金鉴李工:简要讲解(TEM)和(SEM)电子显微镜的相似点和不同点

技术百科 admin 发布时间:2024-05-24 浏览:13 次

电子显微镜已成为表征多种材料的强有力手段。它具有多功能性,极高的空间分辨率,因此在很多应用上都是一种极具价值的手段。

在电子显微镜中,透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)是两大类电子显微镜。将简要描述他们的相似点和不同点

扫描电镜和透射电镜的工作原理

从相似点开始, 这两种设备都使用电子来获取样品的图像。 他们的主要组成部分是相同的;

电子源;电磁和静电透镜控制电子束的形状和轨迹;

光阑。

所有这些组件都存在于高真空中。

现在转向这两种设备的差异性。 扫描电镜(SEM)使用一组特定的线圈以光栅样式扫描样品并收集散射的电子。

透射电子显微镜(TEM)则是利用透射电子,采集通过样品的电子。因此透射电镜(TEM)为试样内部结构提供晶体结构、形貌及应力状态等方面的资料,扫描电镜(SEM)为试样表面及成分提供资料。

而这两类装置之间最为显着的一个区别就是其所能实现的最佳空间分辨能力;扫描电镜(SEM)的分辨率被限制在〜0.5nm,而随着最近在球差校正透射电镜(TEM)中的发展,已经报道了其空间分辨率甚至小于50pm。

哪种电子显微镜技术最适合操作员进行分析?

它完全依赖于操作员所要实现的分析类型。例如,如果操作者希望获得样品的表面信息,如粗糙度或污染物检测,应选择扫描电镜(SEM)。另一方面,如果操作者想知道样品的晶体结构是什么,或者想寻找可能存在的结构缺陷或杂质,使用透射电镜(TEM)是唯一的方法。

扫描电镜(SEM)提供样品表面的3D图像,透射电镜(TEM)图像是样品的2D投影,在某些情况下增加了操作人员对结果的解释难度。由于透射电子的需要,透射电镜样品(TEM)必须很薄,一般在150nm以下,当需要高分辨率成像时,甚至需要低于30nm,而对于扫描电镜(SEM)成像,没有这样的特定要求。

这揭示了这两种设备之间的另一个主要差别:样品制备。扫描电镜( SEM)的样品很少需要或不需要进行样品制备,并且可以通过将它们安装在样品杯上直接成像。

相比之下,透射电镜(TEM)的样品制备是一个相当复杂和繁琐的过程,只有经过培训和有经验的用户才能成功完成。 样品需要非常薄,尽可能平坦,并且制备技术不应对样品产生任何伪像(例如沉淀或非晶化 )。 目前已经开发了许多方法,包括电抛光,机械抛光和聚焦离子束刻蚀。 专用格栅和支架用于安装透射电镜(TEM)样品。

SEM vs TEM:操作上的差异

两种电子显微镜系统的操作方式也不尽相同。扫描电镜(SEM)通常使用15kV以上的加速电压,而透射电镜(TEM)则可将其设置在60-300kV的范围内。

透射电镜(TEM)比扫描电镜(SEM)所提供的放大倍数还相当大:透射电镜(TEM)可使试样放大5000万倍以上,对扫描电镜(SEM)则仅限于1-2百万倍。

然而,扫描电镜(SEM)可以实现的最大视场(FOV)远大于透射电镜(TEM),用户可以只对样品的一小部分进行成像。 同样,扫描电镜(SEM)系统的景深也远高于透射电镜(TEM)系统。

图1:硅的电子显微镜图像。a)使用扫描电镜SEM成像的二次电子图像,提供关于表面形态的信息,而b)透射电镜(TEM)图像显示关于样品内部的结构信息

另外,在两个系统中创建图像的方式也是不同的。 在扫描电镜中,样品位于电子光学系统的底部,散射电子(背散射或二次)被电子探测器捕获, 然后使用光电倍增管将该信号转换成电信号,该电信号被放大并在屏幕上产生图像。

在透射电镜(TEM)中,样品位于电子光学系统的中部。 入射电子穿过它,并通过样品下方的透镜(中间透镜和投影透镜),图像直接显示在荧光屏上或通过电荷耦合器件(CCD)相机显示在PC屏幕上。

表I:扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)之间主要差异的总结

一般来说,透射电镜(TEM)的操作更为复杂。 透射电镜(TEM)的用户需要经过强化培训才能操作设备。 在每次使用之前需要执行特殊程序,包括几个步骤以确保电子束完美对中。 在表I中,您可以看到扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)之间主要区别的总结。

结合SEM和TEM技术

还有一种电子显微镜技术被提及,它是透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)的结合,即扫描透射电镜(STEM)。如今,大多数透射电镜(TEM)可以切换到“STEM模式”,用户只需要改变其对准程序。在扫描透射电镜(STEM)模式下,光束被精确聚焦并扫描样品区域(如SEM),而图像由透射电子产生(如TEM)。

当扫描透射电镜以(STEM)方式运行时,使用者可使用这两项技术;他们可以在高分辨率先看到样品的内部结构(甚至比透射电镜TEM的分辨率还要高),但也可以利用其他信号,如X射线和电子能量损失谱。这些信号可以应用于能量色散X射线光谱(EDX)及电子能量损失光谱(EELS)中。

当然EDX能谱分析也是扫描电镜系统(SEM)常用的分析方法之一,它被用来通过探测样品受到电子撞击时所发出的X射线对其组成进行鉴定。

电子能量损失光谱(EELS)仅能在扫描透射电镜(STEM)方式下运行的透射电镜系统(TEM)内进行,且能反应材料原子及化学成分、电子性质及局部厚度测量。

在SEM和TEM之间做出选择

就所有提及的情况而言,明显不存在“更好”的科技;全凭所需分析类型而定。当用户希望从样品内部结构中获取信息时,透射电镜(TEM)是最好的选择,当需要样品表面信息时,扫描电镜(SEM)是首选。

决定这两大系统的价格差异和易用性固然很重要。透射电镜(TEM)能给使用者提供较高的分辨能力及多功能性,但其价格较扫描电镜(SEM)昂贵,体型也较大,要求操作技巧较高,前期制样准备工作繁杂,方能达到令人满意的效果。

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