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干货 | 扫描电子显微镜(SEM)之基本知识篇

溅射靶材 2020-06-03 10:23

  扫描电子显微镜(SEM)

  扫描电子显微镜,简称为扫描电镜,英文缩写SEM(Scanning Electron Microscope)。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面,通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。SEM已广泛应用于材料、冶金、矿物、生物学领域。

  通常人眼能够分辨的最小距离为0.2MM,为了观察分析更微小的细节,人们发明了各种观察仪器。

  首先出现的是光学显微镜,它利用可见光作为照明束照射样品,再将照明束与样品的作用结果由成像放大系统处理,构成适合人眼观察的放大像。一般而言光学显微镜能分辨的最小距离约为200um,是人眼的一千倍。

  为突破光学显微镜的分辨极限,人们想到用电子束做照明束,并与上个世纪三十年代制造出了第一台扫描电子显微镜。它的分辨率已经达到了原子水平(≈0.1um),比光学显微镜提高了近两千倍。

观测三连.png

  扫描电子显微镜工作原理--光栅扫描,逐点成像

  ·电子枪发射电子束,电压加速、磁透镜系统汇聚,形成直径约5nm的电子束。

  ·电子束在偏转线圈的作用下,在样品上做光栅状扫描,激发多种电子信号。

  ·探测器收集电子信号,经过电信号放大器加以放大处理,在显示系统上成像。

  ·二次电子的图像信号动态地形成三维图像。

SEM工作原理.png

  扫描电子显微镜组成部分

  电子光学系统

  组成:电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件。

  作用:获得扫描电子束、作为产生物理信号的激发源。

  信号收集和显示系统

  信号收集:二次电子和背散射电子收集器、吸收电子显示器、X射线检测器(波谱仪和能谱仪)

  显示系统:显示屏有两个,一个用于观察,一个用于记录照相。

  真空系统

  组成:机械泵、扩散泵

  作用:保证电子光学系统正常工作,提供高真空度,防止样品污染,保持灯丝寿命,防止极间放电。

  电源系统

  包括启动的各种电源,检测-放大系统电源,光电倍增管电源,真空系统和成像系统电源灯。还有稳压、稳流及相应的安全保护电路。

  扫描电子显微镜的应用

  扫描电镜观察纳米材料

  所谓纳米材料就是指组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-100nm范围内,扫描电镜的一个重要特点就是具有很高的分辨率。现已广泛用于观察纳米材料。

  扫描电镜观察材料断口

  扫描电镜所显示的断口形貌从深层次,高景深的角度呈现材料断裂的本质,在教学、科研和生产中,有不可替代的作用,在材料断裂原因的分析、事故原因的分析已经工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。

  扫描电镜观察大试样的原始表面

  扫描电镜能够直接观察直径100mm,高50mm,或更大尺寸的试样,对试样的形状没有任何限制,粗糙表面也能观察,这便免除了制备样品的麻烦,而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度(背反射电子象)。

  扫描电镜观察厚试样

  扫描电镜在观察厚试样时,能得到高的分辨率和最真实的形貌。

  扫描电镜观察试样区域细节

  试样在三度空间内有6个自由度运动(即三度空间平移、三度空间旋转)。且可动范围大,这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。

  扫描电镜连续观察

  扫描电镜进行从高倍到低倍的连续观察,放大倍数的可变范围很宽,且不用经常对焦。

  扫描电镜观察生物试样

  由于电子照射面发生试样的损伤和污染程度很小,这一点对观察一些生物试样特别重要。

  扫描电镜进行动态观察

  在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件,则可以通过电视装置,观察相变、断烈等动态的变化过程。

  扫描电镜观察试样表面形貌

  扫描电镜除了观察表面形貌外还能进行成分和元素的分析,以及通过电子通道花样进行结晶学分析,选区尺寸可以从10μm到3μm。

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