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掃描電鏡分析簡介ppt.ppt

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掃描電鏡顯微分析簡介 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡 掃描電鏡顯微分析簡介 概況掃描電鏡的優點掃描電鏡成像的物理信號掃描電鏡的工作原理掃描電鏡的構造掃描電鏡的主要性能應用舉例概況 掃描電子顯微鏡簡稱掃描電鏡,英文縮寫:SEM。為適應不同要求,在掃描電鏡上安裝上多種專用附件,實現一機多用,使掃描電鏡成為同時具有透射電子顯微鏡(TEM)、電子探針X射線顯微分析儀(EPMA)、電子衍射儀(ED)等多種功能的一種直觀、快速、綜合的表面分析儀器。 掃描電鏡的優點高的分辨率。由于超高真空技術的發展,場發射電子槍的應用得到普及,現代先進的掃描電鏡的分辨率已經達到1納米左右。有較高的放大倍數,20-20萬倍之間連續可調。有很大的景深,視野大,成像富有立體感,可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構。試樣制備簡單??芍苯佑^察大塊試樣。適用于固體材料樣品表面和界面分析。適合于觀察比較粗糙的表面:材料斷口和顯微組織三維形態。掃描電鏡成像的物理信號 掃描電鏡成像所用的物理信號是電子束轟擊固體樣品而激發產生的。具有一定能量的電子,當其入射固體樣品時,將與樣品內原子核和核外電子發生彈性和非彈性散射過程,激發固體樣品產生多種物理信號,如二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子等。SEM中的三種主要信號背散射電子:入射電子在樣品中經散射后再從上表面射出來的電子。反映樣品表面不同取向、不同平均原子量的區域差別。二次電子:由樣品中原子外殼層釋放出來,在掃描電子顯微術中反映樣品上表面的形貌特征。X射線:入射電子在樣品原子激發內層電子后外層電子躍遷至內層時發出的光子。其他信號俄歇電子:入射電子在樣品原子激發內層電子后外層電子躍遷至內層時,多余能量轉移給外層電子,使外層電子掙脫原子核的束縛,成為俄歇電子。透射電子 :電子穿透樣品的部分。這些電子攜帶著被樣品吸收、衍射的信息,用于透射電鏡的明場像和透射掃描電鏡的掃描圖像, 以揭示樣品內部微觀結構的形貌特征。掃描電鏡的工作原理掃描電鏡成像與電視顯象相似。掃描電鏡圖像按一定時間空間順序逐點掃描形成,并在鏡體外顯像管熒光屏幕上顯示出來。由電子槍發射的能量達30keV的電子束,經會聚透鏡和物鏡縮小聚焦,在試樣表面形成具有一定能量、一定強度、極小的點狀電子束。在掃描線圈磁場作用下,電子束在試樣表面上按一定的時間、空間順序作光柵式逐點掃描。入射電子束和試樣相互作用,從試樣表面原子中激發出二次電子。二次電子收集極的作用,將各方向發射的二次電子匯集,再經加速極加速,射向閃爍體上轉變成光信號。經光導管到達光電倍增管,使光信號再次轉變為電信號。電信號經視頻放大器放大,并將其輸出送至顯像管的柵極,調制顯像管的亮度,因而在熒光屏幕上便呈現出一幅亮暗程度不同的反映試樣表面形貌的二次電子象。一幅掃描圖像由多達100萬個分別與被分析物表面物點一一對應的圖像點構成。 掃描電鏡成像示意圖掃描電鏡的工作原理 對于掃描電鏡的另一種襯度像—背散射電子像的成像原理和二次電子像的成像原理相似,此次就不再贅述。 掃描電鏡除了能顯示一般試樣表面的形貌外,還能將試樣微區范圍內的化學元素、光、電、磁等性質的差異以二維圖像形式顯示出來,并可用照相方式拍攝圖像。掃描電鏡的構造電子光學系統掃描系統信號收集系統圖像顯示和記錄系統真空系統電源系統電子光學系統 由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件組成。它的作用是將來自電子槍的電子束聚焦成亮度高、直徑小的入射束(直徑一般為10nm或更小)來轟擊樣品,使樣品產生各種物理信號掃描系統 掃描系統是掃描電鏡的特殊部件,它由掃描發生器和掃描線圈組成。它的作用是:1) 使入射電子束在樣品表面掃描,并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描;2) 改變入射束在樣品表面的掃描振幅,從而改變掃描像的放大倍數。信號收集系統 掃描電鏡應用的物理信號可分為:1) 電子信號,包括二次電子、背散射電子、透射電子和吸收電子。吸收電子可直接用電流表測,其他電子信號用電子收集器;2) 特征X射線信號,用X射線譜儀檢測;3) 可見光訊號(陰極熒光),用可見光收集器。常見的電子收集器是由閃爍體、光導管和光電倍增管組成的部件。其作用是將電子信號收集起來,然后成比例地轉換成光信號,經放大后再轉換成電信號輸出(增益達106),這種信號就用來作為掃描像的調制信號。圖像顯示和記錄系統 這一系統的作用是將信號收集器輸出的信號成比例地轉換為陰極射線顯像管電子束強度的變化,這樣就在熒光屏上得到一幅與樣品掃描點產生的某一種物理訊號成正比例的亮度變化的掃描像,同時用照相方式記錄下來,或用數字化形式存儲于計算機中。真空系統和電源系統 真空系統是保證電子槍和試樣室有較高的真空度,高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命,并減少了電子光路的污染。真空度一般為0.01Pa-0.001Pa。 電源系統由穩壓,穩流及相應的安全保護電路所組成,其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。掃描電鏡的主要性能放大倍數分辨率景深掃描電鏡的主要性能放大倍數 掃描電鏡的放大倍數可用表達式 M=AC/AS式中AC是熒光屏上圖像的邊長, AS是電子束在樣品上的掃描振幅。目前大多數商品掃描電鏡放大倍數為20-20000倍,介于光學顯微鏡和透射電鏡之間。分辨率對微區成分分析而言,它是指能分析的最小區域;對成像而言,它是指能分辨兩點之間的最小距離。SEM的分辨率大小與以下因數有關:入射電子束束斑直徑入射電子束在樣品中的擴展效應掃描電鏡的主要性能景深景深是指一個透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍。 掃描電鏡的景深為比一般光學顯微鏡景深大100-500倍,比透射電鏡的景深大10 倍。景深取決于分辨本領和電子束入射半角ac。由右下圖可知,掃描電鏡的景深F為:d0臨界分辨本領, ac電子束的入射半角 掃描電鏡應用實例斷口形貌分析納米材料形貌分析在微電子工業方面的應用 1018號鋼在不同溫度下的斷口形貌 斷口形貌分析ZnO納米線的二次電子圖像 多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌(a)低倍像(b)高倍像納米材料形貌分析(a)芯片導線的表面形貌圖, (b)CCD相機的光電二極管剖面圖。在微電子工業方面的應用謝謝大家!
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