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扫描电子显微镜的工作原理及应用

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  对于材料科学、电子、地质、物理、化工、农医、公安、食品和轻工等领域的科学研究,人们总是关心微观形态、晶体结构和化学组成与宏观物理或化学性质之间的关系。光学显微系统已难以满足需要。电子显微系统的出现,使分辨率提高到纳米领域,并具有多功能的综合分析能力,为微观领域的深入研究提供了强有力的手段。以下主要从扫描电子显微镜的工作原理和应用的角度认识扫描电子显微镜。
  扫描电子显微镜设备图
  一、扫描电子显微镜工作原理[1]
  (1)扫描
  电子枪产生的高能电子束入射到样品的某个部位时,在相互作用区内发生弹性散射和非弹性散射事件,从而产生背散射电子、二次电子、吸收电子、特征和连续谱X射线、俄歇电子、阴极荧光等各种有用的信号,利用合适的探测器检测这些信号大小,就能够确定样品在该电子入射部位内的某些性质,例如微区形貌或成分等。为了研究样品上更多部位的特征,必须利用扫描系统移动入射电子到样品上的不同位置。
  (2)成像
  扫描电镜的成像是靠扫描作用实现的。扫描发生器同时控制高能电子束和荧光屏中的电子束“同步扫描”,当电子束在样品上进行栅格扫描时,在荧光屏上也以相同的方式同步扫描,因此“样品空间”上的一系列点就与“显示空间”逐点对应。换言之,样品上电子束的各个位置与荧光屏上的各点确立了严格的对应关系。样品表面被电子束扫描,激发出各种物理信号,其强度与样品的表面特征有关,这些信号通过探测器按顺序、成比例地转为视频信号,经过放大,用来调制荧光屏对应点的电子束强度,即光点的亮度,这就形成了扫描电镜的图像。而图像上强度的变化反映出样品的特性。扫描电镜成像虽然不同光镜和透射电镜那样直接由物体发出的光线或电子束成像,这种成像过程如同利用信号探测器作为摄像机,对样品表面逐点拍摄,把各点产生的信号转换到荧光屏上成像。
  荧光屏上的图像实际上是由一系列灰度不同的亮点组成,这个亮点称为像素(Pixle)。像素点数越多,则图像的分辨率越高。
  电子光学镜筒
  二、主要用途及适用范围[2]
  扫描电镜可应用于陶瓷材料分析、金属材料失效分析。在石油、地质、矿物领域,电子、半导体领域,医学、生物学领域,化工、高分子材料领域,公安刑侦工作领域,以及农、林业等方面都有广泛应用。
  扫描电镜可进行显微形貌分析,如果配备了其它分析仪器也可进行成分的常规微区分析,包括元素定量、定性成分分析。进行显微形貌分析时,空间分辨率可达亚微米级;能够进行晶界的状态测量,或者晶体/晶粒的相鉴定,以及晶体、晶粒取向测量等;进行微区成分分析时,能够通过快速的多元素面扫描和线扫描进行分布测量。
  在现代产业化生产和科学研究中,扫描电镜发展成为材料分析、监控工农业生产、保证产品质量、保障大生产流程安全高效的必要手段;同时在生物、环保、医学等有关人类的生存、发展领域的应用也日新月异;在现代高科技方面的发展(例如生物化学战争、现场毒物检测、生命保障任务等)发挥了巨大的作用。

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