46個(gè)電鏡知識點(diǎn)

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01
光學(xué)顯微鏡以可見光為介質(zhì)，電子顯微鏡以電子束為介質(zhì)，由于電子束波長遠(yuǎn)較可見光小，故電子顯微鏡分辨率遠(yuǎn)比光學(xué)顯微鏡高。光學(xué)顯微鏡放大倍率最高只有約1500倍，掃描式顯微鏡可放大到10000倍以上。

02
根據(jù)de Broglie波動理論，電子的波長僅與加速電壓有關(guān)：
λe＝h / mv＝ h / (2qmV)1/2＝12.2 / (V)1/2 (?)
在 10 KV 的加速電壓之下，電子的波長僅為0.12?，遠(yuǎn)低于可見光的4000 - 7000?，所以電子顯微鏡分辨率自然比光學(xué)顯微鏡優(yōu)越許多，但是掃描式電子顯微鏡的電子束直徑大多在50-100?之間，電子與原子核的彈性散射 (Elastic Scattering) 與非彈性散射 (Inelastic Scattering) 的反應(yīng)體積又會比原有的電子束直徑增大，因此一般穿透式電子顯微鏡的分辨率比掃描式電子顯微鏡高。
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掃描式顯微鏡有一重要特色是具有超大的景深(depth of field)，約為光學(xué)顯微鏡的300倍，使得掃描式顯微鏡比光學(xué)顯微鏡更適合觀察表面起伏程度較大的樣品。
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掃描式電子顯微鏡，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)由上而下，由電子槍 (Electron Gun) 發(fā)射電子束，經(jīng)過一組磁透鏡聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔徑 (Condenser Aperture) 選擇電子束的尺寸(Beam Size)后，通過一組控制電子束的掃描線圈，再透過物鏡 (Objective Lens) 聚焦，打在樣品上，在樣品的上側(cè)裝有訊號接收器，用以擇取二次電子 (Secondary Electron) 或背向散射電子 (Backscattered Electron) 成像。
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電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的種類計(jì)有三種，鎢(W)燈絲、六硼化鑭(LaB6)燈絲、場發(fā)射 (Field Emission)，不同的燈絲在電子源大小、電流量、電流穩(wěn)定度及電子源壽命等均有差異。

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熱游離方式電子槍有鎢(W)燈絲及六硼化鑭(LaB6)燈絲兩種，它是利用高溫使電子具有足夠的能量去克服電子槍材料的功函數(shù)(work function)能障而逃離。對發(fā)射電流密度有重大影響的變量是溫度和功函數(shù)，但因操作電子槍時(shí)均希望能以最低的溫度來操作，以減少材料的揮發(fā)，所以在操作溫度不提高的狀況下，就需采用低功函數(shù)的材料來提高發(fā)射電流密度。
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價(jià)錢最便宜使用最普遍的是鎢燈絲，以熱游離 (Thermionization) 式來發(fā)射電子，電子能量散布為 2 eV，鎢的功函數(shù)約為4.5eV，鎢燈絲系一直徑約100μm，彎曲成V形的細(xì)線，操作溫度約2700K，電流密度為1.75A/cm2，在使用中燈絲的直徑隨著鎢絲的蒸發(fā)變小，使用壽命約為40~80小時(shí)。
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六硼化鑭(LaB6)燈絲的功函數(shù)為2.4eV，較鎢絲為低，因此同樣的電流密度，使用LaB6只要在1500K即可達(dá)到，而且亮度更高，因此使用壽命便比鎢絲高出許多，電子能量散布為 1 eV，比鎢絲要好。但因LaB6在加熱時(shí)活性很強(qiáng)，所以必須在較好的真空環(huán)境下操作，因此儀器的購置費(fèi)用較高。
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場發(fā)射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出 10 - 100 倍，同時(shí)電子能量散布僅為 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率掃描式電子顯微鏡都采用場發(fā)射式電子槍，其分辨率可高達(dá) 1nm 以下。
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場發(fā)射電子槍可細(xì)分成三種:冷場發(fā)射式(cold field emission , FE)，熱場發(fā)射式(thermal field emission ,TF)，及肖基發(fā)射式(Schottky emission ,SE)
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當(dāng)在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場時(shí)，會有可觀數(shù)量的電子發(fā)射出來，此過程叫做場發(fā)射，其原理是高電場使電子的電位障礙產(chǎn)生Schottky效應(yīng)，亦即使能障寬度變窄，高度變低，因此電子可直接"穿隧"通過此狹窄能障并離開陰極。場發(fā)射電子系從很尖銳的陰極尖端所發(fā)射出來，因此可得極細(xì)而又具高電流密度的電子束，其亮度可達(dá)熱游離電子槍的數(shù)百倍，或甚至千倍。
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場發(fā)射電子槍所選用的陰極材料必需是高強(qiáng)度材料，以能承受高電場所加諸在陰極尖端的高機(jī)械應(yīng)力，鎢即因高強(qiáng)度而成為較佳的陰極材料。場發(fā)射槍通常以上下一組陽極來產(chǎn)生吸取電子、聚焦、及加速電子等功能。利用陽極的特殊外形所產(chǎn)生的靜電場，能對電子產(chǎn)生聚焦效果，所以不再需要韋氏罩或柵極。第一(上)陽極主要是改變場發(fā)射的拔出電壓(extraction voltage)，以控制針尖場發(fā)射的電流強(qiáng)度，而第二(下)陽極主要是決定加速電壓，以將電子加速至所需要的能量。
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要從極細(xì)的鎢針尖場發(fā)射電子，金屬表面必需完全干凈，無任何外來材料的原子或分子在其表面，即使只有一個(gè)外來原子落在表面亦會降低電子的場發(fā)射，所以場發(fā)射電子槍必需保持超高真空度，來防止鎢陰極表面累積原子。由于超高真空設(shè)備價(jià)格極為高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否則較少采用場發(fā)射電子槍。
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冷場發(fā)射式最大的優(yōu)點(diǎn)為電子束直徑最小，亮度最高，因此影像分辨率最優(yōu)。能量散布最小，故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來氣體吸附，而降低場發(fā)射電流，并使發(fā)射電流不穩(wěn)定，冷場發(fā)射式電子槍必需在10-10 torr的真空度下操作，雖然如此，還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2500K(此過程叫做flashing)，以去除所吸附的氣體原子。它的另一缺點(diǎn)是發(fā)射的總電流最小。
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熱場發(fā)式電子槍是在1800K溫度下操作，避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面，所以免除了針尖flashing的需要。熱式能維持較佳的發(fā)射電流穩(wěn)定度，并能在較差的真空度下(10-9 torr)操作。雖然亮度與冷式相類似，但其電子能量散布卻比冷式大3~5倍，影像分辨率較差，通常較不常使用。
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肖基發(fā)射式的操作溫度為1800K，它系在鎢(100)單晶上鍍ZrO覆蓋層，ZrO將功函數(shù)從純鎢的4.5eV降至2.8eV，而外加高電場更使電位障壁變窄變低，使得電子很容易以熱能的方式跳過能障(并非穿隧效應(yīng))，逃出針尖表面，所需真空度約10-8~10-9torr。其發(fā)射電流穩(wěn)定度佳，而且發(fā)射的總電流也大。而其電子能量散布很小，僅稍遜于冷場發(fā)射式電子槍。其電子源直徑比冷式大，所以影像分辨率也比冷場發(fā)射式稍差一點(diǎn)。
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場發(fā)射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速電壓15kV時(shí)，分辨率可達(dá)到1nm，加速電壓1kV時(shí)，分辨率可達(dá)到2.2nm。一般鎢絲型的掃描式電子顯微鏡儀器上的放大倍率可到200000倍，實(shí)際操作時(shí)，大部份均在20000倍時(shí)影像便不清楚了，但如果樣品的表面形貌及導(dǎo)電度合適，最大倍率650000倍是可以達(dá)成的。
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由于對真空的要求較高，有些儀器在電子槍及磁透鏡部份配備了3組離子泵(ion pump)，在樣品室中，配置了2組擴(kuò)散泵(diffusion pump)，在機(jī)體外，以1組機(jī)械泵負(fù)責(zé)粗抽，所以有6組大小不同的真空泵來達(dá)成超高真空的要求，另外在樣品另有以液態(tài)氮冷卻的冷阱(cold trap)，協(xié)助保持樣品室的真空度。
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平時(shí)操作，若要將樣品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr)，則抽真空的時(shí)間將變長而降低儀器的便利性，更增加儀器購置成本，因此一些儀器設(shè)計(jì)了階段式真空(step vacuum)，亦即使電子槍、磁透鏡及樣品室的真空度依序降低，并分成三個(gè)部份來讀取真空計(jì)讀數(shù)，如此可將樣品保持在真空度10-5pa的環(huán)境下即可操作。平時(shí)待機(jī)或更換樣品時(shí)，為防止電子槍污染，皆使用真空閥(gun valve)將電子槍及磁透鏡部份與樣品室隔離，實(shí)際觀察時(shí)再打開使電子束通過而打擊到樣品。
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場發(fā)射式電子槍的電子產(chǎn)生率與真空度有密切的關(guān)系，其使用壽命也隨真空度變差而急劇縮短，因此在樣品制備上必須非常注意水氣，或固定用的碳膠或銀膠是否烤干，以免在觀察的過程中，真空陡然變差而影響燈絲壽命，甚至系統(tǒng)當(dāng)機(jī)。
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在電子顯微鏡中須考慮到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波長散布像差(即色散像差，chromatic aberration)。
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面像差為物鏡中主要缺陷，不易校正，因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大，其成像點(diǎn)較沿軸電子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透鏡為近。
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散光像差由透鏡磁場不對稱而來，使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點(diǎn)上。散光像差一般用散光像差補(bǔ)償器(stigmator)產(chǎn)生與散光像差大小相同、方向相反的像差校正，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補(bǔ)償器。
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光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于電子束通過小光圈電子束產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使用大光圈可以改善。
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色散像差(Chromatic aberration):因通過透鏡電子束能量差異，使得電子束聚焦后并不在同一點(diǎn)上。
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電子束和樣品作用體積(interaction volume)，作用體積約有數(shù)個(gè)微米(μm)深，其深度大過寬度而形狀類似梨子。此形狀乃源于彈性和非彈性碰撞的結(jié)果。低原子量的材料，非彈性碰撞較可能，電子較易穿進(jìn)材料內(nèi)部，較少向邊側(cè)碰撞，而形成梨子的頸部，當(dāng)穿透的電子喪失能量變成較低能量時(shí)，彈性碰撞較可能，結(jié)果電子行進(jìn)方向偏向側(cè)邊而形成較大的梨形區(qū)域。

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在固定電子能量時(shí)，作用體積和原子序成反比，乃因彈性碰撞之截面積和原子序成正比，以致電子較易偏離原來途徑而不能深入樣品。
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電子束能量越大，彈性碰撞截面積越小，電子行走路徑傾向直線而可深入樣品，作用體積變大。
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電子束和樣品的作用有兩類，一為彈性碰撞，幾乎沒有損失能量，另一為非彈性碰撞，入射電子束會將部份能量傳給樣品，而產(chǎn)生二次電子、背向散射電子、俄歇電子、X光、長波電磁放射、電子-空位對等。這些信號可供SEM運(yùn)用者有二次電子、背向散射電子、X光、陰極發(fā)光、吸收電子及電子束引起電流(EBIC)等。
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二次電子(Secondary Electrons)：電子束和樣品作用，可將傳導(dǎo)能帶(conduction band)的電子擊出，此即為二次電子，其能量約 < 50eV。由于是低能量電子，所以只有在距離樣品表面約50~500?深度范圍內(nèi)所產(chǎn)生之二次電子，才有機(jī)會逃離樣品表面而被偵測到。由于二次電子產(chǎn)生的數(shù)量，會受到樣品表面起伏狀況影響，所以二次電子影像可以觀察出樣品表面之形貌特征。
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背向散射電子(Backscattered Electrons)：入射電子與樣品子發(fā)生彈性碰撞，而逃離樣品表面的高能量電子，其動能等于或略小于入射電子的能量。背向散射電子產(chǎn)生的數(shù)量，會因樣品元素種類不同而有差異，樣品中平均原子序越高的區(qū)域，釋放出來的背向散射電子越多，背向散射電子影像也就越亮，因此背向散射電子影像有時(shí)又稱為原子序?qū)Ρ扔跋?。由于背向散射電子產(chǎn)生于距樣品表面約5000?的深度范圍內(nèi)，由于入射電子進(jìn)入樣品內(nèi)部較深，電子束已被散射開來，因此背向散射電子影像分辨率不及二次電子影像。
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X光：入射電子和樣品進(jìn)行非彈性碰撞可產(chǎn)生連續(xù)X光和特征X光，前者系入射電子減速所放出的連續(xù)光譜，形成背景決定最少分析之量，后者系特定能階間之能量差，可藉以分析成分元素。
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電子束引致電流(Electron-beam induced Current , EBIC)：當(dāng)一個(gè)p-n接面(Junction )經(jīng)電子束照射后，會產(chǎn)生過多的電子-空位對，這些載子擴(kuò)散時(shí)被p-n接面的電場收集，外加線路時(shí)即會產(chǎn)生電流。
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陰極發(fā)光(Cathodoluminescence)：當(dāng)電子束產(chǎn)生之電子-空位對再結(jié)合時(shí)，會放出各種波長電磁波，此為陰極發(fā)光(CL)，不同材料發(fā)出不同顏色之光。
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樣品電流(Specimen Current)：電子束射到樣品上時(shí)，一部份產(chǎn)生二次電子及背向散射電子，另一部份則留在樣品里，當(dāng)樣品接地時(shí)即產(chǎn)生樣品電流。
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電子偵測器有兩種，一種是閃爍計(jì)數(shù)器偵測器(Scintillator)，常用于偵測能量較低的二次電子，另一種是固態(tài)偵測器(solid state detector)，則用于偵測能量較高的反射電子。
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影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素:
A. 電子槍的種類:使用場發(fā)射、LaB6或鎢絲的電子槍。
B. 電磁透鏡的完美度。
C. 電磁透鏡的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lens
D. 樣品室的潔凈度: 避免粉塵、水氣、油氣等污染。
E. 操作條件: 加速電壓、工作電流、儀器調(diào)整、樣品處理、真空度。
F. 環(huán)境因素: 振動、磁場、噪音、接地。

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如何做好SEM的影像，一般由樣品的種類和所要的結(jié)果來決定觀察條件，調(diào)整適當(dāng)?shù)募铀匐妷?、工作距離 (WD)、適當(dāng)?shù)臉悠穬A斜，選擇適當(dāng)?shù)膫蓽y器、調(diào)整合適的電子束電流。
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一般來說，加速電壓提高，電子束波長越短，理論上，只考慮電子束直徑的大小，加速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電子束，因而提高分辨率，然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點(diǎn)：
A. 無法看到樣品表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。
B. 會出現(xiàn)不尋常的邊緣效應(yīng)。
C. 電荷累積的可能性增高。
D. 樣品損傷的可能性增高。
因此適當(dāng)?shù)募铀匐妷赫{(diào)整，才可獲得最清晰的影像。
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適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x的選擇，可以得到最好的影像。較短的工作距離，電子訊號接收較佳，可以得到較高的分辨率，但是景深縮短。較長的工作距離，分辨率較差，但是影像景深較長，表面起伏較大的樣品可得到較均勻清晰的影像。
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SEM樣品若為金屬或?qū)щ娦粤己茫瑒t表面不需任何處理，可直接觀察。若為非導(dǎo)體，則需鍍上一層金屬膜或碳膜協(xié)助樣品導(dǎo)電，膜層應(yīng)均勻無明顯特征，以避免干擾樣品表面。金屬膜較碳膜容易鍍，適用于SEM影像觀察，通常為Au或Au-Pd合金或Pt。
而碳膜較適于X光微區(qū)分析，主要是因?yàn)樘嫉脑有虻?，可以減少X光吸收。
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SEM樣品制備一般原則為:
   A. 顯露出所欲分析的位置。
   B. 表面導(dǎo)電性良好，需能排除電荷。
   C. 不得有松動的粉末或碎屑(以避免抽真空時(shí)粉末飛揚(yáng)污染鏡柱體)。
   D. 需耐熱，不得有熔融蒸發(fā)的現(xiàn)象。
   E. 不能含液狀或膠狀物質(zhì)，以免揮發(fā)。
   F. 非導(dǎo)體表面需鍍金(影像觀察)或鍍碳(成份分析)。
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鍍導(dǎo)電膜的選擇，在放大倍率低于1000倍時(shí)，可以鍍一層較厚的Au，以提高導(dǎo)電度。 放大倍率低于10000倍時(shí)，可以鍍一層Au來增加導(dǎo)電度。放大倍率低于100000倍時(shí)，可以鍍一層Pt或Au-Pd合金，在超過100000時(shí)，以鍍一層超薄的Pt或Cr膜較佳。
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電子束與樣品作用，當(dāng)內(nèi)層電子被擊出后，外層電子掉入原子內(nèi)層電子軌道而放出X光，不同原子序，不同能階電子所產(chǎn)生的X光各不相同，稱為特征X光，分析特征X光，可分析樣品元素成份。
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分析特征X光的方式，可分析特征X光的能量分布，稱為EDS，或分析特征X光的波長，稱為WDS。X光能譜的分辨率，在EDS中約有100~200eV的分辨率，在WDS中則有5~ 10eV的分辨率。由于EDS的分辨率較WDS差，因此在能譜的解析上，較易產(chǎn)生重迭的情形。
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由于電子束與樣品作用的作用體積(interaction volume)的關(guān)系，特征X光的產(chǎn)生和作用體積的大小有關(guān)，因此在平面的樣品中，EDS或WDS的空間分辨率，受限于作用體積的大小。