扫描电镜.docx

扫描电镜.docx

《扫描电镜.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《扫描电镜.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

扫描电镜

扫描电子显微镜之--（环境真空）含水样品观察原理

        为了使得扫描电子显微镜直接观察含水样品，例如活的生物、细胞，湿润的矿物，泥土等，希望能够保持含水量不变，从而观察到保持样品含水时候的自然状态。

样品不经过任何处理，直接固定在样品室内进行观察。

       较低的真空，在电子轰击下，样品室中气体以等离子态存在，因此可以轻松消除非导电样品的荷电问题。

对于“干燥”的非导电样品，自然可以比较轻松观察，但对于含水分的样品，就必须“较真儿”了。

       众所周知，在常压和一定温度、湿度条件下含水量一定的样品，如果温度升高，或者压力减小，水分会丢失。

对于大多数生物组织，失去水分，其形态会发生变化，甚至完全扭曲。

       失去水分的原因是水分汽化，液相转变为气相。

在0摄氏度以下，液相变成固相的冰，冰直接升华成气相。

      含水样品的观察就是基于在不同温度下液相（固相）气相，保持一定含水量的饱和压力，在传统扫描电镜的基础上实现的。

主要改进技术包括：

普通扫描电镜改进成为环境扫描电镜费用很高。

1、电子枪室和样品分析室之间采用多级压差光阑，在保证电子枪室的高真空情况下，实现样品分析室的饱和压力真空度。

2、在样品一定温度下，向样品分析室充入水蒸气，只要保证样品分析室的真空度正好和这个温度条件下的水蒸气饱和压力相等，样品的含水量就不会增多，也不会减少，而是保持动态平衡。

      通过饱和压力曲线可知，降低温度可以在更低的真空度（更高的气压）下实现水分保持不变。

但降低温度，需要增加低温样品台。

     在常温下，如25°C，样品室的气体压力要求在1500Pa以上才可以实现水分饱和平衡。

3、改进二次电子探测器：

     从电子光学角度来看，很低的真空下，电子束被气体散射损失很多初级电子，好比一个陨石从太空进入大气层，着陆的时候，体积已经变得很小了。

电子光学系统的性能是相对固定的，按照传统的探测技术，根据图像反差原理，信噪比相对会变得非常糟糕，样品发射有效信号锐减很多，相应的分辨率也会降低很多。

另外很低真空环境内有高压击穿短路的危险，因此传统ET-SE探测器,只能在高真空和一定温度范围内（常温）下工作。

     图像探测器：

     可以采用半导体固体背散射电子探测器，情况和上面讲的道理相同，信噪比相应会变得非常糟糕，信号差的要命！

     气体环境二次电子探测器（EGSED）：

阳极靶（吸收二次电子电流）+微电流放大器（类似样品电流探测器），阳极靶上面有600v的收集偏压（对比度控制），1个二次电子的能量变成600ev向探测器飞行，飞行过程中会激发气体分子发射二次电子（50ev以下平均3-5ev），一个二次电子可能在飞行过程中，根据碰撞几率可以产生几个二次电子，产生的二次电子又被探测器偏压吸引加速，又会激发其他气体分子产生二次电子，一个初始二次电子通过这种联级作用，将会成级数增加到达探测器阳极靶，气体相当于给信号放大，这样弥补了入射电子束电流减少的矛盾，解决了能见度低的问题，并且不明显降低分辨率能力。

只要样品室真空稳定，所有像素发射的二次电子电流都是成比例放大，解决了能见度低的问题，并且可以稳定成像。

      这种探测器的过程本质，有点类似正比计数管，和测量X射线能量不同，不强调正比计数区域，关心的是两个像素之间发射的二次电子信号是否成比例的进行放大了。

通过调节偏压改变气体放大因子，从而可调节图像对比度。

        气体二次电子探测器的最大缺点是频带宽度有限，每个像素点的响应速度一般为微秒级别，很难实现高频扫描，对于操作不利。

      改进的E-T型二次电子探测器：

 LVSTD 

      为了克服气体环境二次电子探测器的缺陷，把吸收电流阳极靶，依然更换成E-T型二次电子探测器，但在收集栅网和闪烁体之间增加了压差光阑，这样可以保证在闪烁体表面施加的加速电压，和地间不发生击穿放电。

在压差光阑上增加500v偏压，汇聚进入栅网的二次电子，同时在光阑边缘产生的二次电子又起到信号放大作用。

     这种探测器很好的利用了E-TSED和EGSED的各自优点，克服了各自缺点。

使得在低真空和环境真空条件下良好的图像质量。

       由于于气体探测器在接收样品二次电子的同时，还接收了大量的初级电子束，背散射电子电离气体的二次电子，这样降低了相应反差，因此成像质量和分辨率不会超过高真空。

       以上都是理想状态下效果，实际操作上，要得到好的高分辨效果，要比高真空难的多。

很差的真空，样品和电子光路污染的几率大大增加，从扫描电镜分辨率影响因素，很容易看出，扫描电镜在低真空或者环境条件下使用，保持高分辨的能力的时间较短，如果不及时维护，很难想象。

含水样品只是环境扫描电子显微镜的应用之一。

概括的讲：

环境扫描电镜是在普通扫描电镜的基础上增加的功能。

实质上是为解决样品在一定温度和湿度下保持形态和元素成分分布不流失（不变）的问题。

对于研究材料“真实状态”有重大意义。

相反环境扫描电镜可以在改变环境温度、“湿度”或者“气体环境”条件下，动态观察样品的形态或者化学成分分布的变化。

例如：

观察含水样品时候，使得样品分析室在饱和压力之上，则水蒸气会凝结在样品上，样品的含水量会增加；如在饱和压力之下，那么

            样品中的液相会变成气相，含水量减少。

环境扫描电镜有温度控制和“湿度”控制两方面的技术，一般是配合使用。

另外信号探测技术也做相应改进。

温度控制可从液氮温度到1500°C

“湿度”控制是保持“水分”含量恒定。

环境扫描电子显微镜，在1990年代开始受到重视，第一台ESEM是一个叫做ElectroScan的公司制造，它是以飞利浦电子光学公司SEM为基础进行的改进。

后来飞利浦电子光学收购了ElectroScan；再后来飞利浦电子光学又卖给美国FEI公司，（飞利浦美国控股FEI）.ESEM是美国FEI专利名称，其他任何厂商即使可以实现这个功能，也不能取名叫做环境扫描电镜Environmentalscanningelectronmicroscopy（ESEM）。

ESEM包括的附件有高温样品台，低温样品台，样品拉、压、剪切，机械疲劳拉伸台，环境气氛可以是水蒸气，或者其他化学品蒸汽，可实现样品动态变化的观察。

含水量饱和压力曲线

环境扫描电镜（ESEM）样品室真空压力范围10Pa--5000Pa

 环境扫描电镜的优点

?

可对如下样品直接成像

–绝缘样品

–真空敏感样品（如，生物样品）

–辐射敏感样品如有机薄膜

–“湿”样品（含油，脏，含脂类）

?

原位观察研究物理化学过程如下：

–机械应力测试

–金属氧化

–脱水/水合反应（如，观察油漆干燥过程）

环境扫描电镜的缺点：

环境扫描电镜给科技工作者提供了模拟环境条件观察样品形态的可能性。

但缺点同样明显。

1、由于初级电子束被较低真空散射，改变方向.在整个样品上都会同时被轰击，产生的二次电子或者特征x射线，可同时被探测器接收，这降低了图像反差。

或者增大了X射线显微分析（EDS、WDS）误差。

 2、环境扫描电镜对样品室和电子光学系统的污染，实践证明是非常严重的。

如维护不当，效果将会令使用者万分沮丧。

 3、如果并非研究需要，制造商并不建议经常使用环境真空模式进行观察。

不要以为了制样简单省事就好，因为环境扫描功能付出了很大代价，并不仅仅为了节省一些制样时间，最重要的是科学研究需要。

环境扫描电子显微镜

　主要用途：

1.样品不需喷C或Au，可在自然状态下观察图像和元素分析。

2.可分析生物、非导电样品（背散射和二次电子像）3.可分析液体样品4.±20℃内的固液相变过程观察5.分析结果可拍照、视频打印和直接存盘（全数字化）

　　仪器类别：

0304070201/仪器仪表/光学仪器/电子光学及离子光学仪器/扫描式电子显微镜

　　指标信息：

分辨率3.5nm真空度20乇（可放水汽）环扫下可看二次电子像能谱分辨率130eV,元素B以上，样品台控温±20℃

　　一、环境扫描电镜的特点普通扫描电镜的样品室和镜筒内均为高真空（约为10-6个大气压），只能检验导电导热或经导电处理的干燥固体样品。

低真空扫描电镜可直接检验非导电导热样品，无需进行处理，但是低真空状态下只能获得背散射电子像。

环境扫描电镜除具有以上两种电镜的所有功能外，还具有以下几个主要特点：

1.样品室内的气压可大于水在常温下的饱和蒸汽压2.环境状态下可对二次电子成像3.观察样品的溶解、凝固、结晶等相变动态过程（在-20℃～+20℃范围）二、环境扫描电镜应用环境扫描电镜可以对各种固体和液体样品进行形态观察和元素（C-U）定性定量分析，对部分溶液进行相变过程观察。

对于生物样品、含水样品、含油样品，既不需要脱水，也不必进行导电处理，可在自然的状态下直接观察二次电子图像并分析元素成分。

XL30-ESEM环境扫描电镜操作规程

-

一．开机

1．分别打开电源总开关、主控面板上电源开关、UPS电源开关，等待计算机主机启动。

2．按照显示屏提示按CTRL+ALT+DEL键及桌面上的XL30图标，提

示做Home时按Yes图标。

3．用鼠标点击真空Pump图标抽真空，待提示VacOK时，按主控面板上的高压钮，鼠标点击显示屏高压图标，图象显示。

二．样品安装

1．关闭显示屏上的高压图标，关真空VENT图标，待镜筒完全放气后轻轻拉开样品室门，装入样品（带手套），慢慢推回样品室门。

2．用鼠标点击真空图标抽真空，待提示真空OK时，鼠标点击显示屏高压图标，图象显示。

三．扫描图象观察

1．调整好亮度和反差，用鼠标右键横向移动粗调焦。

按放大倍数要求设好样品高度，高倍下选区扫描，用鼠标右键横向移动细调焦。

2．扫描速度1、2用于选择和粗调焦，扫描速度3、Photo用于细调焦及照相。

3．高倍下用Shift+鼠标右键横向移动消象散。

四．图象记录、储存和打印

1．点击扫描速度3或Photo进行慢扫描，扫描完成后点击显示屏上雪花图标锁定图象。

2．打开我的电脑E盘USR目录，按客户姓名建立文件名，点击显示屏In/Out菜单中的Image，输入样品名称，点击Save图标存盘。

再点击In/Out菜单中的Photo，用120相机拍摄底片。

五．合轴操作及环境扫描模式

按仪器说明书操作。

六．关机

1．样品高度调至20毫米，放大倍数调至100倍，样品位置调至中心。

2.依次关闭显示屏上的高压图标、主控面板上的高压钮、真空Vent图

标，点击显示屏左下角的开始图标，选择现在关机。

3．待提示安全关机后，关闭主控面板上的电源、UPS电源和电源总开关。

4.在记录本上记录使用情况。

扫描电镜

扫描电镜一种新型的电子光学仪器。

它具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点。

数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

目录

简介

主要应用

1.观察纳米材料

2.进口材料断口的分析

3.直接观察大试样的原始表面

4.观察厚试样

5.观察试样的各个区域的细节

6.在大视场、低放大倍数下观察样品

7.进行从高倍到低倍的连续观察

8.观察生物试样

9.进行动态观察

10.从试样表面形貌获得多方面资料

基本结构

1.1、真空系统

2.2、电子束系统

3.3、成像系统

工作原理

性能参数

1.放大倍数

2.景深

3.分辨率

4.场深

5.作用体积

样品处理

1.样品的初步处理

2.样品的干燥

3.样品的导电处理

发现历程

现代发展

我国的研制和发展

简介

主要应用

1.观察纳米材料

2.进口材料断口的分析

3.直接观察大试样的原始表面

4.观察厚试样

5.观察试样的各个区域的细节

6.在大视场、低放大倍数下观察样品

7.进行从高倍到低倍的连续观察

8.观察生物试样

9.进行动态观察

10.从试样表面形貌获得多方面资料

基本结构

1.1、真空系统

2.2、电子束系统

3.3、成像系统

工作原理

性能参数

1.放大倍数

2.景深

3.分辨率

4.场深

5.作用体积

样品处理

1.样品的初步处理

2.样品的干燥

3.样品的导电处理

发现历程

现代发展

∙我国的研制和发展

展开

简介

　　扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。

（细胞、组织）表面的立体构像，可摄制成照片。

主要应用

　　扫描电镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器．它可以进行如下基本分析：

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，在保

扫描电镜

持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。

纳米材料具有许多与晶体、非晶态不同的、独特的物理化学性质。

纳米材料有着广阔的发展前景，将成为未来材料研究的重点方向。

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。

进口材料断口的分析

　　扫描电镜的另一个重要特点是景深大，图象富立体感。

扫描电镜的焦深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。

由于图象景深大，故所得扫描电子象富有立体感，具有三维形态，能够提供比其他显微镜多得多的信息，这个特点对使用者很有价值。

扫描电镜所显示饿断口形貌从深层次，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。

直接观察大试样的原始表面

　　它能够直接观察直径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）。

观察厚试样

　　其在观察厚试样时，能得到高的分辨率和最真实的形貌。

扫描电子显微的分辨率介于光学显微镜和透射电子显微镜之间，但在对厚块试样的观察进行比较时，因为在透射电子显微镜中还要采用复膜方法，而复膜的分辨率通常只能达到10nm，且观察的不是试样本身。

因此，用扫描电镜观察厚块试样更有利，更能得到真实的试样表面资料。

观察试样的各个区域的细节

　　试样在样品室中可动的范围非常大，其他方式显微镜的工作距离通常只有2-3cm，故实际上只许可试样在两度空间内运动，但在扫描电镜中则不同。

由于工作距离大（可大于20mm）。

焦深大（比透射电子显微镜大10倍）。

样品室的空间也大。

因此，可以让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。

在大视场、低放大倍数下观察样品

　　用扫描电镜观察试样的视场大。

在扫描电镜中，能同时观察试样的视场范围F由下式来确定：

F=L/M式中F——视场范围；M——观察时的放大倍数；L——显象管的荧光屏尺寸。

若扫描电镜采用30cm（12英寸）的显象管，放大倍数15倍时，其视场范围可达20mm，大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的，如刑事侦察和考古。

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。

扫描电镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行事故分析特别方便。

观察生物试样

　　因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很小。

同其他方式的电子显微镜比较，因为观察时所用的电子探针电流小（一般约为10-10-10-12A）电子探针的束斑尺寸小（通常是5nm到几十纳米），电子探针的能量也比较小（加速电压可以小到2kV）。

而且不是固定一点照射试样，而是以光栅状扫描方式照射试样。

因此，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。

进行动态观察

　　在扫描电镜中，成象的信息主要是电子信息，根据近代的电子工业技术水平，即使高速变化的电子信息，也能毫不困难的及时接收、处理和储存，故可进行一些动态过程的观察，如果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。

从试样表面形貌获得多方面资料

　　在扫描电镜中，不仅可以利用入射电子和试样相互作用产生各种信息来成象，而且可以通过信号处理方法，获得多种图象的特殊显示方法，还可以从试样的表面形貌获得多方面资料。

因为扫描电子象不是同时记录的，它是分解为近百万个逐次依此记录构成的。

因而使得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。

　　由于扫描电镜具有上述特点和功能，所以越来越受到科研人员的重视，用途日益广泛。

现在扫描电镜已广泛用于材料科学（金属材料、非金属材料、纳米材料）、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制等。

编辑本段基本结构

　　扫描电镜主要有真空系统，电子束系统以及成像系统。

1、真空系统

扫描电镜结构图

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。

　　真空泵用来在真空柱内产生真空。

有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的扫描电镜的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的扫描电镜,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。

成象系统和电子束系统均内置在真空柱中。

真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。

之所以要用真空，主要基于以下两点原因：

电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用扫描电镜时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。

　　为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成象的电子更多。

2、电子束系统

　　电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成，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。

　　电子枪：

用于产生电子，主要有两大类，共三种。

一类是利用场致发射效应产生电子，称为场致发射电子枪。

这种电子枪极其昂贵，在十万美元以上，且需要小于10-10torr的极高真空。

但它具有至少1000小时以上的寿命，且不需要电磁透镜系统。

另一类则是利用热发射效应产生电子，有钨枪和六硼化镧枪两种。

钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，但成象不如其他两种明亮，常作为廉价或标准扫描电镜配置。

六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨枪之间，为200～1000小时，价格约为钨枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上；但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。

　　电磁透镜：

热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的扫描电镜上，电磁透镜必不可少。

通常会装配两组：

　　汇聚透镜：

顾名思义，汇聚透镜用汇聚电子束，装配在真空柱中，位于电子枪之下。

通常不止一个，并有一组汇聚光圈与之相配。

但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成象会焦无关。

　　物镜：

物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜，它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。

3、成像系统

　　电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。

所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。

虽然X射线信号不能用于成象，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成象系统中。

有些探测器造价昂贵，比如Robinsons式背散射电子探测器，这时，可以使用次级电子探测器代替，但需要设定一个偏压电场以筛除次级电子

工作原理

　　右图是扫描电镜的原理示意图。

由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚

扫描电镜原理示意图

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。

由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、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。

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信号，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。

性能参数

放大倍数

　　扫描电镜的放大倍数M定义为：

在显像管中电子束在荧光屏上最大扫描距离

成像效果——红细胞扫描电镜图

和在镜筒中电子束针在试样上最大扫描距离的比值　M=l/L式中l指荧光屏长度；L是指电子束在试样上扫过的长度。

这个比值是通过调节扫描线圈上的电流来改变的。

景深

　　扫描电镜的景深比较大，成像富有立体感，所以它特别适用于粗糙样品表面的观察和分析。

分辨率

　　分辨本领是扫描电镜的主要性能指标之一。

在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束斑直径。

场深

　　在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。

这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。

作用体积

　　电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。

　　作用体积的厚度因信号的不同而不同：

　　欧革电子：

0.5～2纳米。

　　次级电子：

5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体，λ=10纳米。

　　背散射电子：

10倍于次级电子。

　　特征X射线：

微米级。

　　X射线连续谱：

略大于特征X射线，也在微米级。

编辑本段样品处理

　　在进行扫描电镜观察前，要对样品作相应的处理。

扫描电镜样品制备的主要要求是：

尽可能使样品的表面结构保存好，没有变形和污染，样品干燥并且有良好导电性能。

样品的初步处理

（一）取材

　　扫描电镜来说，样品可以稍大些，面积可达8mm×8mm，厚度可达5mm。

对于

扫描电镜

易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜等，可固定在滤纸或卡片纸上，以充分暴露待观察的组织表面。

（二）样品的清洗

　　用扫描电镜观察的部位常常是样品的表面，即组织的游离面。

由于样品取自活体组织，其表面常有血液、组织液或粘液附着，这会遮盖样品的表面结构，影响观察。

因此，在样品固定之前，要将这些附着物清洗干净。

　　（三）固定

　　固定所用的试剂和透射电镜样品制备相同，常用戊二醛及锇酸双固定。

由于样品体积较大，固定时间应适当延长。

也可用快速冷冻固定。

　　（四）脱水

　　样品经漂洗后用逐级增高浓度的酒精或丙酮脱水，然后进入中间液