扫描电子显微镜的应用

扫描电子显微镜的应用

项目二 扫描电子显微镜的应用

I、项目简介

目前扫描电子显微镜的应用几乎渗透到各个领域，而应用最多的是冶金、矿

物、半导体材料、生物医学、物理、化学等学科。KYKY-1000B扫描电子显微镜

在电子光学、样品室、电子探测和显示系统方面集中了许多现代电镜设计中的优

点，操作容易，维护方便。通过对KYKY-1000B扫描电子显微镜的研究，掌握

和了解扫描电子显微镜的工作原理，结构及其操作，为学生今后使用这一类型设

备打下良好的基础。

[项目对象]

本项目主要面向理、工、农、林各专业。

[项目目的]

1．理解扫描电子显微镜的工作原理及其优点。

2．理解扫描电子显微镜的内部构造。

3．掌握扫描电子显微镜的基本操作。

[项目任务]

1．了解扫描电子显微镜的各个部件的功能。

2．熟练操作扫描电子显微镜，并进行样品扫描观察。

3．使用扫描电子显微镜进行样品照片拍摄。

4、冲洗、放大照片。

[项目成果要求]

对样品进行扫描并冲洗、放大样品的扫描照片。最后总结并撰写项目论文

完成该项目（论文含实验成果——扫描照片）。

扫描电子显微镜的应用

II、实验讲义

扫描电子显微镜早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的

扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。经过各国科学工

作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到1956年开始生产商品扫描电镜。

近数十年来，扫描电子显微镜已广泛地应用在冶金、矿物、半导体材料、生物医学、物理、

化学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

一、项目任务

根据KYKY-1000扫描电子显微镜的工作原理扫描样品，观察样品表面并进行拍摄，最后冲

洗放大所得扫描照片。

二、实验仪器

KYKY-1000B 型扫描电子显微镜系统，包括镜筒、电子信号的收集与处理系统、电子信号的

显示与记录系统、真空系统及电源系统。

三、实验原理

（一）扫描电子显微镜的特点

和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特点：

1、 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。

2、样品制备过程简单，不用切成薄片。

3、 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。

4、 景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十

倍。

5、 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放

大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达

3nm。

6、 电子束对样品的损伤与污染程度较小。

7、 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。

（二）扫描电子显微镜的结构

扫描电子显微镜的应用

图一为KYKY-1000B型扫描电子显微镜，它的结构如

下：

1、镜筒

镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。其作用是

产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在

样品表面扫描，同时激发出各种信号。

2、电子信号的收集与处理系统

在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多

种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸 收电子、俄歇(Auger)电子等。在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激

发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至

几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。通常所说的扫描电镜像指的就是

二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。检测二次电子的检测器(图15(2)

的探头是一个闪烁体，当电子打到闪烁体上时，1就在其中产生光，这种光被光导管传送到

光电倍增管，光信号即被转变成电流信号，再经前置放大及视频放大，电流信号转变成电压

信号，最后被送到显像管的栅极。

3、电子信号的显示与记录系统

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，是长余辉的管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是短余辉的

管子。

4、真空系统及电源系统

扫描电镜的真空系统由机械泵与油扩散泵组成，其作用是使镜筒内达到 10(4～10(5托的真

空度。电源系统供给各部件所需的特定的电源。

（三）扫描电子显微镜的成象原理

扫描电子显微镜主要用二次电子观察形貌，成像原理如图二所示。在扫描电镜中，电子枪

发射出来的电子束，经三个电磁透镜聚焦后，成直径为几个纳米的电子束。末级透镜上部的

扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，

信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分和晶体取向。设在试样附近的探测器把

激发出的电子信号接受下来，经信号处理放大系统后，输送到显象管栅极以调制显象管的亮

度。由于显象管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的，显象管上各点的亮度是由试

样图一、KYKY-1000B型扫描电子显微镜

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上各点激发出的电子信号强度来调制的，即由试样表面上任一点所收集来的信号强度与显象管屏上相应点亮度之间是一一对应的。由于二次电子产生的多少与电子束入射角度及样品表面的起伏有关，所以在荧光屏上会得到样品表面形貌的立体图像。例如，样品高处激发出的二次电子可以毫无阻挡地到达检测器，所以信号强、图象亮，低处激发出的二次电子由于受到高处样品的阻挡，信号弱，图象暗。离检测器近的样品激发的二次电子信号强，离的远的样品激发的二次电子途中受到损耗，信号弱。因此，试样各点状态不同，显象管各点相应的亮度也必不同，由此得到的象一定是试样状态的反映。值得强调的是，入射电子束在试样表面上是逐点扫描的，象是逐点记录的，因此试样各点所激发出来的各种信号都可选录出来，并可同时在相邻的几个显象管上显示出来，这给试样综合分析带来极大的方便。

四、实验内容

（一）按照以下扫描电子显微镜的操作规程进行开机运作

任选以下一种开机方法进行开机

1、手动开机操作步骤： 图二、扫描电镜成象原理图

（1） 开总电源→开压缩机→开机械泵→开变压器→通水→开电器柜后面的仪器总开关；

（2） 开真空电源（主机控制台），并置自动、手动开关于手动位置（主机背后）；

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（3） 打开V2（on）测量档在FORELNE档，表头指示到兰区；

（4） 开扩散泵D.P(on)，加热30分钟，有液氮冷阱的可加液氮；

（5）

（6） 加热时间到后，关V2,开V3，抽样品室低真空，表头指到兰区（Manifold档）； 再开V4，抽电子枪低真空，表头指到兰区（Manifold挡）；关V3，开V2，开V5，系统进入抽高真空状态。

2、自动开机操作步骤：

（7）

（8）

（9） 开电源（机械泵、压缩机、变压器及仪器总电源）； 开真空电源，并按一下“STAND BY”准备开关，此时红灯亮； 将主机背后真空控制板上的自动、手动开关置于AUTO自动状态，这时只有V2和 D.P（扩散泵电炉加热）开始工作（灯亮）；

（10） 30分钟以后，再按一下“STAND BY”（灯灭），这时V2、D.P、V5、V4全部打开，系统自动进入高真空状态；

（11） 在系统进入抽高真空以后，真空表头开关无论放在“MANIFOLD”档，还是“FORELINE”档，指针都指示在兰区，基本接近到1µ

（12） （到头）。如果置高真空位置，表头指示到绿区，指示高真空度。一般观察表头指示到兰区1µ左右，即可开始工作；

（二）、进行样品扫描及观察并拍摄样品的扫描照片

1、按下电器柜面板上的电源开关，检查各旋钮位置，

2、拉开镜筒隔离阀V1

3、选择适当的加速电压和放大倍数

4、顺时针调节亮度和对比度旋钮

5、给钨灯丝缓慢加热

6、在饱和点处进行图象扫描、观察扫描图象，调节出最理想、最清晰的图象

7、调节好参数进行样品扫描图象拍摄

8、进入暗房冲洗和放大扫描所得照片

（三）扫描结束后按照以下扫描电子显微镜的操作规程进行关机运作

首先先将电器柜上所有旋钮还原，然后任选以下一种关机方法进行关机

1、手动关机操作步骤：

关V1、V5、V4→关扩散泵，冷却30分钟后，关V2→关真空电源→关机械泵→关压缩

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机→关电器柜总电源→关水；

2、自动关机操作步骤：

关V1，按一下“STAND BY”开关（灯亮），此时V5、V4关闭（只有V2和D.P开着）； 将主机背后真空控制板上的自动、手动开关置于手动，打V2(on)，其余开关都是关（off）, 这时D.P（扩散泵电炉）关，只有V2开着继续抽扩散泵前级的低真空；

30分钟后，将电源都关上，水也关上；

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