第三章扫描电子显微分析技术
第三章薄膜材料的表征方法-PPT
❖ 由此可见,Ψ 与△直接反映出反射前后光波偏振状态得变化。 在波长、入射角、衬底等确定得条件下,Ψ 与△就是膜厚与 薄膜折射率( n) 得函数,写成一般函数式为Ψ = Ψ( d , n) , △= △( d , n)
❖ 椭偏光谱学就是一种利用线偏振光经样品反射后转变
为椭圆偏振光这一性质以获得样品得光学常数得光谱 测量方法,它区别于一般得反射透射光谱得最主要特 点在于不直接测算光强,而就是从相位空间寻找材料 得光学信息,这一特点使这种测量具有极高得灵敏度。
❖ 椭偏光谱仪有多种结构,如消光式、光度式等,消光式 椭偏仪通过旋转起偏器与检偏器,对某一样品,在一定 得起偏与检偏角条件下,系统输出光强可为零。由消 光位置得起偏与检偏器得方位角,就可以求得椭偏参 数。然而,这种方法在具有较大背景噪声得红外波段
❖30keV左右得能量得电子束在入射到样品表面之后,将
与表面层得原子发生各种相互作用,产生二次电子、背散
射电子、俄歇电子、吸收电子、透射电子等各种信号(如
图3-2)。
从图3－2中瞧到,入射电子
束与样品表面相互作用可
产生7种信息。其中最常
用于薄膜分析得就是背散
射电子、二次电子与特征
X射线。前两种信息可用
内层电子电离,驰豫过程产生得另一能 级上电离得电子产生于样品表面几个 原子层
任何部位得元素分析与元素分布 图
样品表面薄层中得轻元素分析与 元素分布图
3、2、2 原子力显微镜(AFM)分析
❖ 将扫描隧道显微镜(SEM)得工作原理与针式 轮廓曲线仪原理结合起来,制成了原子力显 微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)。这 种结构首先就是Binnig(诺贝尔奖金获得者) 等人在1986年提出得。这种新型得表面分 析仪器就是靠探测针尖与样品表面微弱得 原子间作用力得变化来观察表面结构,得到 得就是对应于表面总电子密度得形貌。
细胞生物学第三章细胞生物学研究方法知识讲解
利用放射性标记技术研究生物大分子 在细胞内的合成动态
步骤
– 适宜的放射性前体分子标记机体或细胞 – 常规制片 – 暗室敷乳胶(核子乳胶3-10m) – 暗盒暴光或自显影 – 显影、定影、观察
与显微自显影区别
敷胶要单层晶体 暴光时间长
定量细胞化学分析技术
细胞显微分光光度术(Microspectrophotometry) 利用细胞内某些物质对特异光谱的吸收， 测定这些物质(如核酸与蛋白质等)在细胞 内的含量 包括： 紫外光显微分光光度测定法 可见光显微分光光度测定法 BACK
0.2 m
电子显微镜技术(Electro microscopy)
0.2nm
扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope)
3nm, 0.7nm
扫描遂道显微镜 (scanning tunneling microscope)
（侧0.1-0.2，纵0.001nm）
BACK
光学显微镜技术
自发荧光(叶绿素)、诱发荧光(酸性品红、甲基 绿、吖啶橙)
优点：
– 多种成分定位 – 只有激发荧光可成像，敏感度高 – 染色简便 – 标本呈彩色图像 – 固定细胞和活细胞
数字成像显微技术
图像后期处理，提高信/噪比、放大信号 摄像机和计算机 原理：摄取同一区域多幅图像，信号经
计算机放大、假信号减弱或消除
BACK
扫描遂道显微镜原理
量子力学中的隧道效应，即在低电压下，二电 极之间具很大阻抗，阻止电流通过(势叠)
当二电极间近到一定距离时，电极间产生了电 流(隧道电流)，且Iexp(-2Kd)，d为针尖与样品 间距离，K为常数，d转化为I的函数而被测定
扫描探针与样品接触或达到很近距离时，即产 生彼此间相互作用力，并在计算机显示出来，从 而反映出样品表面形貌信息、电特性或磁特性等
材料现代分析测试方法电子显微分析优秀课件
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜
1） 球 差
球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚
能力不同而造成的。远轴的电子通过透镜后折射得比近轴电
子要厉害得多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了
一个半径为Rs漫散圆斑，折算到物平面上，得 定义
rs
Rs M
rs
1 4
Cs 3
－－球差
1. 电子抢
电子束
聚光镜
照 电子枪 明 系统（电聚磁光透镜镜）
试样
成 物镜 像 系 统 中间象
投影镜
记
试样
录 观察屏
照明部分示意图 系 照相底板
统
电子显微镜
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
一、电子抢及电磁透镜
2. 电磁透镜 (1) 原理
透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像 的装置。电磁透镜实质是一个通电的短线圈， 它能造成一种轴对称的分布磁场。正电荷在磁
Cs －－球差系数，一般～f（1~3mm）
－－孔径半角
物平面上两点距离小于 2r时s ，则该透镜不能分辨
§3.3 透射电镜的构造与工作原理
2、电磁透镜 3）像散
磁场不对称时，就出现象差。可能是由于极靴被污染，或极靴的机械
不对称性，或极靴材料各项磁导率差异引起。有的方向电子束的折射比别
的方向强，如图所示，这样，圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑，
2、电磁透镜 4)电磁透镜分辨率（分辨距离、分辨本领）
电子透镜中分辨本领基本上决定于球差和衍射。通过减小孔 径角的方法来减小球差，提高分辨本领，但能过小会由于衍射 使分辨本领变差。这就是说，光阑的最佳尺寸应该是球差和衍 射两者所限定的值。
扫描电镜(SEM)精品课件-3
必须指出，这里所讲的透射电子是指由直径很 小（通常小于100Å）的高能入射电子束照射样品微 区时产生的，因此，这一信号的强度仅取决于样品 微区的厚度、成分、晶体结构和位向。
3.1.5 等离子激发
入射电子
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
－
＋＋
－
入射电子引起价电子云集体振荡
3.1.5 等离子激发
入射电子导致晶体的等离子激发也会伴随能量的 损失。由于等离子体振荡的能量也是量子化的，并有 一定的特征能量值，因此，在等离子体激发过程中， 入射电子的能量损失也具有一定的特征值，并随元素 和成分的不同而异，如下表所示。
3.2.3 二次电子
由于价电子结合能很小，对于金属来说大致在 10eV左右。内层电子结合能则高得多（有的甚至高 达10keV以上），相对于价电子来说，内层电子电 离几率很小，越是内层越小。一个高能入射电子被 样品吸收时，可以在样品中产生许多自由电子，其 中价电子电离约占电离总数的90％。
所以，在样品表面上方检测到的二次电子绝大都 分是来自价电子电离。
3.1.3 非弹性散射
非弹性散射机制
单电子激发 等离子激发 声子激发 韧致辐射
3.1.4 单电子激发
样品内原子的核外电子在受到入射电子轰击时，有可能 被激发到较高的空能级甚至被电离。价电子与原子核的结合 能很小，被激发时只引起入射电子少量的能量损失和小角度 散射。芯电子的结合能较大，受到入射电子激发时需要消耗 它较多的能量，并发生大角度散射。
3第三章 细胞形态结构的观察
第三章细胞生物学的研究方法归纳起来大体上可划分为四大类：形态观察、生化分析、生理检测、实验性操作技术。
第一节细胞形态结构的观察方法光学显微镜（light microscope ）电子显微镜（electron microscope）扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope）（一）普通显微镜0.2um由聚光器、物镜和目镜三部分组成。
普通显微镜最大放大倍数1000－1500倍，因为它的分辨率有限，再放大也是空放大分辨率（resolution）：能将物体相近两点分辨清楚的距离极限D代表分辨力：D= 0.61λ / N.A.λ代表光波波长；N. A. 为镜口率，也称数值孔径（Numerical aperture)。
N. A. =n·Sin α/2N:物镜与标本间介质的折射率；（1或1.515）α:镜口角（聚光焦点对物镜镜口的张角，<180º）通过公式可知光学显微镜最大分辨率0.2um，减小分辨率需减小λ显微镜的几个光学特点：介质折射率越接近镜头玻璃的（ 1. 7 ）越好。
sinα/2的最大值小于1；普通光线的波长为400~700nm，光镜分辨力约为0.2μm，人眼的分辨力为0.2mm，因此显微镜的最大有效倍数为1000X。
（二）紫外线显微镜（ultraviolet microscope）0.1um根据光学原理，光源光波越短，显微镜的分辨本领越大。
紫外线显微镜以紫外线为光源，分辨率可提高一倍。
可看到在普通光学显微镜下看不到的胶体颗粒。
可用来测定细胞中的核酸含量。
透镜：石英、萤石（CaF2)、碳酸锂等制作。
价格昂贵，使用受限。
（三）荧光显微镜（fluorescent microscope）20世纪40年代在紫外线显微镜基础上发明。
原理：细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射也可发荧光。
电子显微学技术
电子显微学技术电子显微学技术是一种利用电子束代替光束进行成像的方法，从而能显现出超乎普通光学显微镜的高精度结构细节。
这种技术在科学研究和工业生产中都有重要应用。
以下分别对其原理、种类及应用进行具体介绍。
一、电子显微学技术原理电子显微镜工作的主要原理是：利用电子枪出射的高能电子束射向样品，通过电子与样品原子之间的相互作用，使电子产生各种散射现象，然后利用电子透镜系统收集这些散射电子，形成显微图像。
由于电子的波长远小于可见光，所以电子镜的分辨率比光学镜要高得多。
二、电子显微学技术种类电子显微学技术主要有两种类型，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）。
1、扫描电子显微镜（SEM）SEM中的电子束以点状扫描样品表面，依据其反射、透射等情况，将逐点信息转化为电信号，然后经电子显微镜信号转换器转化为图像信号。
2、透射电子显微镜（TEM）TEM的工作原理是让一束电子束穿透薄膜样品，对穿透后的电子束进行成像，由此获取样品内部的结构信息。
其图像反映样品中的电子密度分布差异，能获得比SEM更高的分辨率。
三、电子显微学技术应用电子显微学技术广泛应用于许多科研领域和工业生产过程。
在科研领域中，电子显微学技术常用于生物学、医学、材料学等方向。
比如在研究生物样本时，可以通过电子显微学技术研究细胞内部的超微结构；在医学中，可以对疾病细胞进行观察，对病原体进行定位；在材料科学中，可以对材料微观结构、晶格缺陷等进行检测和分析。
在工业生产中，电子显微技术广泛应用于半导体工业、纳米科技、新材料研发等领域。
比如在半导体芯片的生产过程中，可以通过电子显微镜观察芯片的微观结构，保证生产质量；在纳米科技中，可以用于观察纳米材料的形态和结构，推动材料性能的提升。
综上，电子显微学技术利用电子束替代光束，达到超乎光学显微镜的高精度观察，应用广泛，为科研和工业生产提供了强大的工具。
尽管这项技术仍面临一些挑战，例如样品制备的困难，设备成本的高昂，但随着科研进步和技术发展，其性能及应用将进一步得到提升。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一
种利用电子束与样品相互作用，通过控制电子束扫描样品来获得高分辨率图像的仪器。
其工作原理可以概括如下：
1. 电子枪和聚焦系统：SEM中的电子枪产生高能量的电子束，通常使用热阴极或冷阴极发射电子。
聚焦系统根据需要将电子束聚焦成细束。
2. 射线系统：聚焦后的电子束进入射线系统，经过一系列的电磁透镜和偏转磁铁来控制和定位电子束的位置。
3. 样品台和扫描系统：待观察的样品放置于样品台上，样品台可以进行高精度的位置调整。
电子束从顶部进入，并通过电磁透镜附近的扫描线圈来控制水平和垂直方向的束斑位置，从而实现对样品表面的扫描。
4. 信号检测和图像重建：当电子束与样品相互作用时，会产生多种不同的信号。
最常用的信号有二次电子（SE）和背散射
电子（BSE）。
二次电子是由被电子束激发的表面原子或分子
所发射的电子。
背散射电子是由高能电子与样品原子核的相互作用而散射产生的电子。
这些信号被探测器捕捉，并转换为电信号传输到图像处理系统。
通过组合并处理这些信号，最终形成高分辨率的样品图像。
5. 系统控制和图像显示：扫描电子显微镜通常配备有相应的系统控制软件，可以实时调整电子束的参数、样品扫描范围和扫
描速度等。
图像可以通过电子束的扫描和控制以及信号检测系统的输出，转化为显示在显示器上的图像。
总结起来，扫描电子显微镜通过利用电子束与样品相互作用并检测所产生的信号，通过电子束的扫描和控制，最终生成高分辨率的样品图像。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来成像样品表面微观结构的高分辨率显微镜。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的放大倍数和更好的分辨率，能够观察到更小尺度的样品细节。
SEM的工作原理主要包括电子束的发射、样品的准备、电子-样品相互作用和信号检测等过程。
首先，SEM通过热阴极或场发射阴极发射出能量较高的电子束。
这些电子经过加速器的加速作用后，形成高速电子束并聚焦到样品表面，从而激发样品表面原子和分子的电子。
样品的准备非常重要，通常需要将样品表面涂覆一层导电性物质，以便在SEM中观察到清晰的图像。
样品表面的电子被激发后，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、X射线和荧光等。
其次，电子束与样品表面的相互作用是SEM成像的关键。
当电子束照射到样品表面时，会激发出二次电子和反射电子。
二次电子是由样品表面的原子和分子吸收电子能量后发射出来的，它们能够提供样品表面形貌和结构信息。
而反射电子是由样品内部的原子和分子反射出来的，能够提供有关样品成分和晶体结构的信息。
此外，样品表面还会发出X射线和荧光信号，它们可以提供样品的化学成分分布和元素分析信息。
最后，SEM通过探测器检测样品表面产生的二次电子、反射电子、X射线和荧光信号，并将这些信号转换成电子图像。
这样就可以在显示屏上观察到样品的微观形貌、结构和成分信息。
SEM的成像分辨率通常在纳米级别，能够观察到非常小的微观结构，因此在材料科学、生物学、医学和纳米技术等领域有着广泛的应用。
总之，扫描电子显微镜通过发射、相互作用和信号检测等过程实现对样品微观结构的成像。
它具有高分辨率、高放大倍数和丰富的信息获取能力，是一种非常重要的微观表征工具。
通过深入理解SEM的工作原理，可以更好地应用它来研究和分析各种样品的微观特征，推动科学研究和技术发展的进步。
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二次电子象衬度是入射电子束从试样表层不同部位激发的 二次电子数量变化的反映。电子束入射条件一定（加速电压、 电子束流及束斑大小），二次电子发射量与试样表面形貌（凸 凹、特别是尖端棱角）、组成元素、电子束相对试样入射角等 有密切关系。即决定于倾斜效应、边缘效应、原子序数效应等。
3.2.1倾斜效应 二次电子发射量与电子束对试样表面法线夹角θ的余弦
第三章 扫描电子显 微分析技术
反射式光学显微镜
包括：光源、光学透镜系统、成像观察系统、试样台。
3.1 扫描电镜的结构
3.1.1 扫描电镜的结构原理
一台扫描电子显微镜从结构上来说，它由电子 枪、成像透镜系统、信号检测系统、试样室、图像
观察与拍照系统、真空系统等几部分组成。
这 是 一 台 扫 描 电 镜 结 构 原 理 图
电子束流：电子束流越小，图像的分辨率越高，但是会降低图像 的亮度和信噪比，图像呈颗粒化，在保证图像的亮度和信噪比适 中的情况下，应尽可能使用较小的电子束流。
灯丝电流:随着灯丝电流的加大，图像亮度会逐渐提高，当灯 丝电流增大到一定大小时，图像亮度饱和不再增大，灯丝电流 应工作在饱和点上，使图像稳定。
图像质量的好坏与所用的加速电压、电子束流、灯丝电流、试样 的工作距离、物镜光阑直径和帧扫描时间有密切关系。
加速电压：对导电的金属和矿物试样，加速电压越高，图像的亮 度越高，清晰度越好，建议使用2030kV的加速电压；对非导电 的试样（如生物试样、塑料等），用较高的加速电压引起电荷堆 积，降低图像信噪比，也容易损伤试样，建议使用1020kV的加 速电压。
倒数(1/cosθ)成正比，二次电子穿透距离越短，到达检测器 的二次电子数量就越多。
任何观察试样表面都有着不同程度的起伏（凹凸），即 对入射电子束呈不同程序的倾斜，因而由各相应部位（微区） 发出的二次电子量出不尽相同。在显象管上的图象将呈现与 试样起伏程度相对应的亮度差异，即试样倾斜（形貌）衬度。
二次电子发射量与试样倾斜程度的关系
这是氧化铝晶体的二次电子像
3.2.2 边缘效应
入射电子束照射如下图那样的试样边角、尖端或边缘时， 二次电子可从试样侧面发出，即和一般的起伏部分相比二次电 子产率显得特别明亮，以致难以辩认所存在的形貌细节。边缘 效应实际上是倾斜效应的特例，同时与加速电压有明显依赖关 系。通过降低加速电压，可减小边缘效应的影响，有利于图象
这是机械泵的工作原理图 机械泵的极限真空一般在10-3乇
这是扩散泵的工作原理图 扩散泵的极限真空为10-5乇
3.2 扫描电镜的图像解释
扫描电镜图象衬度成因比较复杂，内容也较丰富，有形貌 因素，也有电、光、磁及元素分布等因素，还有因试样性 质不同以及在制样过程中引进的人工产物的干扰因素。 信号（电子及电磁波）及其用途 :
扫描电子显微镜的放大倍数
定义：显像管电子束扫描宽度与镜体电子束在试样上扫描 宽度之比。
由于显像管成像荧光屏尺寸一定，通过改变镜体内电子束 偏转角，即改变电子束在试样上扫描范围，可使扫描电子 显微镜放大倍数在10300000倍之间任意选择。
扫描电镜图像的放大过程
3.1.2 扫描电镜的电子枪
电子枪提供一个稳定的电子源，相当于光学显微镜中的 光源，以形成一个电子束。 热电子发射型：发叉式钨丝六硼化镧（LaB6）单晶 场电子发射型：钨单晶
钨单晶
LaB6单晶
钨丝
3.1.3 透镜系统
由电磁透镜、扫描线圈和消像散器组成。
透镜系统常采用三级励磁系统，由第一、第二聚光镜和物镜组成 。
扫描电镜透镜系统光路
扫描电镜物镜部分结构示意图
上下各一对线圈使电子 束沿X方向扫描（即行扫 描），而另外一对线圈 使电子束沿Y方向扫描 （即帧扫描）。在物镜 的下部在下偏转线圈下 面安装八极式电磁消像 散器，以消除这种像散。 在物镜的最下部装有物 镜光阑，其作用为控制 电子束的开角，从而控 制图像的景深。
帧扫描时间:采用较长的帧扫描时间可以改善信噪比，提高成 像质量。但延长帧扫描时间，会损伤试样，对防震性能不太好 的实验室，较长的扫描时间，也容易造成图像的晃动，影响图 像的观察与拍照。
3.1.6 真空系统及电源系统
扫描电镜的真空系统一般由机械泵与油扩散泵两级真空组 成，其作用是使镜筒内达到 10-4～10-5乇的真空度。电源 系统供给各部件所需的特定的电源。
看一下镜筒（电子光学系统）的组成
成像透 镜系统
试样室
真空系统
KYKY-1000B扫描电镜
电子枪 检测器
图像观察 与拍照系统 能谱仪镜系统
日本电子的JSM-6360系列扫描电镜 图像观察 与拍照系统
试样室
真空系统
电子控 制系统
能谱仪
扫描电镜的成像过程
电子束由电子枪发出，在加速电压（130kV）作用下，经聚 光镜、物镜，被会聚成直径15nm的微束（其束流为10-111012A）。电子束经扫描线圈时，受其作用，在试样表面作光栅状扫 描。电子束作用于试样表面，打在试样上的会聚电子束从试样中 激发出各种信号（如二次电子、X射线等），其中的二次电子经 检测、放大后，最终在设在镜体外的显像管（CRT）荧光屏上形 成一副反映试样表面貌、化学组成及其它物化性能的扫描图像。
影响扫描图像质量的电子束参数
3.1.4 图像检测、显示、记录与控制系统
入射电子⇒轰击试样⇒产生二次电子⇒二次电子检测器（闪烁体 ⇒光电倍增管）⇒视频放大器⇒显像管⇒二次电子图像。
3.1.5 显示、记录与控制系统
扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照 记录。显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是短余辉的 管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是长余辉的管子。
工作距离:试样工作距离越小，图像分辨率越高，但焦深越小。 对表面粗糙和高低不平的试样，宜采用较大的工作距离。另外， 试样工作距离越小，象差越小。高分辨观察，建议用较小的工
作距离。
物镜光阑:物镜光阑直径直接影响扫描电子显微镜的开角，并间 接影响电子束斑的尺寸。小孔径光阑可以提高分辨率，加大景 深，但却降低图像的信噪比，使图像颗粒化。在保证足够的信 噪比和分辨率的情况下，应尽可能使用较小的物镜光阑。常用 的物镜光阑直径为100m、200m和300m。