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1、会计学1显微镜成像方法显微镜成像方法(fngf)与技术与技术第一页，共55页。电镜的分类电镜的分类电镜的分类电镜的分类(fn li)(fn li)电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发电子显微镜按结构和用途可分为透射式电子显微镜、扫描式电子显微镜、反射式电子显微镜和发射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结射式电子显微镜等。透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌，也能与X X射线衍射
2、射线衍射(y(y nsh)nsh)仪或电子能仪或电子能谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的谱仪相结合，构成电子微探针，用于物质成分分析；发射式电子显微镜用于自发射电子表面的研究。研究。第2页/共55页第二页，共55页。电镜的分辨本领电镜的分辨本领电镜的分辨本领电镜的分辨本领 在光学中，分辨率（分辨极限）即指光学仪器可以分辨的两个物点之间的最小距离。由于瑞利斑（爱里在光学中，分辨率（分辨极限）即指光学仪器可以分辨的两个物点之间的最小距离。由于瑞利斑（爱里斑）的关系，显微镜物镜的分辨极限为：斑）的关系，显微镜物镜的分辨极限为：0.61/n sin0.6
3、1/n sin 式中式中 为入射光波长，为入射光波长，n n是物方介质的折射率，是物方介质的折射率，22为物镜对物体的张角（孔径角），为物镜对物体的张角（孔径角），n sinn sin为物镜的数值为物镜的数值孔径，以孔径，以N.A.N.A.表示。表示。通过增大数值孔径或缩短光源波长都可以提高物镜的分辨率。通过增大数值孔径或缩短光源波长都可以提高物镜的分辨率。从增大数值孔径从增大数值孔径N.A.N.A.来提高分辨率是很有限和困难来提高分辨率是很有限和困难(kn n(kn n n)n)的，最有效的方法是缩短光源的波长，电镜的，最有效的方法是缩短光源的波长，电镜所采用的电子波长所采用的电子波长 为：
4、为：12.25/V12.25/V 可见，只要提高加速电压可见，只要提高加速电压V V就可以得到短波长的电子波，分辨率也就相应得到提高。就可以得到短波长的电子波，分辨率也就相应得到提高。物体物镜第3页/共55页第三页，共55页。一、透射电镜一、透射电镜一、透射电镜一、透射电镜 透射式电子显微镜（透射式电子显微镜（TEMTEM，Transmission Electron MicroscopyTransmission Electron Microscopy，亦称投射式电子显微镜）因电子束穿，亦称投射式电子显微镜）因电子束穿透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿，可以直接获得一
5、个样本透样品后，再用电子透镜成像放大而得名。它的光路与光学显微镜相仿，可以直接获得一个样本的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍的投影。通过改变物镜的透镜系统人们可以直接放大物镜的焦点的像。由此人们可以获得电子衍射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品射像。使用这个像可以分析样本的晶体结构。在这种电子显微镜中，图像细节的对比度是由样品的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子对电子束的散射形成的。由于电子需要穿过样本，因此样本必须非常薄。组成样本的原子的原子
6、量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到的原子量、加速电子的电压和所希望获得的分辨率决定样本的厚度。样本的厚度可以从数纳米到数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分，电子束散数微米不等。原子量越高、电压越低，样本就必须越薄。样品较薄或密度较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，在图像中显得射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，在图像中显得(xi(xi n de)n de)较亮。反之，样品较亮。反之，样品中较厚或较密的部分，在图像中则显得中较厚或较密的部分，在图像中则显得(xi(xi
7、 n de)n de)较暗。如果样品太厚或过密，则像的对比度就会恶较暗。如果样品太厚或过密，则像的对比度就会恶化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。化，甚至会因吸收电子束的能量而被损伤或破坏。第4页/共55页第四页，共55页。JEM-2010F透射电镜 第一部实际工作的TEM，现在在德国慕尼黑的遗址(yzh)博物馆展出。第5页/共55页第五页，共55页。工作工作工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理原理原理 透射电镜的总体工作透射电镜的总体工作(gngzu)(gngzu)原理是：由电子枪发原理是：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿射出来的电子束，在真空通道中沿着镜
8、体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和第子束进入下级的中间透镜和第1 1、第、第2 2投影镜进行投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在综合放大成像，最终被放大了的电子影
9、像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。为可见光影像以供使用者观察。基本基本(jbn)的的TEM光学元光学元件布局图件布局图 第6页/共55页第六页，共55页。TEMTEMTEMTEM的结构的结构的结构的结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)TEM TEM TEM TEM由几大部分组成：照明系统；成像系统；记录系统；真空系统；电气系统。由几大部分组成：照明系统；成像系统；记录系统；真空系统；电气系统。由几大部分组成：照明系统；成像系统；记录系统；真空系统；电气系统。由几大部分组成：照明系统；成像系统；
10、记录系统；真空系统；电气系统。1.1.1.1.照明系统照明系统照明系统照明系统 主要由电子枪和聚光镜组成。主要由电子枪和聚光镜组成。主要由电子枪和聚光镜组成。主要由电子枪和聚光镜组成。电子枪电子枪电子枪电子枪 是发射电子的照明源。是发射电子的照明源。是发射电子的照明源。是发射电子的照明源。聚光镜聚光镜聚光镜聚光镜 是把电子枪发射出来的电子束进一步会聚后照射到样品上。是把电子枪发射出来的电子束进一步会聚后照射到样品上。是把电子枪发射出来的电子束进一步会聚后照射到样品上。是把电子枪发射出来的电子束进一步会聚后照射到样品上。照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径照明系统的作用就是提供一束亮度高、
11、照明孔径照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径(kngjng)(kngjng)(kngjng)(kngjng)角小、平行度好、束流稳定的照明源。角小、平行度好、束流稳定的照明源。角小、平行度好、束流稳定的照明源。角小、平行度好、束流稳定的照明源。电子枪的构成电子枪的构成(guchng)第7页/共55页第七页，共55页。2.2.成像系统成像系统成像系统成像系统 即电子光学系统，又称镜筒，是透射电镜的主体。成像系统主要由物镜、中间即电子光学系统，又称镜筒，是透射电镜的主体。成像系统主要由物镜、中间即电子光学系统，又称镜筒，是透射电镜的主体。成像系统主要
12、由物镜、中间即电子光学系统，又称镜筒，是透射电镜的主体。成像系统主要由物镜、中间(zhngjin)(zhngjin)镜和投影镜组成。镜和投影镜组成。镜和投影镜组成。镜和投影镜组成。物镜物镜物镜物镜 是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜 分辨本领分辨本领分辨本领分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得
13、物镜的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的透镜，
14、它的放大倍数较高，一般为的透镜，它的放大倍数较高，一般为的透镜，它的放大倍数较高，一般为的透镜，它的放大倍数较高，一般为100-300100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm0.1nm左右。左右。左右。左右。中间中间中间中间(zhngjin)(zhngjin)镜镜镜镜 是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-200-20倍范围调节。当倍范围调节。当倍范围调节。当倍范围调节。当M
15、1M1时，用来进一步时，用来进一步时，用来进一步时，用来进一步放大物镜的像；当放大物镜的像；当放大物镜的像；当放大物镜的像；当M1M1时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间(zhngjin)(zhngjin)镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。TEM分裂极靴设计分裂极靴设计(shj)透镜示透镜示意图意图 第8页/共55页
16、第八页，共55页。投影镜投影镜投影镜投影镜 的作用的作用的作用的作用(zuyng)(zuyng)是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的
17、。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约激磁电流是固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约激磁电流是固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约激磁电流是固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约10-3rad10-3rad），因），因），因），因此它的景深和像距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍此它的景深和像距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍此它的景深和像距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍此它的景深和像距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜
18、的像平面还会出现一数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。的图像仍旧是清晰的。的图像仍旧是清晰的。的图像仍旧是清晰的。电子图像的放
19、大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。第9页/共55页第九页，共55页。3.3.观察和记录装置包括荧光屏和照观察和记录装置包括荧光屏和照观察和记录装置包括荧光屏和照观察和记录装置包括荧光屏和照相机构。在荧光屏下面放置一下可相机构。在荧光屏下面放置一下可相机构。在荧光屏下面放置一下可相机构。在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照相暗盒，照相时只以自动换片的照相暗盒，照相时只以自动换片的照相暗盒，照相时只以自动换片的照相
20、暗盒，照相时只要把荧光屏竖起，电子束即可使照要把荧光屏竖起，电子束即可使照要把荧光屏竖起，电子束即可使照要把荧光屏竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜相底片曝光。由于透射电子显微镜相底片曝光。由于透射电子显微镜相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之的焦长很大，虽然荧光屏和底片之的焦长很大，虽然荧光屏和底片之的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数十厘米的间距间有数十厘米的间距间有数十厘米的间距间有数十厘米的间距(jin j)(jin j)，仍，仍，仍，仍能得到清晰的图像。能得到清晰的图像。能得到清晰的图像。能得到清晰的图像。TEM的电子源在顶端(dngdun)，
21、透镜系统（4、7、8）将电子束聚焦于样品上，随后将其投影在显示屏（10）上。控制电子束的设备位于右方（13和14）。第10页/共55页第十页，共55页。4.4.真空系统真空系统(xt(xt ng)ng)真空系统真空系统(xt(xt ng)ng)的作用有两方面，一方面可以在阴极和地之间加以很高的作用有两方面，一方面可以在阴极和地之间加以很高的电压，而不会将空气击穿产生电弧，另一方面可以将电子和空气原子的撞击频率减小的电压，而不会将空气击穿产生电弧，另一方面可以将电子和空气原子的撞击频率减小到可以忽略的量级，这个效应通常使用平均自由程来描述。标准的到可以忽略的量级，这个效应通常使用平均自由程来描述
22、。标准的TEMTEM需要将电子的通需要将电子的通路抽成气压很低的真空，通常需要达到路抽成气压很低的真空，通常需要达到104 104 帕。由于帕。由于TEMTEM的元件如样品夹具和胶卷盒需的元件如样品夹具和胶卷盒需要经常插入电子束通路，或者需要更换，因此系统要经常插入电子束通路，或者需要更换，因此系统(xt(xt ng)ng)需要能够重新抽成真空。因此，需要能够重新抽成真空。因此，TEMTEM不能采用永久密封的方法来保持真空，而是需要装备多个抽气系统不能采用永久密封的方法来保持真空，而是需要装备多个抽气系统(xt(xt ng)ng)以及气闸。以及气闸。第11页/共55页第十一页，共55页。样品样
23、品样品样品(yngp(yngp n)n)制制制制备备备备 透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体透射电子显微镜在材料科学、生物学上应用较多。由于电子易散射或被物体(wt(wt)吸收，故穿透力低，吸收，故穿透力低，样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为样品的密度、厚度等都会影响到最后的成像质量，必须制备更薄的超薄切片，通常为5050100nm100nm。所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片所以用透射电子显微镜观察时的样品需要处理得很薄。常用的方法有：超薄切片法、冷冻超薄切片法、冷冻蚀
24、刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。法、冷冻蚀刻法、冷冻断裂法等。对于液体样品，通常是挂预处理过的铜网上进行观察。透射电镜样品制备透射电镜样品制备 ：取材（小于：取材（小于1 1立方毫米）立方毫米）固定固定脱水脱水包埋包埋固化固化切片（切片（50-60 nm50-60 nm）双染双染色色电镜观察电镜观察莱卡超薄切片机 TEM 样品支撑(zh chng)网格，其上有一超薄切片。一个单轴倾斜样品夹具，它可以插入TEM的测角仪。倾斜这个夹具可以通过旋转整个测角仪来实现。第12页/共55页第十二页，共55页。内质网透射电镜图（伪彩色(cis)）冰冻蚀刻电镜照片(zhop
25、in)第13页/共55页第十三页，共55页。TEMTEM的局限性的局限性的局限性的局限性 上世纪，TEM的最佳分辨率为1.4（日本日立制作最新型300万伏超高压电子显微镜）。由于电子透镜球面像差的限制，也由于生物样品的反差不足，电镜分辨率不能达到理论的极限值1的水平。电子显微镜的分辨本领虽已远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。电镜对于电子束通道（即镜筒内腔）的真空度要求很高，镜筒部分真空的好坏是决定电镜能否(nn fu)正常工作的关键之一。因为在电镜中，高速电子与气体的相互作用，会使高速电子散射而偏离直线轨道，所
26、以要使镜筒中的残余气体尽量的减少以保证电子的自由行程。电镜镜筒中的电子行程约为1m，经计算真空度应为1.33X10-1Pa。一般超高压电镜的真空度可达到这个水平。第14页/共55页第十四页，共55页。二、扫描电镜二、扫描电镜二、扫描电镜二、扫描电镜 扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（Scanning Electron MicroscopeScanning Electron Microscope，SEMSEM）的制造是依据电子与物质的相互作用。）的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发
27、的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征X X射射线和连续谱线和连续谱X X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动空穴对、晶格振动(声子声子)、电子振荡、电子振荡(等离子体等离子体)。原则上讲，利用电子。原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据
28、上述不同信息产生的晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测机理，采用不同的信息检测(ji(ji n c)n c)器，使选择检测器，使选择检测(ji(ji n c)n c)得以实现。如对二次电子、背散射得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。第15页/共
29、55页第十五页，共55页。二次电子二次电子二次电子二次电子 Secondary electron Secondary electron 二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过
30、程发生在比较接从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电近样品表层处，那些能量
31、大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。子。子。子。二次电子来自表面二次电子来自表面二次电子来自表面二次电子来自表面5-10nm5-10nm的区域，能量为的区域，能量为的区域，能量为的区域，能量为0-50eV0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次
32、电子的面积与入射电子的面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次。扫描电镜的分辨率一般就是二次。扫描电镜的分辨率一般就是二次。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。电
33、子分辨率。电子分辨率。电子分辨率。二次电子产额随原子序数的变化二次电子产额随原子序数的变化二次电子产额随原子序数的变化二次电子产额随原子序数的变化(binhu)(binhu)不大，它主要取决于表面形貌。入射电子与样品核不大，它主要取决于表面形貌。入射电子与样品核不大，它主要取决于表面形貌。入射电子与样品核不大，它主要取决于表面形貌。入射电子与样品核外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来，作为外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来，作为外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来，作为外电子碰撞，使样品表面的核外电子被激发出来，作为SEMSEM的成像信号，代表样品表面的结构特点。的成像信号
34、，代表样品表面的结构特点。的成像信号，代表样品表面的结构特点。的成像信号，代表样品表面的结构特点。第16页/共55页第十六页，共55页。SEMSEM的构成的构成的构成的构成(guchng)(guchng)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。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。1.1.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。成象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。成象系统和电子束系统均内置在真空柱中。和电子束系统均内置在真空柱中。2.2.电子束系统电子束系统 由电子枪和电磁透镜两
35、部分组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、电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象。子能量确定的电子束用以扫描成象。电子枪用于产生电子，主要有两大类。电子枪用于产生电子，主要有两大类。一类是利用场致发射效应产生电子，另一类是利用一类是利用场致发射效应产生电子，另一类是利用热发射效应产生电子。热发射效应产生电子。电磁透镜电磁透镜 热发射电子需要热发射电子需要(xyo)(xyo)电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的SEMSEM上，电磁上，电磁透镜必不可少。通常会装配两组，汇聚透镜和物镜。汇聚透镜用于汇聚
36、电子束，装配在真透镜必不可少。通常会装配两组，汇聚透镜和物镜。汇聚透镜用于汇聚电子束，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，与成象会焦无关。用于汇聚电子束，与成象会焦无关。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。电子束的焦点汇聚到样品表面。第17页/共55页第十七页，共55页。3.3.3.3.成像系统成像系统成像系统成像系统 电子经过一系列电电子经过一系列电电子经过一系列电电子经
37、过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样磁透镜成束后，打到样品上与样磁透镜成束后，打到样品上与样磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生次级电子、品相互作用，会产生次级电子、品相互作用，会产生次级电子、品相互作用，会产生次级电子、背散射电子、俄歇电子以及背散射电子、俄歇电子以及背散射电子、俄歇电子以及背散射电子、俄歇电子以及X X X X射射射射线等一系列信号。所以需要线等一系列信号。所以需要线等一系列信号。所以需要线等一系列信号。所以需要(xyo)(xyo)(xyo)(xyo)不同的探测器譬如次级不同的探测器譬如次级不同的探测器譬如次级不同的探测器譬如次级电子探测器、电子探测器、电子探测
38、器、电子探测器、X X X X射线能谱分析仪射线能谱分析仪射线能谱分析仪射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要等来区分这些信号以获得所需要等来区分这些信号以获得所需要等来区分这些信号以获得所需要(xyo)(xyo)(xyo)(xyo)的信息。的信息。的信息。的信息。第18页/共55页第十八页，共55页。SEMSEM的工作的工作的工作的工作(gngzu)(gngzu)原理原理原理原理 由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压作用下经过二至三个电磁透镜所组成的电子加速电压作用下经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成
39、一个细的电子束聚焦在样品光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下表面。在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种质的交互作用，结果产生了各种(zh zh n n)信息：二次信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、电子、背反射电子、吸收电子、X X射线、俄歇电子、阴射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，极发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。经放大后
40、送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我成比例地转换为视频信号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种们在荧光屏上观察到样品表面的各种(zh zh n n)特征图特征图
41、像。像。扫描电镜原理扫描电镜原理(yunl)示意图示意图第19页/共55页第十九页，共55页。SEMSEM基本参数基本参数基本参数基本参数 1.1.放大率放大率放大率放大率 与普通光学显微镜不同，在与普通光学显微镜不同，在与普通光学显微镜不同，在与普通光学显微镜不同，在SEMSEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕或照片面积除以扫描面需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积
42、就可以了。放大率由屏幕或照片面积除以扫描面需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕或照片面积除以扫描面需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕或照片面积除以扫描面积得到。所以，积得到。所以，积得到。所以，积得到。所以，SEMSEM中，透镜与放大率无关。中，透镜与放大率无关。中，透镜与放大率无关。中，透镜与放大率无关。2.2.场深（景深）场深（景深）场深（景深）场深（景深）在在在在SEMSEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成中，位于焦平面上下的一小层区域
43、内的样品点都可以得到良好的会焦而成中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEMSEM可以用于纳米级样品的三维成像。可以用于纳米级样品的三维成像。可以用于纳米级样品的三维成像。可以用于纳米级样品的三维成像。3.3.分辨率分辨率分辨率分辨率 在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束斑直径。在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束斑直径。在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束
44、斑直径。在理想情况下，二次电子像分辨率等于电子束斑直径。4.4.作用体积作用体积作用体积作用体积 电子束不仅仅与样品表层原子发生电子束不仅仅与样品表层原子发生电子束不仅仅与样品表层原子发生电子束不仅仅与样品表层原子发生(fshng)(fshng)作用，它实际上与一定厚度范围内的样品作用，它实际上与一定厚度范围内的样品作用，它实际上与一定厚度范围内的样品作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生原子发生原子发生原子发生(fshng)(fshng)作用，所以存在一个作用作用，所以存在一个作用作用，所以存在一个作用作用，所以存在一个作用“体积体积体积体积”。作用体积的厚度因信号的不同而不同。作用体
45、积的厚度因信号的不同而不同。作用体积的厚度因信号的不同而不同。作用体积的厚度因信号的不同而不同。第20页/共55页第二十页，共55页。5.5.工作距离工作距离工作距离工作距离 指从物镜到样品最高点的垂直距离。指从物镜到样品最高点的垂直距离。指从物镜到样品最高点的垂直距离。指从物镜到样品最高点的垂直距离。如果增加工作距离，可以在其他条件不变如果增加工作距离，可以在其他条件不变如果增加工作距离，可以在其他条件不变如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。的情况下获得更大的场深。的情况下获得更大的场深。的情况下获得更大的场深。如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更如果
46、减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。高的分辨率。高的分辨率。高的分辨率。通常使用的工作距离在通常使用的工作距离在通常使用的工作距离在通常使用的工作距离在5 5毫米到毫米到毫米到毫米到1010毫米之间。毫米之间。毫米之间。毫米之间。6.6.成像成像成像成像 次级电子和背散射电子可以用于成像，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。次级电子和背散射电子可以用于成像，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。次级电子和背散射电子可以用于成像，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。
47、次级电子和背散射电子可以用于成像，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。7.7.表面分析表面分析表面分析表面分析 俄歇电子、特征俄歇电子、特征俄歇电子、特征俄歇电子、特征X X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作
48、用体积），所可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。以只能用于表面分析。以只能用于表面分析。以只能用于表面分析。表面分析以特征表面分析以特征表面分析以特征表面分析以特征X X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常者速度快但精度不高，后者非常者速度快但精度不高，后者非常者速度快但精度不高，后者非常(
49、fichng)(fichng)精确，可以检测到精确，可以检测到精确，可以检测到精确，可以检测到“痕迹元素痕迹元素痕迹元素痕迹元素”的存在但耗的存在但耗的存在但耗的存在但耗时太长。时太长。时太长。时太长。第21页/共55页第二十一页，共55页。样品样品样品样品(yngp(yngp n)n)处处处处理理理理 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(lingh(li
50、ngh o)o)导电性能。导电性能。一、样品的初步处理一、样品的初步处理 取材：面积可达取材：面积可达8mm*8mm8mm*8mm，厚度可达，厚度可达5mm5mm。对于易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜等，可。对于易卷曲的样品如血管、胃肠道粘膜等，可固定在滤纸或卡片纸上。固定在滤纸或卡片纸上。清洗：将样品表面的血液、组织液或粘液等附着物清洗干净。清洗：将样品表面的血液、组织液或粘液等附着物清洗干净。固定：固定所用的试剂和透射电镜样品制备相同，常用戊二醛及锇酸双固定。由于样品体固定：固定所用的试剂和透射电镜样品制备相同，常用戊二醛及锇酸双固定。由于样品体积较大，固定时间应适当延长。也可用快速冷冻固定