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扫描电子显微镜概述

作者:硬度计服务商创诚致佳
浏览量:302
发布时间:2020-11-16
内容摘要: 扫描型电子显微镜 (SEM)扫描聚焦的电子束在表面上以产生图像。束中的电子与样品相互作用,产生各种信号,这些信号可用于获取有关表面形貌和成分的信息。只要有足够的光线,人眼就可以分辨出相距0.2 mm的两个点,而无需任何其他镜片。该距离称为眼睛的分辨力或分辨力。可以使用透镜或透镜组件(显微镜)来放大此距离,并...

 扫描型电子显微镜 (SEM)扫描聚焦的电子束在表面上以产生图像。束中的电子与样品相互作用,产生各种信号,这些信号可用于获取有关表面形貌和成分的信息。只要有足够的光线,人眼就可以分辨出相距0.2 mm的两个点,而无需任何其他镜片。该距离称为眼睛的分辨力或分辨力。可以使用透镜或透镜组件(显微镜)来放大此距离,并使眼睛看到的点甚至比0.2 mm更近。

现代光学显微镜的最大放大倍数约为1000倍。显微镜的分辨能力不仅受到透镜数量和质量的限制,而且还受到照明光波长的限制。白光的波长为400至700纳米(nm)。平均波长为550 nm,这导致光学显微镜在约200 – 250 nm的白光下的分辨率(而不是可见性)的理论极限。下图显示了在检测极限处的两个点,并且仍然可以区分两个单独的点。右图显示两个点非常靠近,以至于中心点重叠。

两点表示检测极限
两点表示检测极限

当波长成为光学显微镜的限制因素时,便开发了电子显微镜。电子具有短得多的波长,可以实现更好的分辨率。

比较光学显微镜和扫描电子显微镜

随着材料和设备尺寸的缩小,许多结构不再可以用光学显微镜表征。例如,如此处所示,要确定用于过滤的纳米纤维层的完整性,需要使用电子显微镜来表征样品。

纳米纤维的光学显微镜图像
纳米纤维的光学显微镜图像
纳米纤维的扫描电子显微镜图像
相同纳米纤维的4000倍放大倍数的扫描电子显微镜图像

扫描电子显微镜的工作原理

SEM的主要 成分 包括:

  • 电子源

  • 电子通过电磁透镜向下传播的色谱柱

  • 电子探测器

  • 样品室

  • 电脑和显示器以查看图像

电子在柱的顶部产生,向下加速并穿过透镜和孔的组合,以产生聚焦的电子束,该电子束撞击样品的表面。将样品安装在腔室区域的平台上,除非将显微镜设计为在低真空下运行,否则将通过组合泵将色谱柱和腔室抽成真空。真空度取决于显微镜的设计。

扫描电子显微镜示意图
扫描电子显微镜示意图

样品上电子束的位置由位于物镜上方的扫描线圈控制。这些线圈允许光束在样品表面上扫描。正如显微镜的名称所暗示的那样,这种光束光栅化或扫描可以收集有关样品上定义区域的信息。电子样品相互作用的结果是产生了许多信号。然后,由适当的检测器检测这些信号。

样品-电子相互作用

扫描电子显微镜(SEM)通过用高能电子束扫描样品来产生图像。当电子与样品相互作用时,它们会产生二次电子,反向散射电子和特征X射线。这些信号由一个或多个检测器收集以形成图像,然后将其显示在计算机屏幕上。当电子束撞击样品表面时,取决于加速电压和样品的密度,电子束会穿透样品至几微米的深度。由于样品内部的这种相互作用,产生了许多信号,例如二次电子和X射线。

电子束相互作用示意图
电子束相互作用示意图。

SEM中获得的最大分辨率取决于多个因素,例如电子点大小和电子束与样品的相互作用体积。虽然它不能提供原子分辨率,但某些SEM可以达到1 nm以下的分辨率。通常,现代的全尺寸SEM可提供1-20 nm的分辨率,而台式机系统可提供20 nm或更高的分辨率。



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