掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡拍攝這些花粉顯示了SEM顯微照相景深特點。
1938年由M. von Ardenne成功開發的第一部掃描電子顯微鏡(SEM)
掃描電子顯微鏡的運行原理
劍橋S150型掃描電鏡,位於基爾大學地質研究所,1980年拍攝
打開的密封室
模擬式類型的掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡英語:Scanning Electron Microscope,縮寫為SEM),簡稱掃描電鏡,是一種電子顯微鏡,其通過用聚焦電子束掃描樣品來產生樣品的圖像。電子與樣品中的原子交互作用,產生包含關於樣品的表面測繪學形貌和組成的資訊的各種信號。電子束通常以光柵掃描英語Raster scan圖案掃描,並且光束的位置與檢測到的信號組合以產生圖像。掃描電子顯微鏡可以實現解析度優於1奈米。樣品可以在高真空,低真空,濕條件(用環境掃描電子顯微鏡)以及寬範圍的低溫或高溫下觀察到。

最常見的掃描電子顯微鏡模式是檢測由電子束激發的原子發射的二次電子(secondary electron)。可以檢測的二次電子的數量,取決於樣品測繪學形貌,以及取決於其他因素。通過掃描樣品並使用特殊檢測器收集被發射的二次電子,創建了顯示表面的形貌的圖像。它還可能產生樣品表面的高解析度圖像,且圖像呈三維,鑑定樣品的表面結構。

結構

掃描電子顯微鏡由三大部分組成:真空系統,電子束系統以及成像系統。

真空系統

真空系統主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容器。

真空泵用來在真空柱內產生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類,機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求,但對於裝置了場致發射槍或六硼化鑭槍的SEM,則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。

成像系統和電子束系統均內置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室,用於放置樣品。

之所以要用真空,主要基於以下兩點原因:

  • 電子束系統中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效,所以除了在使用SEM時需要用真空以外,平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。
  • 為了增大電子的平均自由徑,從而使得用於成像的電子更多。

電子束系統

電子束系統由電子槍和電磁透鏡兩部分組成,主要用於產生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成像。

電子槍

電子槍用於產生電子,主要有兩大類,共三種。

一類是利用場致發射效應產生電子,稱為場致發無線電子槍。這種電子槍極其昂貴,在十萬美元以上,且需要小於10-10torr的極高真空。但它具有至少1000小時以上的壽命,且不需要電磁透鏡系統。

另一類則是利用熱發射效應產生電子,有槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30~100小時之間,價格便宜,但成像不如另一種明亮,常作為廉價或標準SEM配置。六硼化鑭槍壽命介於場致發無線電子槍與鎢槍之間,為200~1000小時,價格約為鎢槍的十倍,圖像比鎢槍明亮5~10倍,需要略高於鎢槍的真空,一般在10-7torr以上;但比鎢槍容易產生過度飽和和熱激發問題。

電磁透鏡

熱發無線電子需要電磁透鏡來成束,所以在用熱發無線電子槍的SEM上,電磁透鏡必不可少。通常會裝配兩組:

  • 匯聚透鏡:顧名思義,匯聚透鏡用匯聚電子束,裝配在真空柱中,位於電子槍之下。通常不止一個,並有一組匯聚光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用於匯聚電子束,與成象會焦無關。
  • 物鏡:物鏡為真空柱中最下方的一個電磁透鏡,它負責將電子束的焦點匯聚到樣品表面。

成像系統

電子經過一系列電磁透鏡成束後,打到樣品上與樣品交互作用,會產生次級電子、背散無線電子、歐傑電子以及X射線等一系列信號。所以需要不同的探測器譬如次級電子探測器、X射線能譜分析儀等來區分這些信號以獲得所需要的資訊。雖然X射線信號不能用於成像,但習慣上,仍然將X射線分析系統劃分到成像系統中。

有些探測器造價昂貴,比如Robinsons式背散無線電子探測器,這時,可以使用次級電子探測器代替,但需要設定一個偏壓電場以篩除次級電子。

基本參數

放大率

與普通光學顯微鏡不同,在SEM中,是通過控制掃描區域的大小來控制放大率的。如果需要更高的放大率,只需要掃描更小的一塊面積就可以了。放大率由螢幕/照片面積除以掃描面積得到。

所以,SEM中,透鏡與放大率無關

場深

在SEM中,位於焦平面上下的一小層區域內的樣品點都可以得到良好的匯焦而成像。這一小層的厚度稱為場深,通常為幾奈米厚,所以,SEM可以用於奈米級樣品的三維成像。

作用體積

電子束不僅僅與樣品表層原子發生作用,它實際上與一定厚度範圍內的樣品原子發生作用,所以存在一個作用「體積」。

作用體積的厚度因信號的不同而不同:

  • 歐傑電子:0.5~2奈米。
  • 次級電子:5λ,對於導體,λ=1奈米;對於絕緣體,λ=10奈米。
  • 背散無線電子:10倍於次級電子。
  • 特徵X射線:微米級。
  • X射線連續譜:略大於特徵X射線,也在微米級。

工作距離

工作距離指從物鏡到樣品最高點的垂直距離。

如果增加工作距離,可以在其他條件不變的情況下獲得更大的場深。

如果減少工作距離,則可以在其他條件不變的情況下獲得更高的解析度。

通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。

用途

成像

次級電子背散無線電子可以用於成像,兩者用處不一,前者多用在顯示物體表面起伏,後者則是用在顯示物體原子序的差異。

表面分析

歐傑電子特徵X射線背散無線電子的產生過程均與樣品原子性質有關,所以可以用於成分分析。但由於電子束只能穿透樣品表面很淺的一層(參見作用體積),所以只能用於表面分析。

表面分析以特徵X射線分析最常用,所用到的探測器有兩種:能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高,後者非常精確,可以檢測到「痕跡元素」的存在但耗時太長。

SEM成象的圖庫

參見

參考資料

參考文獻

  • 《Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis》, Third Edition, by Joseph Goldstein, Dale Newbury, David Joy, Charles Lyman, Patrick Echlin, Eric Lifshin, Linda Sawyer, and Joseph Michael, Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2003 ISBN 0-306-47292-9