SEM的原理是什么？

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问题描述:

SEM的原理是什么？

解析:

(SEM)扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到

1956年开始生产商品扫描电镜。近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

一．扫描电镜的特点

和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特点：

(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。

(二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。

(三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。

(四) 景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。

(五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。

(六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。

(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。

二．扫描电镜的结构和工作原理

(一) 结构

1．镜筒

镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。

2．电子信号的收集与处理系统

在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至

几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。通常所说的扫描电镜像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。检测二次电子的检测器(图15(2)的探头是一个闪烁体，当电子打到闪烁体上时，1就在其中产生光，这种光被光导管传送到光电倍增管，光信号即被转变成电流信号，再经前置放大及视频放大，电流信号转变成电压信号，最后被送到显像管的栅极。

3．电子信号的显示与记录系统

扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照记录。显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是长余辉的管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是短余辉的管子。

4．真空系统及电源系统

扫描电镜的真空系统由机械泵与油扩散泵组成，其作用是使镜筒内达到 10(4～10(5托的真空度。电源系统供给各部件所需的特定的电源。

(二) 工作原理

从电子枪阴极发出的直径20(m～30(m的电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用，缩小成直径约几毫微米的电子探针。在物镜上部的扫描线圈的作用下，电子探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。这些电子信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度。显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像，这种图象反映了样品表面的形貌特征。第二节 扫描电镜生物样品制备技术大多数生物样品都含有水分，而且比较柔软，因此，在进行扫描电镜观察前，要对样品作相应的处理。扫描电镜样品制备的主要要求是：尽可能使样品的表面结构保存好，没

有变形和污染，样品干燥并且有良好导电性能。

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SU9000是冷场发射电子枪，即电子枪阴极温度在300K的常温下发射电子， 冷场发射阴极尖的气体吸附会影响功函数，并引起发射电流波动。提高电子枪室的真空度，10的负8Pa，可以降低气体的吸附速率，但无法避免，对发射尖端进行瞬间加热到2000℃以上（flash），将会有效的脱气。当真空度为10的负7Pa条件下，针尖因为离子轰击很快损坏。

8-12小时必需进行Flash脱气恢复，然后需要等待30分钟，发射束流才会相对稳定。

而热场发射电子枪阴极发射温度一般在1500℃以上，气体分子不会吸附在阴极尖端，所以不需要Flash.

1、适用范围不同。

冷场发射扫描电镜是一种用于材料科学、化学领域的分析仪器，而热场发射扫描电镜是一种用于物理学、材料科学、能源科学技术领域的分析仪器。热场发射扫描电镜使用范围更广。

2、技术指标不同。

冷场发射扫描电镜：

辨率：1.0nm (15kV)，2.0nm (1kV)，1.4nm(1KV)入射电子减速功能。放大倍率：×20 ~ ×800,000。加速电压：0.5 ~ 30kV。X射线能谱仪分辨率/有效面积：不低于133eV，10mm2。

热场发射扫描电镜：

放大倍数：35—90万倍。分辨率：工作电压15kV时分辨率为1.0nm。加速电压：0.2Kv—30Kv。能谱：探测元素范围B5-U92。能量分辨率：136eV。

3、主要功能不同。

冷场发射扫描电镜是超显微、形貌与成分分析相结合。而热场发射扫描电镜是物理学，材料科学，能源科学技术。

场发射扫描电镜的环境条件：

扫描电子显微镜的使用环境条件主要涉及温度、湿度、震动、磁场强度、接地等几个因素。

一般情况下，环境温度需控制在22～25℃，相对湿度以小于70%为宜，保证实验室清洁整齐，避免大声喧哗及震动、磁场的干扰。

温湿度控制需配备空调和除湿机，特别是在南方地区一定要保证对湿度的控制，避免温湿度对电镜电子部件的影响。

由于场发射扫描电子显微镜的分辨率较高，对震动和磁场强度的要求也较高，所以需尽量避免震动和杂散磁场的干扰。

一般在安装时，建议将电镜放置在楼体一层，远离输电线路、大功率设备等，并做防震地基和独立地线设置。

电镜地线要求必须是独立地线，即接地体到接线端子均完全独立，避免地线连接到公共接地体。在使用过程中，若周围有杂散磁场，在大倍数观察时图像会出现纵或横条纹干扰。总之，日常使用过程中要严格控制电镜的环境条件。

以ULTRAPLUS扫描电子显微镜为例，环境条件要求如下：温度保持在21～25℃，相对湿度小于65%，磁场强度小于3×10－7T，噪声强度小于65dB，独立地线的接地电阻小于0.1Ω。

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