2017-11-25化工仪器网 化工仪器网
扫描电子显微镜,是自上世纪60年代作为商用电镜面世以来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器,被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。
扫描电子显微镜的外观图
特点
制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大、保真度高、有真实的三维效应等,对于导电材料,可直接放入样品室进行分析,对于导电性差或绝缘的样品则需要喷镀导电层。
基本结构
从结构上看,如图所示,扫描电镜主要由七大系统组成,即电子光学系统、信号探测处理和显示系统、图像记录系统、样品室、真空系统、冷却循环水系统、电源供给系统。
扫描电子显微镜结构图
(图片来源:西南石油大学能源材料实验教学中心)
其中最重要的三个系统是电子光学系统、信号探测处理和显示系统以及真空系统。
1、电子光学系统
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈、样品室等,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,主要分类如下:
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:汇聚透镜和物镜,汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束,与成象会焦无关;物镜负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。
扫描线圈的作用是使电子束偏转,并在样品表面作有规则的扫动,电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步,因为它们是由同一扫描发生器控制的。
样品室内除放置样品外,还安置信号探测器。
2、信号探测处理和显示系统
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,会产生二次电子、背散射电子、俄歇电子以及x射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如二次电子探测器、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,可以使用二次电子探测器代替,但需要设定一个偏压电场以筛除二次电子。
3、真空系统
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灯丝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及六硼化铈枪的扫描电镜,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样品室,用于放置样品。
需要真空的原因包括: 一是电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效,所以需要抽真空。二是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。
基本原理
扫描电子显微镜是利用材料表面微区的特征(如形貌、原子序数、化学成分、或晶体结构等)的差异,在电子束作用下通过试样不同区域产生不同的亮度差异,从而获得具有一定衬度的图像。成像信号是二次电子、背散射电子或吸收电子,其中二次电子是最主要的成像信号[2]。下图为其成像原理图,高能电子束轰击样品表面,激发出样品表面的各种物理信号,再利用不同的信号探测器接受物理信号转换成图像信息。
扫描电子显微镜成像原理图
(图片来源:西南石油大学能源材料实验教学中心)
扫描电镜除能检测二次电子图像以外,还能检测背散射电子、透射电子、特征x射线、阴极发光等信号图像。其成像原理与二次电子像相同。在进行扫描电镜观察前,要对样品作相应的处理。
对样品的要求
1、不会被电子束分解
2、在电子束扫描下热稳定性要好
3、能提供导电和导热通道
4、大小与厚度要适于样品台的安装
5、观察面应该清洁,无污染物
6、进行微区成分分析的表面应平整
7、磁性试样要预先去磁,以免观察时电子束受到磁场的影响
46个知识点扫盲
1. 光学显微镜以可见光为介质,电子显微镜以电子束为介质,由于电子束波长远较可见光小,故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍,扫描式显微镜可放大到10000倍以上。
2. 根据de broglie波动理论,电子的波长仅与加速电压有关:
λe=h / mv= h / (2qmv)1/2=12.2 / (v)1/2 ()
在 10 kv 的加速电压之下,电子的波长仅为0.12,远低于可见光的4000 - 7000,所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越许多,但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100之间,电子与原子核的弹性散射 (elastic scattering) 与非弹性散射 (inelastic scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大,因此一般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。
3. 扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深(depth of field),约为光学显微镜的300倍,使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。
4. 扫描式电子显微镜,其系统设计由上而下,由电子枪 (electron gun) 发射电子束,经过一组磁透镜聚焦 (condenser lens) 聚焦后,用遮蔽孔径 (condenser aperture) 选择电子束的尺寸(beam size)后,通过一组控制电子束的扫描线圈,再透过物镜 (objective lens) 聚焦,打在样品上,在样品的上侧装有讯号接收器,用以择取二次电子 (secondary electron) 或背向散射电子 (backscattered electron) 成像。
5. 电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (energy spread) 要小,目前常用的种类计有三种,钨(w)灯丝、六硼化镧(lab6)灯丝、场发射 (field emission),不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。
6. 热游离方式电子枪有钨(w)灯丝及六硼化镧(lab6)灯丝两种,它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(work function)能障而逃离。对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数,但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作,以减少材料的挥发,所以在操作温度不提高的状况下,就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。
7. 价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝,以热游离 (thermionization) 式来发射电子,电子能量散布为 2 ev,钨的功函数约为4.5ev,钨灯丝系一直径约100m,弯曲成v形的细线,操作温度约2700k,电流密度为1.75a/cm2,在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小,使用寿命约为40~80小时。
8. 六硼化镧(lab6)灯丝的功函数为2.4ev,较钨丝为低,因此同样的电流密度,使用lab6只要在1500k即可达到,而且亮度更高,因此使用寿命便比钨丝高出许多,电子能量散布为 1 ev,比钨丝要好。但因lab6在加热时活性很强,所以必须在较好的真空环境下操作,因此仪器的购置费用较高。
9. 场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 - 100 倍,同时电子能量散布仅为 0.2 - 0.3 ev,所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪,其分辨率可高达 1nm 以下。
10. 场发射电子枪可细分成三种:冷场发射式(cold field emission , fe),热场发射式(thermal field emission ,tf),及萧基发射式(schottky emission ,se)
11. 当在真空中的金属表面受到108v/cm大小的电子加速电场时,会有可观数量的电子发射出来,此过程叫做场发射,其原理是高电场使电子的电位障碍产生 schottky效应,亦即使能障宽度变窄,高度变低,因此电子可直接穿隧通过此狭窄能障并离开阴极。场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来,因此可得极细而又具高电流密度的电子束,其亮度可达热游离电子枪的数百倍,或甚至千倍。
12. 场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料,以能承受高电场所加诸在阴极尖端的高机械应力,钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。场发射枪通常以上下一组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。利用阳极的特殊外形所产生的静电场,能对电子产生聚焦效果,所以不再需要韦氏罩或栅极。第一(上)阳极主要是改变场发射的拔出电压(extraction voltage),以控制针尖场发射的电流强度,而第二(下)阳极主要是决定加速电压,以将电子加速至所需要的能量。
13. 要从极细的钨针尖场发射电子,金属表面必需完全干净,无任何外来材料的原子或分子在其表面,即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射,所以场发射电子枪必需保持超高真空度,来防止钨阴极表面累积原子。由于超高真空设备价格极为高昂,所以一般除非需要高分辨率sem,否则较少采用场发射电子枪。
14. 冷场发射式最大的优点为电子束直径最小,亮度最高,因此影像分辨率最优。能量散布最小,故能改善在低电压操作的效果。为避免针尖被外来气体吸附,而降低场发射电流,并使发射电流不稳定,冷场发射式电子枪必需在10-10 torr的真空度下操作,虽然如此,还是需要定时短暂加热针尖至2500k(此过程叫做flashing),以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。
15. 热场发式电子枪是在1800k温度下操作,避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面,所以免除了针尖flashing的需要。热式能维持较佳的发射电流稳定度,并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似,但其电子能量散布却比冷式大3~5倍,影像分辨率较差,通常较不常使用。
16. 萧基发射式的操作温度为1800k,它系在钨(100)单晶上镀zro覆盖层,zro将功函数从纯钨的4.5ev降至2.8ev,而外加高电场更使电位障壁变窄变低,使得电子很容易以热能的方式跳过能障(并非穿隧效应),逃出针尖表面,所需真空度约10-8~10-9torr。其发射电流稳定度佳,而且发射的总电流也大。而其电子能量散布很小,仅稍逊于冷场发射式电子枪。其电子源直径比冷式大,所以影像分辨率也比冷场发射式稍差一点。
17. 场发射放大倍率由25倍到650000倍,在使用加速电压15kv时,分辨率可达到1nm,加速电压1kv时,分辨率可达到2.2nm。一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放大倍率可到200000倍,实际操作时,大部份均在20000倍时影像便不清楚了,但如果样品的表面形貌及导电度合适,最大倍率 650000倍是可以达成的。
18. 由于对真空的要求较高,有些仪器在电子枪及磁透镜部份配备了3组离子泵(ion pump),在样品室中,配置了2组扩散泵(diffusion pump),在机体外,以1组机械泵负责粗抽,所以有6组大小不同的真空泵来达成超高真空的要求,另外在样品另有以液态氮冷却的冷阱(cold trap),协助保持样品室的真空度。
19. 平时操作,若要将样品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr),则抽真空的时间将变长而降低仪器的便利性,更增加仪器购置成本,因此一些仪器设计了阶段式真空(step vacuum),亦即使电子枪、磁透镜及样品室的真空度依序降低,并分成三个部份来读取真空计读数,如此可将样品保持在真空度10-5pa的环境下即可操作。平时待机或更换样品时,为防止电子枪污染,皆使用真空阀(gun valve)将电子枪及磁透镜部份与样品室隔离,实际观察时再打开使电子束通过而打击到样品。
20. 场发射式电子枪的电子产生率与真空度有密切的关系,其使用寿命也随真空度变差而急剧缩短,因此在样品制备上必须非常注意水气,或固定用的碳胶或银胶是否烤干,以免在观察的过程中,真空陡然变差而影响灯丝寿命,甚至系统当机。
21. 在电子显微镜中须考虑到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波长散布像差(即色散像差,chromatic aberration)。
22. 面像差为物镜中主要缺陷,不易校正,因偏离透镜光轴之电子束偏折较大,其成像点较沿轴电子束成像之高斯成像平面(gauss image plane)距透镜为近。
23. 散光像差由透镜磁场不对称而来,使电子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同点上。散光像差一般用散光像差补偿器(stigmator)产生与散光像差大小相同、方向相反的像差校正,目前电子显微镜其聚光镜及物镜各有一组散光像差补偿器。
24. 光圈衍射像差(aperture diffraction):由于电子束通过小光圈电子束产生衍射现象,使用大光圈可以改善。
25. 色散像差(chromatic aberration):因通过透镜电子束能量差异,使得电子束聚焦后并不在同一点上。
26. 电子束和样品作用体积(interaction volume),作用体积约有数个微米(μm)深,其深度大过宽度而形状类似梨子。此形状乃源于弹性和非弹性碰撞的结果。低原子量的材料,非弹性碰撞较可能,电子较易穿进材料内部,较少向边侧碰撞,而形成梨子的颈部,当穿透的电子丧失能量变成较低能量时,弹性碰撞较可能,结果电子行进方向偏向侧边而形成较大的梨形区域。