扫描电子显微镜成像影响因素

扫描电子显微镜（SEM）是1930年代中期发展起来的一种多功能电子显微分析仪器。扫描电镜因其制样简单、像场大、景深长、图像立体效果强，能够接收和分析人与人之间相互作用产生的大部分信息，被广泛应用于科研、工业等各个领域。电子和样品。
但扫描电子显微镜是一种非常精密的仪器，结构复杂。获得能够充分反映材料形状、层次清晰、立体感强、分辨率高的高质量图像仍然是一项非常艰巨的任务。本文重点介绍工作中出现的问题。分析影响图像质量的因素，讨论如何根据样品选择*佳观察条件。
1.加速电压
扫描电子显微镜的电子束由灯丝激发以加热温度。当钨丝达到白热时，电子的动能增加到大于阳离子对其的吸引力（功函数），电子逃逸出去。靠近灯丝处安装有带孔的网格（也称为韦氏盖），灯丝位于网格孔的中心。栅极上100~1000V的负电场使灯丝的电子发射达到一定水平，不再随温度升高而继续增加，即达到空间电荷饱和（此公式为错误的）。在距栅极一定距离的中心有一个带孔的阳极。在阳极和阴极之间加入一个非常高的正电压，称为加速电压[1]，它使电子束加速以获得能量。加速电压范围为1~30kV。该值越大，电子束的能量越大，反之亦然。
加速电压的选择取决于样品的性质（包括电导率）和放大倍数。当样品具有良好的导电性且不易被电子束损坏时，可采用较高的加速电压。此时，电子束能量大，穿透样品较深（尤其是原子序数低的材料），降低了材料对比度和高图像分辨率。但是，如果加速电压过高，则会造成不利因素。电子束对样品的穿透能力会增加，样品中的扩散面积也会增加。会发射二次电子和散射电子，甚至二次电子也会被散射。电子存在信号中会叠加重影，降低分辨率。
当样品导电性较差时，不方便喷碳、喷金，需要保持样品的原貌。这类样品容易产生充放电效应，样品充电区有微小的电位置差异会导致电子束扩散并扩大束斑，从而损害分辨率。同时，表面的负电场排斥入射电子，改变电子的入射角，使图像不稳定，引起运动和错位，甚至使表面细节无法显示。加速电压越高，这种现象越严重。此时，使用低加速电压。以减少充放电现象，提高图像的分辨率。
2、扫描速度和信噪比
在显像管的屏幕上，电子束每行扫描约2000个点，屏幕每帧约2000行，每秒扫描25帧。这意味着只有 0.01μs 停留在每个点 [2]。电子束与样品的相互作用以及检测器对这种效应的响应都很慢，即0.01us内每个点得到的信号很微弱，需要放大才能看清楚，这会带来很大的降噪效果。噪声比。扫描速度的选择会影响所捕获图像的质量。如果图像拍摄太快，信号强度会很弱。此外，由于不规则信号的噪声干扰，分辨率会降低。如果延长扫描时间，噪声会被均衡并相互抵消，因此提高信噪比可以提高画面的清晰度。但是，如果扫描时间过长，电子束会在样品上停留更长的时间。电子束会使材料变形，降低分辨率，甚至产生伪影。特别是对于生物和高分子样品，观察时扫描速度不能太慢。
3. 光斑直径和工作距离
在 SEM 中，束斑直径决定了图像的分辨率。束斑直径越小，图像的分辨率越高。一般来说，光斑直径的大小由电子光学系统控制，关系到*终透镜的质量。如果考虑*终透镜产生的各种相位差，则实际照射到样品上的束斑直径 d 为 [3]d2=d02+ds2+dc2+df2 (1) 其中 d0 为高斯光斑直径； ds 是由于透镜球差引起的电子探针漫射圆的直径；直流中透镜色差引起的电子探针漫射圆的直径；由df的衍射效应引起的电子探针扩散圆的直径。扫描电镜工作条件下：ds>>dc,df。因此，公式（1）可以近似为：d2=d02+ds2。因为d0与同一个*终透镜的激励电流有关，后者与工作距离WD有关。 WD越小，要求*终透镜的激励电流越大，对应的d0越小。另外，对于一定质量的镜头，球面像差该系数还与工作距离WD有关，WD越小，对应的Cs（镜头的球差系数）就越小。因此，为了获得较高的图像分辨率，束斑直径必须小，并且必须使用小的工作距离。如果探针电流太高，电子束光斑缩小太多，图像中就会出现噪声。如果要观察样品表面凹凸不平，需要高焦深，则需要使用较大的工作距离。同时，您需要注意图像的分辨率会显着降低。
4. 探头电流
探针电流直接影响束斑直径、图像信号强度、分辨率、图像清晰度和畸变等参数，这些参数之间存在矛盾。电流越大，电子束的束斑直径越小，从而增加分辨率和景深。但是当信号弱时，有时会出现亮度不足，信噪比下降。对于一些高分子材料、生物样品或一些不导电的样品，当使用较大的探针电流时，产生的电荷不能及时扩散迁移形成积累，从而产生放电现象，难以检测获取高质量的地形图；如果针电流太小，二次电子的信号会变弱，对背景杂散信号的影响更大，分辨率会下降，在高倍放大下会受到严重影响。因此，探头电流选择的原则是在对比度和亮度满足正常条件时增加探头电流，以获得*高分辨率和更大的景深范围。然而，对于低倍图像观察，主要需要丰富的层次结构，需要更小的探针电流。
5.散光矫正
像散实际上是各种因素引起的电子束斑的色散圆。由不对称引起的轴上的散光可以通过散光来校正。