文档介绍：摘要:
随着科学技术的发展进步,分析材料的方法越来越多,我们不在局限于观察宏观的物质或者结构,而电子显微镜的发明足以让我们观察到更细致的微观世界。在研究材料领域中,电子显微镜起着举足轻重的作用,电子显微镜分为透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)。扫描电镜主要运用材料科学的表面结构研究,共混物的分相,各种复合材料的应力缺陷,物质晶体结构及其应力变化等。因此扫描电镜在材料性能研究与应用中扮演着的非常重要的角色。
关键词:电子显微镜;扫描电镜;材料;学科;应用
前言:
自从1965年第一台商品扫描电镜问世以来,经过40多年的不断改进,,而且大多数扫描电镜都能通X射线波谱仪、X射线能谱仪等组合,成为一种对表面微观世界能过经行全面分析的多功能电子显微仪器。近年来,随着现代科学技术的不断发展,相继开发了环境扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等其它一些新的电子显微技术。这些技术的出现,显示了电子显微技术近年来自身得到了巨大的发展,尤其是大大扩展了电子显微技术的使用范围和应用领域。在材料科学中的应用使材料科学研究得到了快速发展,取得了许多新的研究成果。
扫描电镜已成为各种科学领域和工业部门广泛应用的有力工具。从地学、生物学、医学、冶金、机械加工、材料、半导体制造、陶瓷品的检验等均大量应用扫描电镜作为研究手段。在材料领域中,扫描电镜技术发挥着极其重要的作用,被广泛应用于各种材料的形态结构、界面状况、损伤机制及材料性能预测等方面的研究。利用扫描电镜可以直接研究晶体缺陷及其生产过程,可以观察金属材料内部原子的集结方式和它们的真实边界,也可以观察在不同条件下边界移动的方式,还可以检查晶体在表面机械加工中引起的损伤和辐射损伤等。
一、扫描电镜的介绍
扫描电镜的设计思想早在1935年便已提出,1942年在实验室制成第一台扫描电镜,但因受各种技术条件的限制,进展一直很慢。 1965年,在各项基础技术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一台实用化的商品仪器。此后,荷兰、美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜,日本二战后在美国的支持下生产出扫描电镜,中国则在20世纪70年代生产出自己的扫描电镜。前期近20年,扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展。80年代末期,。在提高分辨率方面各厂家主要采取了如下措施: (1)降低透镜球像差系数,以获得小束斑;(2)增强照明源即提高电子枪亮度(如采用LaB6或场发射电子枪);(3)提高真空度和检测系统的接收效率;(4)尽可能减小外界振动干扰。目前,;采用场发射电子枪扫描电镜的分辨率可达1nm。
扫描电子显微镜由三大部分组成:真空系统,电子束系统以及成像系统。每个部分都有其相应的作用。
1) 真空系统
真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。其中真空柱是一个密封的柱形容器,而真空泵用来在真空柱内产生真空。真空泵有机械泵、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枪的SEM的真空要求,但对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为密封室,用于放置样品。之所以要用真空,主要基于以下两点原因:电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效,所以除了在使用SEM时需要用真空以外,平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。
2)电子束系统
电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分组成,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像。电子枪用于产生电子,主要有两大类,共三种。一类是利用场致发射效应产生电子,称为场致发射电子枪。这种电子枪极其昂贵,在十万美元以上,且需要极高真空。另一类则是利用热发射效应产生电子,有钨枪和六
硼化镧枪两种。
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SEM上,电磁透镜必不可少。通常会装配两组汇聚透镜:顾名思义,汇聚透镜用汇聚电子束,装配在真空柱中,位于电子枪之下。通常不止一个,并有一组汇聚光圈与之相配。但汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束,与成像会焦无关。物镜为真空柱中最下方的一个电磁透镜,它负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。
3)成像系统
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,会产生次级电子、背散射电子、欧革电子以及X射线等一系列信号。所以需要不同的探测器譬如次级电子探测器、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像,但习惯上,仍然将X射线分