1、簡述掃描電鏡的構(gòu)造及成像原理，試分析其與透射電鏡在樣品表征方面的異同1、掃描電鏡的構(gòu)造掃描電鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號收集和圖像顯示系統(tǒng)、和真空系統(tǒng)三部分組成。 1.1 電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。1.1.1 電子槍 掃描電子顯微鏡中的電子槍與透射電鏡的電子槍相似，只是加速電壓比透射電鏡低。1.1.2 電磁透鏡 掃描電子顯微鏡中各電磁透鏡都不作成像透鏡用，而是做聚光鏡用，它們的功能只是把電子槍的束斑逐級聚焦縮小，使原來直徑約為50um的束斑縮小成一個只有數(shù)個納米的細(xì)小斑點(diǎn)，要達(dá)到這樣的縮小倍數(shù)，必須用幾個透鏡來完成。掃描電子顯微鏡一般都有三個聚光鏡，前兩

2、個聚光鏡是強(qiáng)磁透鏡，可把電子束光斑縮小，第三個聚光鏡是弱磁透鏡，具有較長的焦距。布置這個末級透鏡（習(xí)慣上稱之物鏡）的目的在于使樣品室和透鏡之間留有一定空間，以便裝入各種信號探測器。掃描電子顯微鏡中照射到樣品上的電子束直徑越小，就相當(dāng)于成像單元的尺寸越小，相應(yīng)的分辨率就越高。采用普通熱陰極電子槍時，掃描電子束的束徑可達(dá)到6nm左右。若采用六硼化鑭陰極和場發(fā)射電子槍，電子束束徑還可進(jìn)一步縮小。1.1.3 掃描線圈 掃描線圈的作用是使電子束偏轉(zhuǎn)，并在樣品表面作有規(guī)則的掃動，電子束在樣品上的掃描動作和顯像管上的掃描動作保持嚴(yán)格同步，因為它們是由同一掃描發(fā)生器控制的。1.1.4 樣品室 樣品室內(nèi)除放置樣

3、品外，還安置信號探測器。各種不同信號的收集和相應(yīng)檢測器的安放位置有很大關(guān)系，如果安置不當(dāng)，則有可能收不到信號或收到的信號很弱，從而影響分析精度。樣品臺本身是一個復(fù)雜而精密的組件，它應(yīng)能夾持一定尺寸的樣品，并能使樣品作平移、傾斜和轉(zhuǎn)動等運(yùn)動，以利于對樣品上每一特定位置進(jìn)行各種分析。新式掃描電子顯微鏡的樣品室實際上是一個微型試驗室，它帶有許多附件，可使樣品在樣品臺上加熱、冷卻和進(jìn)行機(jī)械性能試驗（如拉伸和疲勞）。1.2 信號的收集和圖像顯示系統(tǒng) 二次電子、背散射電子和透射電子的信號都可采用閃爍計數(shù)器來檢測。信號電子進(jìn)入閃爍體后即引起電離，當(dāng)離子和自由電子復(fù)合后就產(chǎn)生可見光?？梢姽庑盘柾ㄟ^光導(dǎo)管送入光

4、電倍增器，光信號放大，即又轉(zhuǎn)化成電流信號輸出，電流信號經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號。如前所述，由于鏡筒中的電子束和顯像管中電子束是同步掃描的，而熒光屏上每一點(diǎn)的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號強(qiáng)度來調(diào)制的，因此樣品上各點(diǎn)的狀態(tài)各不相同，所以接收到的信號也不相同，于是就可以在顯像管上看到一幅反映試樣各點(diǎn)狀態(tài)的掃描電子顯微圖像。1.3 真空系統(tǒng) 為保證掃描電子顯微鏡電子光學(xué)系統(tǒng)的正常工作，對鏡筒內(nèi)的真空度有一定的要求。一般情況下，如果真空系統(tǒng)能提供1.3310-2 -1.3310-3 Pa的真空度時，就可防止樣品的污染。如果真空度不足，除樣品被嚴(yán)重污染外，還會出現(xiàn)燈絲壽命下降，極間放電等問題。

5、2、掃描電鏡的成像原理掃描電鏡是由電子槍發(fā)射并經(jīng)過聚焦的電子束在樣品表面掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號，經(jīng)過檢測、視頻放大和信號處理，在熒光屏上獲得能反映樣品表面各種特征的掃描圖像。3、分析掃描電鏡與透射電鏡在樣品表征方面的異同3.1 結(jié)構(gòu)差異 主要體現(xiàn)在樣品在電子束光路中的位置不同，透射電鏡的樣品在電子束中間，電子源在樣品上方發(fā)射電子，經(jīng)過聚光鏡，然后穿透樣品后，有后續(xù)的電磁透鏡繼續(xù)放大電子光束，最后投影在熒光屏幕上；掃描電鏡的樣品在電子束末端，電子源在樣品上方發(fā)射的電子束，經(jīng)過幾級電磁透鏡縮小，到達(dá)樣品。當(dāng)然后續(xù)的信號探測處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會不同，但從基本物理原理上講沒什么實質(zhì)性差別。 相同

6、之處：都是電真空設(shè)備，使用絕大部分部件原理相同，例如電子槍，磁透鏡，各種控制原理，消象散，合軸等。3.2 基本工作原理 透射電鏡：電子束在穿過樣品時，會和樣品中的原子發(fā)生散射，樣品上某一點(diǎn)同時穿過的電子方向是不同，這樣品上的這一點(diǎn)在物鏡1-2倍焦距之間，這些電子通過過物鏡放大后重新匯聚，形成該點(diǎn)一個放大的實像，這個和凸透鏡成像原理相同。這里邊有個反差形成機(jī)制理論比較深就不講，但可以這么想象，如果樣品內(nèi)部是絕對均勻的物質(zhì)，沒有晶界，沒有原子晶格結(jié)構(gòu)，那么放大的圖像也不會有任何反差，事實上這種物質(zhì)不存在，所以才會有這種牛逼儀器存在的理由。經(jīng)過物鏡放大的像進(jìn)一步經(jīng)過幾級中間磁透鏡的放大，最后投影在熒

7、光屏上成像。由于透射電鏡物鏡焦距很短，也因此具有很小的像差系數(shù)，所以透射電鏡具有非常高的空間分辨率，0.1-0.2nm，但景深比較小，對樣品表面形貌不敏感，主要觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 掃描電鏡：電子束到達(dá)樣品，激發(fā)樣品中的二次電子，二次電子被探測器接收，通過信號處理并調(diào)制顯示器上一個像素發(fā)光，由于電子束斑直徑是納米級別，而顯示器的像素是100um以上，這個100um以上像素所發(fā)出的光，就代表樣品上被電子束激發(fā)的區(qū)域所發(fā)出的光。實現(xiàn)樣品上這個物點(diǎn)的放大。如果讓電子束在樣品的一定區(qū)域做光柵掃描，并且從幾何排列上一一對應(yīng)調(diào)制顯示器的像素的亮度，便實現(xiàn)這個樣品區(qū)域的放大成像。具體圖像反差形成機(jī)制不講。由于

8、掃描電鏡所觀察的樣品表面很粗糙，一般要求較大工作距離，這就要求掃描電鏡物鏡的焦距比較長，相應(yīng)的相差系數(shù)較大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系統(tǒng)的空間分辨率一般比透射電鏡低得多1-3納米。但因為物鏡焦距較長，圖像景深比透射電鏡高的多，主要用于樣品表面形貌的觀察，無法從表面揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，除非破壞樣品，例如聚焦離子束電子束掃描電鏡FIB-SEM,可以層層觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 透射電鏡和掃描電鏡二者成像原理上根本不同。透射電鏡成像轟擊在熒光屏上的電子是那些穿過樣品的電子束中的電子，而掃描電鏡成像的二次電子信號脈沖只作為傳統(tǒng)CTR顯示器上調(diào)制CRT三極電子槍柵極的信號而已。透射電鏡我們可以說是看到了電子光成像，而掃描電鏡根本無法用電子光路成像來想象。3.3 樣品制備 TEM:電子的穿透能力很弱，透射電鏡往往使用幾百千伏的高能量電子束，但依然需要把樣品磨制或者離子減薄或者超薄切片到微納米量級厚度，這是最基本要求。透射制樣是學(xué)問，制樣好壞很多情況要靠運(yùn)氣，北京大學(xué)物理學(xué)院電子顯微鏡實驗室，制樣室都貼著制樣過程規(guī)范，結(jié)語是祝你好運(yùn)！ SEM: 幾乎不用制樣，直接觀察。大多數(shù)非導(dǎo)體需要制作導(dǎo)電膜，絕大多數(shù)幾分鐘的搞