

扫描电镜工作原理与构造 ·扫描电镜通过电子束激发样品生成信号成像 镜筒 SEM倍率改变的方法 探测器 M=A/A、=常数/A 电子束 Ac:阴极射线管的荧光屏宽度尺寸 样品 As:入射电子在样品上扫描范围 5

5 扫描电镜工作原理与构造 • 扫描电镜通过电子束激发样品生成信号成像 镜筒 探测器 电子束 样品 M Ac As As  /  常数/ SEM倍率改变的方法 Ac：阴极射线管的荧光屏宽度尺寸 As：入射电子在样品上扫描范围

扫描电镜的景深Ff 入射电子束 入射电子束 F= do B 平面1一- 样品平面1 平面2一 do:扫描像的分辨率 B:电子束发散度 样品平面2 do (mm)= 肉眼分辨率/有效放大倍率 6

6 扫描电镜的景深Fƒ tanβ β o f d d F    d0（mm） ＝ 肉眼分辨率／有效放大倍率 d0：扫描像的分辨率 β：电子束发散度

扫描电镜的景深Ff 景深F,(μm) 放大倍率M 分辨率d,(um) 扫描电子显微镜 光学显微镜 20 5 5000 5 100 1 1000 2 1000 0.1 100 0.7 5000 0.02 20 10000 0.01 10 二 (发散角：B=1X103rad) 扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大得多，特别 适用于粗糙表面的观察和分析 7

7 扫描电镜的景深Fƒ 放大倍率M 分辨率d0（μm） 景深Fƒ（μm） 扫描电子显微镜 光学显微镜 20 100 1000 5000 10000 5 1 0.1 0.02 0.01 5000 1000 100 20 10 5 2 0.7 — — （发散角：β = 1×10-3 rad） • 扫描电子显微镜的景深比光学显微镜大得多，特别 适用于粗糙表面的观察和分析

电子束与固体作用时产生的信号 ·二次电子(SE) 高能量的电子束轰击样品表面，入射电子与样品相互作用后，使 样品原子的外层电子受激发而逸出样品表面，能量小于50eV, 来自样品表面5-10nm的区域，不包含与元素相关的信息 。入射电子 →。二次电子 SE Carl Zeiss SMT 二次电子能量低 深度10nml以内 对材料表面形貌起伏敏感 8

8 • 二次电子（SE） 二次电子 入射电子 二次电子能量低 深度10nm以内 对材料表面形貌起伏敏感 高能量的电子束轰击样品表面，入射电子与样品相互作用后，使 样品原子的外层电子受激发而逸出样品表面，能量小于50eV， 来自样品表面5-10nm的区域，不包含与元素相关的信息 电子束与固体作用时产生的信号

电子束与固体作用时产生的信号 背散射电子(BSE) 入射电子受到样品原子核散射而大角度反射回来的电子称为背散 射电子，能量损失小于1eV。 被固体样品原子反射回来。 的一部分入射电子 0.5 E。 E。 BSE BSE BSE BSE 0.3 02 0.0 40 60 Z (ZZD Atomic number 背散射电子产额与样品平 原理图 均原子序数相关 入射电子被原子核反弹 形成背散射电子 产额与原子核状态有关 对材料成分衬度敏感 9

• 背散射电子（BSE） 入射电子受到样品原子核散射而大角度反射回来的电子称为背散 射电子，能量损失小于1eV。 背散射电子产额与样品平 原理图 均原子序数相关 被固体样品原子反射回来 的一部分入射电子 入射电子被原子核反弹 形成背散射电子 产额与原子核状态有关 对材料成分衬度敏感 9 电子束与固体作用时产生的信号

电子束与固体作用时产生的信号 ·分辨率 Primary electrons Auger electrons Sample (0.4-5nm) surface 2-50nm SEs ◆BSEs Characteristic X-rays Continuum X- rays Secondary fluorescence by Interaction BSE spatial continuum and resolution characteristic volume(pear- (50-300nm) X-rays shaped zone X-ray resolution 信号 二次电子 背散射电子 吸收电子 特征X射线 俄歇电子 分辨率 2-50nm 50-200nm 10-1000nm 10-1000nm 0.4-5nm 10

10 电子束与固体作用时产生的信号 信 号 二次电子 背散射电子 吸收电子 特征X射线 俄歇电子 分辨率 2-50nm 50-200nm 10-1000nm 10-1000nm 0.4-5nm • 分辨率