扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜及其应.ppt
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1、扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜及其应用,制作人:,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)是继透射电镜(TEM)之后发展起来的一种电子显微镜扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或透射电子显微镜不同,它是以电子束作为照明源,把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上,产生各种与试样性质有关的信息,然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。,在最近20多年的时间内,扫描电子显微镜发展迅速,又综合了X射线分光谱仪、电子探针以及其它许多技术而发展成为分析型的扫描电子显微镜,仪器结构不断改进,分析精度不断提高,应用功能不断扩大,越来越成
2、为众多研究领域不可缺少的工具,目前已广泛应用于冶金矿产、生物医学、材料科学、物理和化学等领域。,SEM,SEM,SEM,SEM的主要特点,仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝);仪器放大倍数变化范围大(从几倍到几十万倍),且连续可调;图像景深大,富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面(如金属和陶瓷的断口等);试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或不导电的试样不加处理或稍加处理,就可直接放到SEM中进行观察。一般来说,比透射电子显微镜(TEM)的制样简单,且可使图像更近于试样的真实状态;,特点,可做综合分析。SEM装上波长色散X射线谱仪(WDX)
3、(简称波谱仪)或能量色散X射线谱仪(EDX)(简称能谱仪)后,在观察扫描形貌图像的同时,可对试样微区进行元素分析。装上半导体样品座附件,可以直接观察晶体管或集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境(加热、冷却、拉伸等)中的试样显微结构形态的动态变化过程(动态观察)。,扫描电子显微镜的工作原理,一.扫描电镜的工作原理扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。,电子枪,扫描电镜光学系统及成像示意图,二次电子探测器,显示器,扫描放大器,图1,由最上边电子枪发射出来的电子束,经栅极聚焦后,在加速电压作用下,经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统,电子束
4、会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈,在它的作用下使电子束在样品表面扫描。出于高能电子束与样品物质的交互作用,结果产生了各种信息:二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电于等。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,也就是说,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。扫描电镜就是这样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传号,完成一帧图像,从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。,扫描电子显微镜 三大组
5、成,1、真空系统 真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。2、电子束系统 电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分成,主要用于产生一束能量分布极窄的、电子能量确定的电子束用以扫描成象。3、成像系统,扫描电子显微镜由电子光学系统(镜筒)、偏转系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、电源系统和真空系统等部分组成,信号收集及显示系统,检测样品在入射电子作用下产生的物理信号,然后经视频放大作为显像系统的调制信号。普遍使用的是电子检测器,它由闪烁体,光导管和光电倍增器所组成。,真空系统,镜筒,V1阀样品室,挡板,扩散泵,离子泵,机械泵,离子泵手动阀,主阀V5,镜筒阀V4,放气阀V
6、6,储气瓶,热偶规TC4,冷规,旁路阀V3,TC3,TC2,TC1,扩散泵前级阀V2,抽气管,利用扫描电镜观察样品形貌的操作步骤,向冷却阱中加入液氮。打开样品室,装样,关闭样品室,抽真空,当真空指示灯亮时,打开V1阀,加电压至20kV,电流加至60A,通过Z轴调节工作距离(最佳值为12mm)调节X、Y轴,寻求感兴趣的样品区域,做完后,将电流和电压值回零,将对比度、亮度值回零,放大倍数降到100左右,关闭V1阀,调整放大倍数并调焦(要遵循高倍聚焦低倍照的原则),调节对比度和亮度,使样品在显示屏上显示出来,慢速扫描,照相,保存,打开样品室,取出样品,关上样品室,抽真空,当真空指示灯亮时,将仪器置于
7、准备状态,完毕,SEM的应用,(1)生物:种子、花粉、细菌(2)医学:血球、病毒(3)动物:大肠、绒毛、细胞、纤维(4)材料:陶瓷、高分子、粉末、环氧树脂(5)化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥(杆菌)、机械、电机及导电性样品,如半导体(IC、线宽量测、断面、结构观察)电子材料等。,应用举例,1断口分析材料断口的微观形貌往往与其化学成分、显微组织、制造工艺及服役条件存在密切联系,所以断口形貌的确定对分析断裂原因常常具有决定性作用。,1材料表面形态(组织)观察,2断口形貌观察,断口形貌观察,3磨损表面形貌观察,4纳米结构材料形态观察,在生命科学领域可用于胚胎及组织发生学方面的研究和观察;在临床上
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