一. 扫描电镜基本原理
Ø是以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦高能电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。
Ø早在1935年，德国的Knoll就提出了
扫描电镜的工作原理。
Ø1938年，Von Ardenne 开始进行实验研究。
Ø1942年，Zworykin、Hill 制成了第一台实验室用的扫描电镜，但真正作为商品，那是1965年的事。
Ø70年代开始，扫描电镜的性能突然提高很多，其分辨率优于20nm，才广泛地被应用。
1、扫描电镜的构造和工作原理（1）
扫描电镜构造：
1. ）电子光学系统；
2.） 信号收集处理、图像显示和记录系统；
3.） 真空系统；
4.） 电气系统 四个基本部分组成。
扫描电镜结构原理方框图
2、 扫描电镜的构造和工作原理（2）
基本工作原理：
通过对电子枪内的钨灯丝加-20KV的高电压，使电子枪处于热激发状态，在阳极的作用下，处于热激发状态的电子枪就可以激发出电子束，这个电子束就是光源。但是刚刚激发出的电子束束斑比较粗，大概7-10微米左右，不利于清晰成像，因此，有必要对该电子束进行细化，这就是要在样品与电子枪之间加3级“聚光镜”，我们这里的“聚光镜”不是光学中应用的棱镜，而是一对对的电磁透镜，因为，在真空状态下，磁场中高速运行的电子束会发生偏转，我们利用这个原理对电子束进行“聚焦”约束。三个电磁透镜中的前两个是强磁透镜，可起到把电子束光斑缩小的作用，而第三个非对称磁场为弱磁透镜，它起到的作用是延长焦距。布置这个末级透镜（习惯上成为物镜）的目的在于使样品和透镜之间留有一定的空间，以便装入各种信号探测器。扫描电子显微镜中照射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元尺寸越小，相应的分辨率就越高。采用普通的热阴极电子枪时，扫描电子束的束径可达到6nm左右。若采用六硼化镧阴极和场发射电子枪，电子束束径可进一步缩小。在扫描线圈作用下，在样品表面扫 描，激发出各种物理信号， 其强度随样品表面特征而变 化。通过检测器检测信号， 并经放大，调制图像。
3、电子与固体作用产生的信号
背散射电子：入射电子束被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。
被入射电子束激发出的二次电子数量和原子序数没有明显的关系，但是二次电子对微区表面的几何形状十分敏感。上图说明了样品表面和电子束相对位置与二次电子产额之间的关系。入射束与样品表面法线相平行时，即图中a），二次电子的产额最少。若样品倾斜了45度，则电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加了1.414倍，入射电子激发表面的二次电子数量增多（黑色区域）。同理，样品倾斜了60度，则有效深度增加了2倍，产生的二次电子数量进一步增加。
5、成像原理、信号采集及应用（2）
二次电子形貌衬度的形成原理：
样品表面倾斜度越小，二次电子产额越少，亮度越低，反之，样品表面倾斜度越大，二次电子产额越多，亮度越若样品上：
1. B 面的倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低。
2. A 面倾斜度次之，亮度为灰色。
3. C 面倾斜度最大，亮度也最大。
根据上述原理图画出的二次电子形貌衬度示意图
6、扫描电子显微镜成像原理、信号采集及应用（3）
电子检测器：它由闪烁体、光电管、光电倍增器组成。
电子检测器工作原理：当电子信号进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光；可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。
电子检测器
闪烁体接收端蒸镀几十nm厚的铝膜，既可作反光层，屏蔽杂散光的干扰，又可作高压电极，并加 6～10kV 正高压，以吸引和加速进入栅网的电子，另一端与光导管连接。
7、成像原理、信号采集及应用（4）
背散射电子原子序数衬度原理：背散射电子的信号既可以进行形貌的分析，也可以用于成分的分析。在进行晶体结构分析时，背散射电子信号的强弱是造成通道花样衬度的原因。下图显示出了原子序数对背散射电子产生额的影响。在原子序数Z小于40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。在进行分析时，样品中原子序数较高的区域中由于收集到的背散射电子的数量较多，故荧光屏上的图像较亮。
Z和背散射电子产额之间的关系
因此，随着原子序数Z的增大，背散射电子产生的数额越多。故荧光屏上的图像较亮。
利用原子序数造成的衬度变化可以对各种金属和合金进行定 性的成分分析。
重元素区域：图像上是亮区；
轻元素区域：图像上是暗区。
用背散射电子进行成分分析时，为了避免形貌程度对原子序数衬度的干扰，背分析样品只进行抛光，不进行腐蚀。
8、成像原理、信号采集及应用（5）
背散射电子检测器的成像原理：
A、B：表示一对半导体硅检测器。
a）如果一成分不均匀但是表面抛光平整的样品做成分分析时，若把A和B信号相加，A、B两检测器收集到的信号大小是相同的，得到的是信号放大一倍的成分像；若把A和B信号相减，则成一条水平线，表示抛光表面的形貌像。
b）是均一成分但是表面有起伏的样品进行形貌分析时的情况。例如，分析图中的C点，C点位于检测器A的正面，使A收集到的信号较强，但是C点背向检测器B，使B点收集到的信号较弱，若把A和B信号相加，则二者正好抵消，这就是成分像，若把二者相减，信号放大就成了形貌像。如果待分析的样品成分即不均匀，表面也不光滑，仍然是A、B信号相加是成分像，相减是形貌像。
9、扫描电镜成像原理、信号采集及应用（6）
原子序数衬度 ：
对于分析不同种类的物相是十分有效的。
因为物相成分不同，所激发出的背散射电子数量也不同，使扫描电子显微镜图像上出现亮度上的差别。
