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    一文了解掃描電鏡的基本工作原理

    發布日期: 2023-08-11
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      掃描電鏡(SEM)已經成為材料表征時所廣泛使用的強有力工具。而且因為不同應用中使用的材料尺寸都在不斷減小,這在近幾年尤其如此。本篇文章中,我們將描述掃描電鏡SEM的主要工作原理。
      顧名思義,電子顯微鏡使用電子成像,就像光學顯微鏡利用可見光成像。一臺成像設備的最佳分辨率主要取決于介質的波長。由于電子的波長比光波長小得多,電子顯微鏡的分辨率要優于光學顯微鏡。實際上通常超過1000倍。
      電子顯微鏡有兩種主要的類型:
      1、透射電子顯微鏡(TEM),它探測穿過薄樣品的電子來成像;
      2、掃描電子顯微鏡(SEM),它利用被反射或撞擊樣品的近表面區域的電子來產生圖像。
      掃描電鏡SEM如何工作?
      我們著重講述掃描電鏡SEM。SEM的示意圖如圖1所示。在這種的電子顯微鏡中,電子束以光柵模式逐行掃描樣品。首先,電子由腔室頂端的電子源(俗稱燈絲)產生。電子束發射是因為熱能克服了材料的功函數。他們隨后被加速并被帶正電的陽極所吸引。您可以在這篇指導中找到更多關于燈絲分類以及其特征的詳細描述。
      整個電子腔需要處于真空環境中。像所有的電子顯微鏡部件一樣,為了保持真空并且防止污染、震動和噪聲,燈絲被密封在一個特殊的腔室中。真空不僅可以保持燈絲不受污染,也可以讓使用者獲得高分辨率。如果缺乏真空,其它原子和分子就會存在于腔室中。他們和電子相互作用就會導致電子束偏轉,成像質量降低。此外,高真空增加了腔室中探頭的電子接收效率。
      電子路徑是如何控制的?
      與光學顯微鏡類似,掃描電鏡SEM使用透鏡來控制電子的路徑。因為電子不能透過玻璃,這里所用的是電磁透鏡。他們簡單的由線圈和金屬極片構成。當電流通過線圈,就會產生磁場。電子對磁場十分敏感,電子在顯微鏡腔室的路徑就可以由這些電磁透鏡控制——調節電流大小可以控制磁場強度。通常,電磁透鏡有兩種:
      會聚鏡,電子通往樣品時首先遇到的透鏡。會聚鏡會在電子束錐角張開之前將電子束會聚,電子在轟擊樣品之前會再由物鏡會聚一次。會聚鏡決定了電子束的尺寸(決定著分辨率),物鏡則主要負責將電子束聚焦到樣品上。掃描電鏡的光路系統同樣還包含了用于將電子束在樣品表面光柵化的掃描線圈。在許多時候,孔徑光闌會結合透鏡一起控制電子束大小。這些SEM的主要部件如圖1所示。
      掃描電鏡SEM都產生了哪些電子?
      電子與樣品的相互作用會產生不同種類的電子、光子或輻射。對于掃描電鏡SEM來說,用于成像的兩類電子分別是背散射電子(BSE)和二次電子(SE)。背散射電子來自于入射電子束,這些電子與樣品發生彈性碰撞,其中一部分反彈回來,這就是背散射電子。另一方面,二次電子則來自于樣品原子:它們是入射電子與樣品發生非彈性碰撞所產生的。
      BSE來自于樣品的較深層區域,而SE則產生于樣品的表面區域。因此,BSE和SE代表不同的信息。BSE圖像對原子序數差異非常敏感:材料的原子序數越大,對應在圖像中就越亮。
      SE圖像可以提供更豐富的表面信息——如圖3所示。在許多顯微鏡中,X射線檢測也被廣泛用于進行樣品的元素分析,這種射線產生于電子與樣品的相互作用。每種元素產生的X射線都有特定的能量,X射線就相當于元素的指紋。因此,通過檢測未知組分的某樣品出射的X射線的能量,就可以確定該樣品所包含的各種不同元素。
      如何探測電子?
      上文所提到的兩種電子分別由不同種類的探測器探測。探測BSE時,固態探測器位于樣品正上方,并環繞電子束分布,這樣可以收集到最大量的BSE。另一方面,探測SE時,主要是用E-T探測器。它有一個內置于法拉第圓筒的閃爍體,圓筒帶正電可以吸引SE。閃爍體用以加速電子,并把它們轉換為光子。之后,這些光子會進入光電倍增管,并得到進一步放大。SE探測器以一定傾角放置于電子腔室的側面,這樣可以提高SE的探測效率。這些SE可以用來生成樣品的3D圖像,并展示在電腦的顯示器上。
      掃描電鏡SEM:精細控制
      如你所見,在顯示器顯示出樣品圖像之前(如圖4),電子要經歷各種不同的過程。當然,你沒必要等待電子結束它的旅程,整個過程幾乎時瞬間發生的,時間長度為納秒(10-9秒)量級。然而,鏡筒內電子的每一步都需要預先計算并精確控制,以確保獲得高質量的圖像。電子顯微鏡的性能在不斷提高,而新的應用需求也在不斷出現。因此,這種神奇設備的各種未知能力也有待進一步發掘。
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