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扫描电子显微镜工作原理及用途

   扫描电子显微镜工作原理

  扫描电子显微镜可粗略分为镜体和电源电路系统两部分。镜体部分由电子光学系统(包括电子枪、扫描线圈等)、试样室、检测器以及真空抽气系统组成

  

扫描电子显微镜原理及功能用途

 

  扫描电子显微镜原理图

  从图可以看出,由三极电子枪所发射出来的电子束(一般为50μm),

  在加速电压的作用下(2~30kV),经过三个电磁透镜(或两个电磁透镜),汇聚成一个细小到5nm的电子探针,在末级透镜上部扫描线圈的作用下,使电子探针在试样表面做光栅状扫描(光栅线条数目取决于行扫描和帧扫描速度)。由于高能电子与物质的相互作用,结果在试样上产生各种信息如二次电子、背反射电子、俄歇电子、X射线、阴极发光、吸收电子和透射电子等。因为从试样中所得到各种信息的强度和分布各自同试样表面形貌、成分、晶体取向、以及表面状态的一些物理性质(如电性质、磁性质等)等因素有关,因此,通过接收和处理这些信息,就可以获得表征试样形貌的扫描电子像,或进行晶体学分析或成分分析。

  为了获得扫描电子像,通常是用探测器把来自试样表面的信息接收,再经过

  信号处理系统和放大系统变成信号电压,最后输送到显像管的栅极,用来调制显像管的亮度。因为在显像管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的,其亮度是由试样所发回的信息的强度来调制,因而可以得到一个反映试样表面状况的扫描电子像,其放大系数定义为显像管中电子束在荧光屏上扫描振幅和镜筒电子束在试样上扫描振幅的比值,即

  M=L/l=L/2Dγ

  式中M-放大系数;

  L-显像管的荧光屏尺寸;

  l-电子束在试样上扫描距离,它等于2Dγ,其中D是扫描电子显微镜的工

  作距离;

  2γ-镜筒中电子束的扫描角。

  扫描电子显微镜用途

  最基本的功能是对各种固体样品表面进行高分辨形貌观察。大景深图像是扫描电子显微镜观察的特色,例如:生物学,植物学,地质学,冶金学等等。观察可以是一个样品的表面,也可以是一个切开的面,或是一个断面。冶金学家已兴奋地直接看到原始的或磨损的表面。可以很方便地研究氧化物表面,晶体的生长或腐蚀的缺陷。它一方面可更直接地检查纸,纺织品,自然的或制备过的木头的细微结构,生物学家可用它研究小的易碎样品的结构。例如:花粉颗粒,硅藻和昆虫。另一方面,它可以拍出与样品表面相应的立体感强的照片。

蔡司扫描电镜

  在扫描电子显微镜应用中,很多集中在半导体器件和集成电路方面,它可以很详细地检查器件工作时局部表面电压变化的实际情况,这是因为这种变化会带来象的反差的变化。焊接开裂和腐蚀表面的细节或相互关系可以很容易地观察到。利用束感生电流,可以观测半导体P—N结内部缺陷。

  电子束与样品作用区内,还发射与样品物质其他性质有关信号。例如:与样品化学成分分布相关的,背散射电子,特征X射线,俄歇电子,阴极荧光,样品吸收电流等;与样品晶体结构相关的,背散射电子衍射现象的探测;与半导体材料电学性能相关的,二次电子信号、电子束感生电流信号;在观察薄样品时产生的透射电子信号等。目前分别有商品化的探测器和装置可安装在扫描电子显微镜样品分析室,用于探测和定性定量分析样品物质的相关信息。

  扫描电子显微镜对于固体材料的研究应用非常广泛,没有任何一种仪器能够和其相提并论。对于固体材料的全面特征的描述,扫描电子显微镜是至关重要的。

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