扫瞄式电子显微镜扫瞄式电子显微镜

SScanningcanningEElectronlectronMMicroscopy(SEM)icroscopy(SEM)掃瞄式電子顯微鏡掃瞄式電子顯微鏡(Allthecontentsinthisfilearesolelyforeducationalpurpose)SEMSEM的歷史的歷史„„15901590年發明世上最早的顯微鏡。年發明世上最早的顯微鏡。„„1717世紀發明了光學顯微鏡。世紀發明了光學顯微鏡。„„1818世紀藉助顯微鏡發現細胞。但光學顯微鏡的放世紀藉助顯微鏡發現細胞。但光學顯微鏡的放大倍率，受限於可見光的「波長」，當被觀察的大倍率，受限於可見光的「波長」，當被觀察的物體比可見光的波長還要小時，鑑別率較低。物體比可見光的波長還要小時，鑑別率較低。„„19321932年德國的年德國的BrucheBruche和和JohannsonJohannson製作出第一部電製作出第一部電場型穿透式電子顯微鏡場型穿透式電子顯微鏡((transmissionelectrontransmissionelectronmicroscope,TEM)microscope,TEM)。。„„19341934年年RuskaRuska在實驗室製作第一部在實驗室製作第一部磁場型磁場型穿透式電穿透式電子顯微鏡子顯微鏡。。„„19381938年，第一部商業發售的電子顯微鏡問世。年，第一部商業發售的電子顯微鏡問世。„„掃描式電子顯微鏡掃描式電子顯微鏡((scanningelectronscanningelectronmicroscope,SEM)microscope,SEM)原理的提出與發展，約與原理的提出與發展，約與TEMTEM同同時。但到時。但到19641964年，第一台商售年，第一台商售SEMSEM才問世。才問世。„„SEMSEM為研究物體表面結構及成份的利器，成像及操為研究物體表面結構及成份的利器，成像及操作均較作均較TEMTEM容易。容易。ErnstRuskaGerdBinnigHeinrichRohrer1/2oftheprize1/4oftheprize1/4oftheprizeFederalRepublicofGermanyFederalRepublicofGermanySwitzerlandFritz-Haber-InstitutderMax-Planck-GesellschaftBerlin,FederalRepublicofGermanyIBMZurichResearchLaboratoryRüschlikon,SwitzerlandIBMZurichResearchLaboratoryRüschlikon,Switzerlandb.1906d.1988b.1947b.1933forhisfundamentalworkinelectronoptics,andforthedesignofthefirstelectronmicroscopefortheirdesignofthescanningtunnelingmicroscopeTheNobelPrizeinPhysics1986TheNobelPrizeinPhysics1986電子顯微鏡依照其操作方式及偵測方式的不同，可分為兩種：電子顯微鏡依照其操作方式及偵測方式的不同，可分為兩種：(1)掃瞄式電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope，或SEM)電子束電子束在試片表面在試片表面作掃瞄動作，產生信號而成像。作掃瞄動作，產生信號而成像。適用於研究物體適用於研究物體表面表面結構，例如金屬或非金屬材料的磨損面或塗層結構。結構，例如金屬或非金屬材料的磨損面或塗層結構。(2)穿透式電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope，或TEM)電子束電子束穿透試片穿透試片，產生信號而成像。，產生信號而成像。適用於物體適用於物體內部內部微觀組織的觀察，晶體結構的測定以及生物組織的觀察微觀組織的觀察，晶體結構的測定以及生物組織的觀察。。SEMv.sTEMSEMv.sTEM為何使用電子顯微鏡為何使用電子顯微鏡（（ElectronMicroscope,EMElectronMicroscope,EM））•為達到接近奈米的解析度，最適合使用的光源就是Ｘ光。•但是製作能使Ｘ光聚焦的鏡片並不容易。•而電子具有波動性，且電子束的波長比可見光波長短很多。例：電子束加速電壓為7.5萬伏特時，其物質波長約為0.2nm。•因此以電子束作為光源，造就了電子顯微鏡的時代。•EM主要原理與傳統光學顯微鏡類似，但是以電子束取代了光波，電磁鏡片取代了玻璃鏡片。SEMSEM和光學顯微鏡的差異和光學顯微鏡的差異„„電子顯微鏡和光學顯微鏡最大的不同，在於光學顯微鏡以電子顯微鏡和光學顯微鏡最大的不同，在於光學顯微鏡以「可見光」為光源，由「可見光」為光源，由透鏡組透鏡組將影像放大。而電子顯微鏡將影像放大。而電子顯微鏡則以「電子束」為來源，由則以「電子束」為來源，由磁場磁場做為「透鏡」來「折射」做為「透鏡」來「折射」電子束。電子束。„„當物體比可見光的波長還要小時，光學顯微鏡便無法使用。當物體比可見光的波長還要小時，光學顯微鏡便無法使用。電子顯微鏡則利用高能量射出波長較短的電子波，因此放電子顯微鏡則利用高能量射出波長較短的電子波，因此放大倍率大大提高。大倍率大大提高。„„光學顯微鏡以可見光為介質，電子顯微鏡以電子束為介質。光學顯微鏡以可見光為介質，電子顯微鏡以電子束為介質。由於電子束波長遠較可見光小，故電子顯微鏡解析度遠比由於電子束波長遠較可見光小，故電子顯微鏡解析度遠比光學顯微鏡高。光學顯微鏡放大倍率最高只有約光學顯微鏡高。光學顯微鏡放大倍率最高只有約15001500倍，倍，掃描式顯微鏡可放大到掃描式顯微鏡可放大到1000010000倍以上。倍以上。„„光學顯微鏡的儀器裝置簡便，其成像原理是利用光學顯微鏡的儀器裝置簡便，其成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形成不同的對比。成不同的對比。„„可見光的波長高達可見光的波長高達4000~70004000~7000ÅÅ，，解析度解析度((或謂鑑別率、解像能，係指兩點能被分辨的最近或謂鑑別率、解像能，係指兩點能被分辨的最近距離距離))較電子顯微鏡差較電子顯微鏡差。。光學顯微鏡之圖示光學顯微鏡之圖示SEMSEM的原理的原理„„電子顯微鏡主要是利用高加速電壓之入射電電子顯微鏡主要是利用高加速電壓之入射電子束轟擊在試片後，產生相關二次訊號來分子束轟擊在試片後，產生相關二次訊號來分析各種特性（一般的二次訊號包括二次電子、析各種特性（一般的二次訊號包括二次電子、背向散射電子、背向散射電子、AugerAuger電子及電子及XX射等），再經射等），再經過放大訊號，就是呈現在眼前的三度空間影過放大訊號，就是呈現在眼前的三度空間影像。像。SEMSEM成像機制成像機制„„由電子槍由電子槍((electrongun)electrongun)發射電子束。發射電子束。„„經過一組聚焦透鏡經過一組聚焦透鏡((condenserlens)condenserlens)聚焦。聚焦。„„利用遮蔽孔徑利用遮蔽孔徑((condenseraperture)condenseraperture)來選擇電子束來選擇電子束的尺寸的尺寸((beamsize)beamsize)。。„„通過一組掃描線圈通過一組掃描線圈((scanningcoil)scanningcoil)來控制電子束來控制電子束的的偏折方向。。„„再透過物鏡再透過物鏡((objectivelens)objectivelens)聚焦，打在試片上。聚焦，打在試片上。„„在試片的上側裝有訊號接收器，用以擇取在試片的上側裝有訊號接收器，用以擇取二次電子二次電子((secondaryelectron)secondaryelectron)或或背向散射電子背向散射電子((backscatteredelectron)backscatteredelectron)來成像。來成像。二次電子二次電子vs.vs.背向散射背向散射電子電子„„二次電子二次電子::屬低能量電子，對試片表面敏感，能有效表現試片之微觀屬低能量電子，對試片表面敏感，能有效表現試片之微觀形貌特徵。形貌特徵。„„背向散射電子背向散射電子::(1)(1)為入射電子為入射電子((一次電子一次電子))在試片內，受原子核散射作用，在試片內，受原子核散射作用，形成大角度散射之後，再逸出表面的電子。形成大角度散射之後，再逸出表面的電子。(2)(2)由於其在試片內散射過程中並無太大之能量損失，故由於其在試片內散射過程中並無太大之能量損失，故屬於高能量之電子。屬於高能量之電子。(3)(3)背向散射電子之背向散射電子之強度強度隨試片組成元素之隨試片組成元素之原子序原子序增加而增加而增大，故能充份用以觀測不同元素之組成及成份元素分佈增大，故能充份用以觀測不同元素之組成及成份元素分佈情形。情形。((ηηvs.vs.ZZ))鹽的結晶鹽的結晶((二次電子影像二次電子影像))玄武岩玄武岩((背向電子影像背向電子影像))由電子槍由電子槍((ElectronGun)ElectronGun)發射電子束發射電子束，經過一組聚焦磁，經過一組聚焦磁透鏡透鏡((CondenserCondenserLens)Lens)聚焦後聚焦後用遮蔽孔徑用遮蔽孔徑((CondenserCondenserAperture)Aperture)選擇電子選擇電子束的尺寸束的尺寸((BeamBeamSize)Size)通過一組控制通過一組控制電子束的掃描電子束的掃描線圈線圈((ScanningScanningCoils)Coils)，，再透再透過物鏡過物鏡((ObjectiveObjectiveLens)Lens)聚焦，聚焦，打在試片上打在試片上試片的上側裝有訊號接試片的上側裝有訊號接收器，用以擇取二次電收器，用以擇取二次電子子((SecondaryElectron)SecondaryElectron)或背向散射電子或背向散射電子((BackscatteredBackscatteredElectron)Electron)成像。成像。電磁聚焦透鏡電磁聚焦透鏡電磁透鏡電磁透鏡是由環繞在電子束外的電磁線圈組成，可產生對稱的電磁場，使得電子束縮小來達到聚焦的作用，故可利用磁埸的強度來控制焦距的長短，藉此來調整放大倍率及焦距。電子束樣品電子槍控制掃瞄方向線圈樣品偵測器掃瞄線圈掃瞄線圈掃瞄線圈是使用磁場的反覆變化來改變電子束的偏折方向，並使電子束在試片上作二度空間的掃瞄。„„球面像差球面像差（（SphericalAberration)SphericalAberration)„„色像差色像差（（ChromaticAberrationChromaticAberration））„„繞射像差繞射像差（（DiffractionAberration)DiffractionAberration)„„散光像差散光像差（（AstigmatismAstigmatism））像差像差((Aberration)Aberration)SEMSEM的基本構造的基本構造„„電子槍與電子透鏡系統。電子槍與電子透鏡系統。„„二次電子偵測器及影像系統。二次電子偵測器及影像系統。„„樣品樣品操作系統：操作系統：樣品樣品處理過後固定於平台上觀察。處理過後固定於平台上觀察。„„真空系統：利用幫浦來維持內部真空，目的在使電真空系統：利用幫浦來維持內部真空，目的在使電子在行進過程中避免和氣體分子碰撞，確保電子通子在行進過程中避免和氣體分子碰撞，確保電子通行無阻。並可以延長燈絲壽命，避免氧化。行無阻。並可以延長燈絲壽命，避免氧化。電子槍與電子透鏡系統電子槍與電子透鏡系統„„