材料分析方法课程论文 hjg.docVIP

2012 年 春 季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目 : 材料分析方法 学生所在院（系） : 材料学院 学生所在学科 : 学 生 姓 名 : hjg 学 号 : 学 生 类 别 : 非定向 考核结果 扫描电子显微技术 电子显微技术是显微技术的一个重要分支，是一门现代化的显微科学。显微技术的核心是显示肉眼所不能直接看到的物质的手段问题。光学显微镜种类繁多，如生物显微镜、偏光显微镜等。然而光学显微镜的分辨率最高只能达到200nm，有效放大倍率为1000-2000倍。如果要研究无机化合物的结构信息，即研究分子、原子级别的结构，光学显微镜显然是无能为力的。科学总是在需求中得到不断的发展，对于分子、原子物质的强烈探知欲望促使了科学家们发明了电子显微镜，简称电镜（electron microscopy, EM）它是利用电子束对样品放大成像的一种显微镜，包括扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）和透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)两大类型，其分辨率最高达到0.01nm，放大倍率高达80万-100万倍。借助这种电镜我们能直接看到物质的超微结构。 1. 扫描电子显微镜发展背景 分辨率是指仪器能清晰的分辨两个特征点之间的最小距离。 ?=h??Nsin?， h=0.61, N为物质间介质的折射系数，?为入射光束孔径角的一半???。以香柏油作为浸没油，??????；代入公式得： ??（???????）?（????）???????????????????。?与粒子运动速度v、粒子质量m之间存在以下关系： ??h/mv 电子在真空中运动速度与加速电压有关，根据能量守恒定律: 1/2mv2=eV V为加速电压。将之代入前面公式可以得出电子波长与电压的关系： ?=1.225/V0.5 (nm) 可以看出电子波长与加速电压平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。 加速电压（KV) 1 10 20 60 100 电子波长 ( ? ） 0.39 0.12 0.09 0.05 0.04 可以看出当加速电压增加后，电子波长变得很小，这就为电镜的高分辨率打下了基础。 2 SEM工作原理和结构 2.1 工作原理 扫描电子显微镜的工作原理如下图所示。由电子枪发射出来的电子束在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径5nm的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间的偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，电子和样品相互作用，产生信号电子。这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。扫描电子显微镜的工作原理与光学显微镜或透射电子显微镜不同：在光学显微镜和投射电镜下，全部图像一次显示，是静态的；而扫描电子显微镜测试来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面动态的形成三维图像。 图1. 扫描电子显微镜工作原理 2.2 SEM结构 2.2.1电子光学系统 电子光学系统主要包括电子枪、电磁透镜（聚光镜）、扫描系统、光阑 图2 透射电镜结构图 2.2.1.1电子枪 电子枪是一个形成电子束的稳定电子源。其类型有：热阴极发射型，如LaB6 电子枪、W阴极型电子枪；场致发射型，如冷场发射电子枪、热场发射电子枪等。 热发射电子枪的工作过程：在热发射过程中，灯丝电流加热灯丝，达到足够高的温度，这使灯丝中的电子获得能量。当获得的能量足以克服阴极材料的功函数时，电子就从阴极中逸出。 场发射电子枪：场发射电子枪阴极为杆状，在其一端有一锋利的尖点（10nm）。当阴极相对于阳极为负电位时，利用曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场，电子能够直接依靠“隧道”穿过势垒，逸出阴极。 2.2.1.2电磁透镜 产生旋转对称、非均匀磁场的装置。电子射线在磁场作用下会改变前进的方向。当点在束通过空心的强力电磁圈时，就像光线通过玻璃透镜那样发生折射而聚焦。 图3. 电子在旋转对称、非均匀旋转对称磁场力作用下作圆锥螺旋运动，形成聚焦。 聚光镜与物镜的作用： (a) 聚光镜与物镜将电子枪发出的电子束斑上所形成的像缩小成照射到样品上的最终电子束斑； (b) 聚光镜、物镜、物镜光阑的联合作用决定最终电子束斑电流； (c) 物镜、物镜光阑的联合作用决定最终电子束斑尺寸。 2.2.1.3 扫描系统 扫描系统由扫描信号发生器、两组偏转线