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      掃描電鏡:“動態”呈現三維圖像的科研利器

         掃描電鏡的電子放大倍數可由十幾倍連續變化到幾十萬倍。因此可以對樣品的整個表面進行比較仔細的觀察。

        掃描電鏡的根本原理是利用聚焦的很窄的高能電子束來掃描樣品, 通過光束與物質間的相互作用, 來激發各種物理信息, 對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質微觀形貌表征和觀察。

      掃描電鏡

        掃描電鏡的工作原理與光學顯微鏡或透射電鏡不同,在光學顯微鏡和透射電鏡下,全部圖像一次顯出,是“靜態”的;而掃描電鏡則是把來自二次電子的圖像信號作為時像信號,將一點一點的畫面“動態”地形成三維的圖像,是研究三維表層構造的有利工具。

      掃描電子顯微鏡

      蔡司掃描電鏡

        ▎掃描成像過程

        1、電子槍發射電子束

        在高真空的鏡筒中,在加速電壓的作用下,由電子槍發射出來的電子束(直徑50pm)經過電磁透鏡系統加速會聚,形成直徑為5 nm的細電子束,聚焦在樣品表面上。

        2、電子束在樣品上做光柵狀掃描

        在第二聚光鏡和物鏡之間的偏轉線圈的作用下,電子束在樣品上做光柵狀掃描,即在樣品表面逐點掃描轟擊。

        (1)樣品信號電子與轟擊的電子束相互作用:

        入射電子束與樣品原子核或核外電子發生多種相互作用,而被散射,引起電子束的運動方向或能量(或兩者同時)發生變化,從而產生各種反映樣品特征的信號。這些信號包括二次電子、背反射電子、透射電子、吸收電子、俄歇電子、電子電動勢、陰極銀光、X射線等,這些信號能夠表征固體表面或內部的某些物理或化學性質。他們是各類電子束顯微分析的物理基礎。

        電子束轟擊固體樣品時發生的各種信號和深度

        電子與樣品的相互作用過程可分為彈性散射和非彈性散射過程兩類。彈性散射與非彈性散射過程是同時發生的,前者使束電子偏離原來運動方向,后者使電子能量逐漸減少直至被樣品全部吸收,因此限制了電子束的擴散范圍,電子束的能量完全沉積在擴散區內,同時產生大量可檢測的二次輻射,這個區域稱為相互作用區。

        相互作用區可以通過試驗直接觀察或由Monte Calro計算得到。通常,電子束能量越強,電子入射深度越深,相互作用越大(圖1)。樣品的原子序數越大,電子束在每走過單位距離所經受的彈性散射事件越多,其平均散射角度大,在樣品中的穿透深度越淺(圖2)。

        (2)探測器與放大器處理樣品信號電子

        信號電子經探測器收集并轉換為光子,再通過電信號放大器加以放大處理,輸入由顯像管柵極控制的顯像管,放大器能夠調制熒光屏的亮度,電子束打到試樣上一點時,在熒光屏上就有一亮點與之對應,其亮度與激發后的電子能量成正比。

        換言之,掃描電鏡是采用逐點成像的圖像分解法進行的。光點成像的順序是從左上方開始到右下方,直到最後一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幀圖像,最終成像在顯示系統上。

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