扫描电镜原理与应用

扫描电镜原理与应用（精选2篇）

扫描电镜原理与应用 篇1

扫描电镜的基本结构和工作原理

扫描电子显微镜利用电子枪发射的电子束，经过几级电磁透镜缩小后，电子束到达样品，激发样品中的二次电子，二次电子被探测器接收，通过信号处理并调制显示器上一个像素发光，由于电子束斑直径是纳米级别，而显示器的像素是100微米以上，这个100微米以上像素所发出的光，就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描，并且从时空上一一对应调制显示器的像素的亮度，便实现这个样品区域微观形貌的放大成像。细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。

扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。

必须抛光而不需腐蚀。

扫描电镜原理与应用 篇2

1 透射电子显微镜

透射电子显微镜, 简称透射电镜, 是以波长很短的电子束作照明源, 用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器, 实物如图1所示。透射电镜同时具有两大功能:物相分析和组织分析。物相分析是利用电子和晶体物质作用可以发生衍射的特点, 获得物相的衍射花样;而组织分析是利用电子波遵循阿贝成像原理, 可以通过干涉成像的特点, 获得各种衬度图像。

1.1 透射电镜的基本构造及工作原理

1.1.1 透射电镜的基本构造

透射电镜主要由3个基本部分构成:电子光学系统、真空控制系统和电源系统。透射电镜基本构造如图2所示。

1.1.2 透射电镜的工作原理

透射电镜用聚焦电子束作为照明源, 使用对电子束透明的薄膜试样 (101~103 nm) , 以透射电子为成像信号。

1.2 透射电镜的优缺点和应用方向

透射电镜具有以下3个优点: (1) 可以获得高分辨率; (2) 可以获得高放大倍数; (3) 可以获得立体丰富的信息。透射电镜虽然可以获得以上优点, 但是由于其成像原理, 因此其应用也存在以下4方面的缺点: (1) 其样品的制备是具有破坏性的; (2) 电子束轰击样品表面; (3) 应用需要真空条件; (4) 采样率低。

透射电镜具有高分辨率、高性能优势, 因此可以应用于材料科学方面的成分和结构分析, 也可以应用于生命科学方面进行生化物质定位, 为科研和实际生产提供可靠的数据来源。应用主要有以下几点: (1) 用于气溶单颗粒的研究; (2) 用于C/C复合材料的研究; (3) 用于纳米粉体的研究; (4) 用于铁材料的电畴观察。另外, 还是物理学和生物学相关的许多科学领域的重要分析方法之一, 如癌症研究、病毒学、材料科学、纳米技术以及半导体研究等。

1.3 透射电镜的样品制备

在利用透射电镜进行研究分析时, 主要制备金属材料样品, 粉末样品和陶瓷材料样品。其中, 陶瓷材料的样品主要分为3类, 第一是颗粒试样, 主要用于其形态观察、颗粒尺寸测定、成分分析等;第二是薄膜试样, 可以做相组织, 形态分布, 结构分析, 成分分析及位错观察等;第三是块状试样, 用于观察试样表面形貌, 断口分析, 成分分析等。在实际应用中, 透射电子显微镜的观察主要以颗粒试样和薄膜试样为主。对于陶瓷纤维样品可先通过包埋处理后, 做超薄切片, 放在有支持膜的铜网上, 再用投射电镜观察分析。

1.4 透射电镜的主要性能指标

透射电镜的主要性能指标有:分辨率、放大倍数和加速电压。其中, 分辨率是透射电镜的最主要性能指标, 分为点分辨率和线分辨率。放大倍数是指电子图像对于所观察试样区的线性放大率。加速电压则决定电子枪发射的电子波长和能量。

2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜不用电磁透镜放大成像, 而是以类似电视摄影显像的方式, 利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的, 实物如图3所示。扫描电镜现在在数量和普及程度上均已超过了透射电镜。

2.1 扫描电镜的基本构造及工作原理

2.1.1 扫描电镜的基本构造

扫描电镜主要由3个基本部分构成:电子光学系统 (镜筒) 、信号收集和图像显示系统和真空控制系统。扫描电镜基本构造如图4所示。

2.1.2 扫描电镜的工作原理

扫描电镜的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品, 在样品表面激发出次级电子, 次级电子的多少与电子束入射角有关, 也就是说与样品的表面结构有关, 次级电子由探测体收集, 并在那里被闪烁器转变为光信号, 再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度, 显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象, 反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子, 标本在固定、脱水后, 要喷涂上一层重金属微粒, 重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

2.2 扫描电镜的优缺点和应用方向

扫描电镜是一种高分辨率的电镜, 可以直接观察样品表面, 图像富有立体感, 真实感。而且它除了能显示一般试样表面的形貌外, 还能将试样微区范围内的化学元素与光、电、磁等性质的差异以二维图像形式显示出来, 并可用照相方式拍摄图像。另外, 扫描电镜分辨本领高, 观察试样的景深大, 可直接观察试样表面起伏较大的粗糙结构。

扫描电子显微镜是一种有效的理化分析工具, 通过它可进行各种形式的图像观察、元素分析、晶体结构分析, 三维形貌的观察和分析, 可以观察纳米材料、进口材料断口的分析, 直接观察大试样的原始表面, 观察厚试样, 观察试样的各个区域的细节。在观察形貌的同时, 进行微区的成分分析, 还可以观察生物试样, 进行动态观察。

2.3 扫描电镜的样品制备

在利用扫描电镜进行研究分析时, 主要制备块状试样, 粉末试样和镀膜 (真空镀膜、离子溅射镀膜) 。

2.4 扫描电镜的主要性能指标

扫描电镜的主要性能指标有:分辨率、放大倍数和景深。其中, 分辨率是指清晰地分开两个物体之间距离的能力。扫描电镜的放大倍数是指电子束在荧光屏上最大扫描距离和镜筒中电子束在试样上最大扫描距离的比值。景深是指图像清晰度保持不变的情况下样品平面沿光轴方向前后可移动的距离。景深与放大倍数密切相关, 放大倍数越大, 景深越小。

3 结语

透射电子显微镜常用于观察普通显微镜不能分辨的细微物质结构;扫描电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌。有时, 将两者有机结合可以得到比较全面的材料分析结果。

摘要：文章简要介绍了透射电镜和扫描电镜两种当前主要的电子显微分析方法的应用, 比较了它们的结构和工作原理, 讨论了各自的应用范围以及发展方向, 指出将两者有机结合可以得到比较全面的材料分析结果。

关键词：透射电镜,扫描电镜,电子显微分析方法

参考文献

[1]王培铭.材料研究方法[M].北京:科学出版社, 2005.