SEM儀器結構及原理

2022-09-01 15:45:09 字數 2865 閱讀 3513

sem+edx

sem:(scanning electron microscope)掃瞄電子顯微鏡

工作原理:從電子槍陰極打出直徑為20~30um的電子束,受到陰陽極之間加速電壓的作用射向鏡筒,經過聚光鏡及物鏡的匯聚作用,縮小成約幾奈米的電子探針。在物鏡上部的掃面線圈的作用下,電子探針在樣品表面做光柵狀掃瞄並激發出多種電子訊號。

這些電子訊號被相應的檢測器檢測,經過放大、轉換變成電壓訊號,最後被送到映象管的柵極上並調製映象管的亮度。映象管中的電子束在螢光屏上也做光柵狀掃瞄,並且這種掃瞄運動與樣品表面的電子束的掃瞄動作嚴格同步,這樣就獲得襯度與所接收訊號強度相對應的掃瞄電子像。--------光柵掃瞄,逐點成像。

(當一束極細的高能入射電子轟擊掃瞄樣品表面時,被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特徵x射線和連續譜x射線、背散射電子、透射電子,以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時可產生電子-空穴對、晶格振動_聲子、電子**_等離子體)

放大倍率=螢光屏尺寸/掃瞄範圍

彈性散射與非彈性散射

elastic scattering and inelastic scattering

在碰撞中,如兩粒子間只有動能的交換,粒子的型別及其內部運動狀態並無改變,則這種碰撞稱為彈性散射如果在碰撞過程中,除了動能的交換之外,粒子內部狀態在碰撞過程中也有所改變或轉化成其他粒子則稱為費彈性散射。

sem中的三種主要成像訊號:背散射電子、二次電子和x射線

背散射電子:

入射電子打到樣品後被樣品的原子核**回來的部分,反應樣品表面不同取向、不同平均原子量的區域差別。其能量比較高,基本等於入射電子的能量。

背散射電子分為彈性散射電子與非彈性散射電子。彈性散射電子即為電子直接打在樣品表面的原子核上,散射角大於90°,直接逃離樣品而被收集,此類電子在碰撞過程中基本不會發生能量的損耗,能量值介於數千電子伏至數萬電子伏之間。非彈性散射為電子束中的電子打到樣品表面時,與樣品核外電子發生碰撞,經碰撞後電子不僅方向發生改變,其攜帶的能量也有不同程度的損失。

如果此類電子在經多次散射後仍能逃離樣品表面即可形成非彈性散射電子,其能量比彈性散射的電子攜帶的低,覆蓋範圍廣,介於在數十電子伏與數千電子伏

二次電子:

在入射電子束作用下被轟擊出來並離開樣品表面的樣品原子的核外電子。二次電子的能量較低,一般不超過50ev。一般情況下,二次電子都是樣品表層5~10nm深度範圍內發射出來,對樣品的表面形貌敏感,可以有效的顯示樣品的表面形貌。

x-射線:

樣品原子核內層電子在入射電子束的作用下逃逸出樣品表面後在原始位置形成空穴,含有更高能量級的電子有機會躍遷進入空穴並將多餘的能量以光子的形式釋放,即形成x-射線。

其他訊號模式:俄歇電子、透射電子、陰極發光

俄歇電子:

原子內層電子被激發電離形成空位,較高能級電子躍遷至該空位,多餘能量使原子外層電子激發發射,形成無輻射躍遷,被激發的電子即為俄歇電子。一般源於樣品表面以下幾個nm(<3nm),多用於樣品表面成分分析,原子最少要含有三個以上的電子才可以產生俄歇電子。

俄歇電子具有特徵動能,動能的大小主要取決於原子內層有關芯層結合能的強弱,所以可以用來表徵原子的種類及所處的化學狀態。通常俄歇電子的能量介於幾十電子伏至2300電子伏的範圍內。

透射電子:

電子穿透樣品的部分,這些電子攜帶著被樣品吸收、衍射的資訊,用於透射電鏡的明場像和透射掃瞄電鏡的掃瞄影象,以揭示樣品內部微觀結構的形貌特徵。

陰極發光:

晶體物質在高能電子的照射下,可發出可見光、紫外或紅外光,如半導體和一些礦物質等,在高能電子束的照射下均可發出不同顏色的光,用電子探針的同軸光學顯微鏡可以進行直接觀察,還可用分光光度計進行分光和檢測強度進行元素分析。

陰極發光現象和發光能力、波長等引數均與材料內的「啟用劑」的種類及含量有關。這些啟用劑的可以是由於物質中元素的非化學變化引起的某種元素過剩或者晶格空位等晶格缺陷。

各訊號的深度和區域大小

可以產生訊號的區域稱為有效作用區,有效作用區的最深處為電子有效作用深度。但是有效作用區的訊號不一定都可以逃逸出樣品表面成為有效可控採集訊號(各種訊號能量不同,樣品對訊號的吸收和散射也不同)

sem裝置結構

一整套sem裝置分電源系統、真空系統、電子光學系統、掃瞄系統、訊號收集系統和影象顯示及記錄系統。

電源系統為整套裝置提供工作電壓,真空系統為樣品的分析提供乙個真空環境。

電子光照系統由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件構成,其作用是將來自電子槍的電子束集聚成高亮度、小直徑的入射束來轟擊樣品,其直徑一般在幾~十幾nm,使樣品產生各種物理訊號。

電子槍一般主要有熱電子槍和場致發射槍:

熱電子槍:一般燈絲的材質為鎢絲或者lab6水晶棒,燈絲在受熱後溫度公升高,並釋放出電子形成電子束。電子束在經過一系列的物理加速過程後打向樣品,激發出可探測訊號。

陰極起到減小束徑作用(同性排斥)

陽極提供對電子的吸引力,提公升電子束能量(異性吸引)。

場致發射槍:

在點陰極與平板正極之間加高電壓形成電流迴路(1~50kv),在高電場梯度的作用下,電子束在通過工作廠區的時候不斷加速,形成高速電子流轟擊樣品表面以產生可探測訊號。

亮度高,電子束濃度低。

掃瞄系統:

掃瞄系統是組成sem的特殊部件,由掃瞄發生器和掃瞄線圈組成。其作用:

1)使入射電子束在樣品表面掃瞄,並使crt電子束在螢光屏上做同步掃瞄;

2)改變入射束在樣品表面的掃瞄振幅來改變掃瞄成像的放大倍數。

訊號收集系統:

sem應用的電子訊號主要有二次電子、背散射電子、透射電子和吸收電子、吸收電子可直接用萬用表測出,其他訊號用電子訊號收集器收集。

常見的電子訊號收集器由閃爍體、光導管和光電倍增管組成的部件。其作用是將電子訊號收集起來,然後成比例的轉換成光訊號,經放大後轉換成電學訊號輸出(增益可達10e6)——作為掃瞄像的調製訊號。

收集二次電子時,通常在收集器前端柵網上加+250v偏壓,使離開樣品的二次電子走彎曲軌道到達收集器,用以提高有效收集立體角。

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