显微镜的历史大约在400年前(1590年),由荷兰科学家杨森和后来的博物学家列文虎克发明和完善的显微镜,向人们揭示了一个陌生的微观世界,他们是开辟人类显微分析的始祖。早期的显微镜以玻璃镜片做透镜,使用可见光为光源,所以人们把它称为光学显微镜。现在,最好的光学显微镜可以达到1500倍的放大倍数。早期的显微镜用玻璃镜片作透镜,用可见光作为光源,因此称为光学显微镜。早期的光学显微镜现代的光学显微镜在光学显微镜的完善和发展过程中,人们发现:不管如何完善光学显微镜的透镜和结构,其放大倍数和分辨率总是被限定在1000多倍和几百纳米的水平,不可能再有所新的突破。后来,人们终于发现:是显微镜所使用的光源限制了光学显微镜的放大倍数和分辨率的进一步发展。因为,可见光的波长在390纳米到760纳米之间,而显微镜的分辨率最多也只能是其所使用光源的半波长的大小,所以光学显微镜的理论极限分辨本领也就在200纳米左右。降低照射光源的波长顺着电磁波谱朝短波长方向寻找,紫外光的波长在130-390nm之间,比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光,因此紫外光难以作为照明光源。更短的波长是X-射线。但是,迄今为止还没有找到能使X-射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质,也就是说还没有X-射线的透镜存在。因此X-射线也不能作为显微镜的照明光源。除了电磁波谱外,在物质波中,电子波不仅具有短波长,而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明光源,由此形成电子显微镜。电子波电子的波长V(KV)λ(Å)1000.03702000.02513000.01974000.01648000.010310000.00872电子束由电子枪产生•热电子发射•场发射电子显微镜的产生既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展,人们自然会想到:要想提高显微镜的放大倍数和分辨率,就应该更换波长更短的光源。随着人们对电磁波的认识,人们了解到:在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米,使用电子束做为光源,显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。实用的电子显微镜经过不断的实验和摸索,在上个世纪三十年代,由德国科学家M·克诺尔与E·鲁斯卡在柏林工学院制造出了世界上第一台透射式电子显微镜。由于使用了电子束做为显微镜的光源,电子显微镜的分辨率大大超过了光学显微镜,达到了零点几个纳米的水平。1935-MaxKnolldemonstratesthetheoryofthescanningelectronmicroscopeKnollandRuska1986NobelPrizewinners1938-FirstscanningelectronmicroscopeproducedbyvonArdennevonArdenne1939-RuskaandvonBorries,workingforSiemensproducethefirstcommerciallyavailableEM电子显微镜的诞生•1939-FirstEMbuiltinNorthAmericabyJamesHillierandAlbertPrebusattheUniversityofTorontoDr.PrebusDr.AlbertPrebus电子显微镜发展史回顾1986年诺贝尔将委员会把物理奖的一半颁发给E.Ruska:”为了他在电子光学基础研究方面的贡献和设计出第一台电子显微镜.”Ruska-1928-1930用磁透镜将金属网放大13倍实现电子显微成像。(柏林高工)1930-1933与VonBorries制造了第一台电子显微镜。(西门子)M.RÜdenberg-1931.5.28向德、法、英等国申请电子显微镜专利(凭理论推测),1932年12月和1936年10月获得法、英的批准,1953年获得西德的批准。电子显微镜一词首先出现在RÜdenberg的专利中1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的点阵平面条纹像(1纳米)。1967年Allpress和Sanders得到分辨率为0.7纳米的氧化物的像。1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属原子的分布(~0.3纳米),标志高分辨像与晶体结构对应关系的产生。电子显微镜分辨率•50nm—第一台电镜•10nm—第一台商品电镜•0.3nm—高压电镜•目前最好:0.1nm•理论上:0.001nm电子显微镜家族•检测透射电子信号—透射电镜•检测二次电子、背散射电子、吸收电子信号特征X-射线—扫描电镜•检测特征X-射线—电子探针•检测俄歇电子信号—俄歇电子能谱•扫描隧道显微镜•原子力显微镜•……照明源和聚焦成像的方法不同。光学显微镜以可见光或紫外光为照明源,用玻璃透镜聚焦成像;电子显微镜以电子束为光源,用一定形状的静电场或磁场聚焦成像。光学显微镜与电子显微镜的区别光学显微镜与电子显微镜电子束与物质的相互作用电子显微镜基本原理弹性散射和非弹性散射当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时,由于受到固体物质中晶格位场和原子库仑场的作用,其入射方向会发生改变,这种现象称为散射。(1)弹性散射。如果在散射过程中入射电子只改变方向,但其总动能基本上无变化,则这种散射称为弹性散射。弹性散射的电子符合布拉格定律,携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息,在电子显微镜中用于分析材料的结构。(2)非弹性散射。如果在散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变,则这种散射称为非弹性散射。在非弹性散射情况下,入射电子会损失一部分能量,并伴有各种信息的产生。非弹性散射电子:损失了部分能量,方向也有微小变化。用于电子能量损失谱,提供成分和化学信息。也能用于特殊成像或衍射模式。辨明各种讯号以作晶体结构、微细组织、化学成份、化学键结和电子分布情况分析。(一)电子讯号,又可细分为:1.未散射电子(透射电子)(二)电磁波讯号,又可分为,1.X-光射线2.可见光透射电子:当样品足够薄时,入射电子能量足够穿透样品,即透过样品的入射电子。2.散射电子(包括弹性、非弹性反射和穿透电子及被吸收电子)3.激发电子(包括二次电子及俄歇电子(Augerelectron))电子显微镜主要用途入射电子束与样品的作用1透射电子当样品足够薄时,而入射电子能量足够高,有部分电子可以穿过样品,形成透射电子。作用:形貌、成分分析等2二次电子指被入射电子轰击出来,离开样品表面的样品的核外电子。作用:二次电子象主要反映样品表面的形貌特征注意二次电子信号强弱与原子序数没有明显依赖关系,所以它不能用于样品成分分析。3背散射电子指被样品中原子核反弹回来的逸出样品表面一部分入射电子,也叫反射电子。包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。作用:用于样品成分和形貌分析电子信号分类I4吸收电子指残存在样品中的入射电子作用:微区成分分析5特征X-射线如果入射电子能量足够高,将样品原子内层电子击出,其空位由其它能级电子填充,多余能量以X-射线形式发射出来。作用:样品成分分析(元素定性和定量)6俄歇电子与X-射线产生情况类似,当样品内层电子被击出后,由次高能级电子落下填充,多余能量如果不是以X-射线形式发射,而是用这部分能量将另外一层电子击出,这个被电离的电子称为俄歇电子。作用:样品成分分析(元素定性和定量)电子信号分类II将具有一定能量的细聚焦的电子束照射样品,通过与样品的相互作用激发出表征物质微观结构的各种信号,分别检测和处理这些信号并以图象形式固定,以确定样品的形貌、成分和结构。样品二次电子背散射电子特征X-射线俄歇电子入射电子束透射电子信号处理用途电子波信号形貌分析元素分析结晶分析化学态分析电磁性质二次电子透射电子背散射电子特征X-射线俄歇电子背散射电子背散射电子二次电子透射电子俄歇电子特征X-射线背散射电子二次电子透射电子吸收电子电子波信号提供信息电子显微镜选择检测透射电子信号透射电子显微镜检测二次电子信号扫描电子显微镜检测特征X射线电子信号电子探针X射线显微分析仪检测俄歇电子信号俄歇电子能谱仪说明:均属于表面分析仪扫描电子显微镜ScanningElectronMicroscopeSEM简介SEM原理ISEM原理IISEM示意图SEM检测原理SEM中的三种主要信号背散射电子:入射电子在样品中经散射后再从上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、不同平均原子量的区域差别。二次电子:由样品中原子外壳层释放出来,在扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。X射线:入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。SEM中的三种主要信号各种信号的深度和区域大小可以产生信号的区域称为有效作用区,有效作用区的最深处为电子有效作用深度。但在有效作用区内的信号并不一定都能逸出材料表面、成为有效的可供采集的信号。这是因为各种信号的能量不同,样品对不同信号的吸收和散射也不同。随着信号的有效作用深度增加,作用区的范围增加,信号产生的空间范围也增加,这对于信号的空间分辨率是不利的。其他信号俄歇电子:入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时,多余能量转移给外层电子,使外层电子挣脱原子核的束缚,成为俄歇电子。透射电子:电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息,用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像,以揭示样品内部微观结构的形貌特征。扫描电子显微镜的构造电子光学系统信号收集及显示系统真空系统和电源系统电子光学系统由电子枪,电磁透镜,扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束,作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率,扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径电子枪信号收集及显示系统检测样品在入射电子作用下产生的物理信号,然后经视频放大作为显像系统的调制信号。普遍使用的是电子检测器,它由闪烁体,光导管和光电倍增器所组成真空系统和电源系统真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作,防止样品污染提供高的真空度,一般情况下要求保持10-4-10-5Torr的真空度。电源系统由稳压,稳流及相应的安全保护电路所组成,其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。1分辨率扫描电镜分辨率与与所检测信号有关.通常以二次电子信号分辨率作为扫描电镜分辨率各种信号成像(nm)。主要性能指标2放大倍数20-80万倍,连续可调3图象景深富有立体感信号二次电子俄歇电子背散射电子特征X射线吸收电子分辨率5~105~1050~200100~1000100~1000各种信号成象分辨率(nm)分辨率对微区成分分析而言,它是指能分析的最小区域;对成像而言,它是指能分辨两点之间的最小距离。入射电子束束斑直径入射电子束在样品中的扩展效应成像方式及所用的调制信号二次电子像的分辨率约为5-10nm,背反射电子像的分辨率约为50-200nm。X射线的深度和广度都远较背反射电子的发射范围大,所以X射线图像的分辨率远低于二次电子像和背反射电子像。景深景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍,比透射电镜的景深大10倍。ccMtgmmtgdF02.00d0临界分辨本领,电子束的入射角cSEM特点适用于粗糙表面和断口的分析观察。SEM特点SEM特点SEM特点特点可作综合分析SEM装上波长色散X射线谱仪(WDX)或者能量色散谱仪(EDX)后,在观察形貌图像的同时,还可以对试样微区进行元素分析装上半导体样品座附件,可以直接观察晶体管和集成电路的p-n结及器件失效部位的情况。装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境(加热冷却拉伸等)的试样显微结构形态的动态变化过程。背散射电子衍射可以揭示样品的晶体结构和取向扫描电镜的优点高的分辨率。由于超高真空技术的发展,场发射电子枪的应用得到普及,现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1纳米左右。有较高的放大倍数,20-20万倍之间连续可调;有很大的景深,视野大,成像富有立体感,可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构试样制备简单。配有X射线能谱仪装置,这样可以同时进行显微组织性