扫描电子显微镜的工作原理详解

扫描电子显微镜的工作原理是通过一系列的电磁透镜聚焦由顶部电子枪发射的高能电子(5～35 keV)使其形成具有一定束斑直径的电子束,在末级透镜上边扫描线圈的驱动下,电子束以栅网式在样品表面按一定顺序扫描,样品表面的不同的微区特征(如形貌、化学成分、原子序数、晶体结构或位向),在汇聚电子束的作用下产生不同强度的物理信号,物理信号分别被相应的收集器接收,经放大器按顺序、呈比例地放大后,使阴极射线管的荧光屏上不同的区域呈现不同的明暗度,进而获得具有不同衬度的图像。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源,电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此,样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束位置是一一对应的。

扫描电子显微镜的像衬度是由于样品表面微区特征的不同而造成的,最常用的像衬度主要包括由表面形貌差异引起的衬度(表面形貌衬度)和由原子成分差异造成的衬度(原子序数衬度)。

1.表面形貌衬度

表面形貌衬度是由于样品表面形貌差别而形成的衬度。利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号,可以得到形貌衬度图像。由于二次电子、背散射电子等信号的强度是样品表面与入射电子束相对夹角的函数,而样品表面微区形貌的差别实际上就是各微区表面相对于入射电子束倾角不同,因此电子束在样品表面扫描时的任何两点的形貌差别,就表现为信号强度的差别,进而在图像中形成显示形貌的衬度。由于二次电子信号主要来自样品表面5～50 nm的深度范围,其强度与原子序数无关,且具有像分辨率较高等优点,所以二次电子像衬度是最典型的形貌衬度。实验表明,样品表面法线与电子束夹角越大,二次电子信号越强,反映到显像管荧光屏上就越亮。

例如,如图2.3.4所示的形貌衬度原理示意中,比较A、B、C三个区域:C区域表面法线与入射电子的夹角最大,二次电子的产额最多,信号强度最大,在图像上表现为最亮区;而B区表面法线与入射电子夹角最小,二次电子信号强度最小,在图像上表现为最暗区;A区法线与入射电子夹角大小位于B区域和C区域之间,信号强度和图像的明暗程度也位于两者之间。实际样品表面形貌要复杂得多,但可将实际样品表面看作由许多位向不同的小平面组成。一般来说,样品表面突出的尖棱、小粒子、比较陡的斜面处的图像亮度大,平面亮度较低,深的凹槽底部虽然能产生较多的二次电子,但不易被检测器收集到,槽底的衬度较暗。除了二次电子,背散射电子信号也可以用来显示样品表面形貌,但它对表面形貌的变化不那么敏感,分辨率不如二次电子像高,且信号强度低,容易形成阴影。(https://www.xing528.com)

2.原子序数衬度

原子序数衬度是由于样品表面物质原子序数(或化学成分)的差别而形成的衬度。利用对样品表面原子序数变化敏感的物理信号作为显像管的调制信号,可以得到原子序数衬度图像。背散射电子像、吸收电子像的衬度都含有原子序数衬度,而特征X射线像的衬度就是原子序数衬度。背散射电子信号强度随原子序数Z的增大而增大,样品表面上平均原子序数较高的区域,在背散射电子像上显示较亮的衬度;吸收电子像衬度与背散射电子像互补,样品表面平均原子序数大的区域,吸收电子信号强度反而较低。

图2.3.4　形貌衬度原理图