扫描电镜实验课教学讲义

1一. 扫描电镜的构造及原理 扫描电镜是利用细聚焦高能电子束在试样上扫描激发出各种物理信息，通过对这些信息的接收、放大和显示，实现对试样进行微区分析。结构上可分为五部分，即：电子光学系统、扫描系统、信号接收与显示系统、样品移动与更换系统和真空系统。下面可通过日立 S－530 为例了解扫描电镜结构及原理。 1.1 电子光学系统 电子光学系统如图1-1所示。这部分是由电子枪及电磁透镜等组成。 图 1-1 扫描电镜电子光学系统 电子枪是采用三级热阴极电子枪。普通灯丝做成V型，栅极为负偏压，阳极接地。电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布要小，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)，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。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 2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。 表1-1为钨灯丝、六硼化镧灯丝和场发射的性能比较。 电子能量散布亮度 Candela真空度 寿命 钨灯丝 2eV 8 1.3E-4mBar100h 六硼化镧灯丝 1eV 40 2E-7mBar 2000h 场发射 0.2-0.3eV 3000 5E-9mBar 10000h 表1-1 钨灯丝、LaB6灯丝、场发射的性能比较 S-530使用的是钨灯丝，通常每周需要更换灯丝一次。更换灯丝时，需要将温纳尔帽清洗干净，并将灯丝对中。 图 1-2 钨灯丝的构造图 电磁透镜是由三个会聚型透镜组成。三个会聚透镜对电子束的压缩倍数分别为M1、M2、M3。落在样品上的电子束直径，也称束斑直径d，可由下列公式表示： d = d0 / M1 x M2 x M3 式中d0为栅极和阳极之间交叉斑直径（30-50μm）。S－530 分辨率为50A，所以电子束的总的压缩倍数应在10,000 倍以上。最末级的会聚镜也称为物镜，物镜上方装有物镜光阑，孔径分别为0.1，0.2，0.3，0.4mm。物镜光栏孔径越小，图像的分辨率越高，但信号越弱、信噪比越低，背散射电子像衬度越低，...