上游充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 探索微观物质世界 第十一讲扫描电子显微镜技术 饶群力 上海交通大学 六 漏 分析测试中心 v 令 SHANG 1日G ERSI
探索微观物质世界 第十一讲 扫描电子显微镜技术 饶群力 上海交通大学 分析测试中心
上游充大学 激光共聚焦扫描显微镜 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 先有普通型显微镜，后有扫描型显微镜，例如激 光共聚焦扫描显微镜 )首先有赖于激光的发现 ©1957年，美国麻省理工学院的Marvin Lee Minsky提出共聚焦显微镜的构想 ©将激光技术和扫描技术结合，产生共聚焦激光扫 描显微镜，实现三维立体观测
激光共聚焦扫描显微镜 先有普通型显微镜，后有扫描型显微镜，例如激 光共聚焦扫描显微镜 首先有赖于激光的发现 1957年，美国麻省理工学院的Marvin Lee Minsky提出共聚焦显微镜的构想 将激光技术和扫描技术结合，产生共聚焦激光扫 描显微镜，实现三维立体观测
上游充通大兽 工作原理 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 二十世纪八十年代这项 基本原理 技术逐渐成熟并开始商 激光器 品化。 显微镜系统、激光照射系统、 扫描及检测系统、计算机及 共焦针孔 图像采集分析系统 点光源照明，在影像记录仪 前的光学共焦面位置上放一 个针孔，让那些离焦光被滤 检测器 除，从而提高了图像清晰度 物镜 物体在焦面内 物体在焦面外
工作原理 二十世纪八十年代这项 技术逐渐成熟并开始商 品化。 显微镜系统、激光照射系统、 扫描及检测系统、计算机及 图像采集分析系统 点光源照明，在影像记录仪 前的光学共焦面位置上放一 个针孔，让那些离焦光被滤 除，从而提高了图像清晰度
上游充通大学 激光扫描共聚焦显微镜 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描 成像。 由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激 光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学 显微镜的3倍。 激光可以聚焦在不同的深度。系统经一次调焦， 扫描限制在样品的一个平面内。 主要用途：1.细胞及生物荧光样品观察分析。 2.绿荧光蛋白分析。3.荧光原位杂交分析。 4.光切片扫描。5.3D图像处理。6.时间序列 拍摄成像
激光扫描共聚焦显微镜 用激光作扫描光源，逐点、逐行、逐面快速扫描 成像。 由于激光束的波长较短，光束很细，所以共焦激 光扫描显微镜有较高的分辨力，大约是普通光学 显微镜的3倍。 激光可以聚焦在不同的深度。系统经一次调焦， 扫描限制在样品的一个平面内。 主要用途： 1．细胞及生物荧光样品观察分析。 2．绿荧光蛋白分析。 3．荧光原位杂交分析。 4．光切片扫描。 5．3D图像处理。6. 时间序列 拍摄成像
上游充通大警 扫描电子显微镜的发明 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ©扫描型显微镜的设计原理是：采用聚焦得非常细 的电子束作为照明源（激发源），以光栅状扫描方 式照射到被观察的试样上，通过入射电子与物质 相互作用产生各种信号。 借助这种理念，采用电子束作光源 公认扫描电镜的概念最早是由德国的Knoll在 1935年提出来的 1938年Von Ardenne在透射电镜上加了个扫描线 圈做出了扫描透射显微镜(STEM)
扫描电子显微镜的发明 扫描型显微镜的设计原理是：采用聚焦得非常细 的电子束作为照明源(激发源)，以光栅状扫描方 式照射到被观察的试样上，通过入射电子与物质 相互作用产生各种信号。 借助这种理念，采用电子束作光源 公认扫描电镜的概念最早是由德国的Knoll在 1935年提出来的 1938年Von Ardenne在透射电镜上加了个扫描线 圈做出了扫描透射显微镜 (STEM)
上游充通大警 扫描电镜的发展 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 第一台能观察厚样品的扫描电镜是1942年 Zworykin制作的，它的分辨率为50纳米左右。 1952年，英国剑桥大学的Oatley和他的学生 McMullan也制作了扫描电镜 1955年，扫描电镜的研究取得较显著的突破，成 像质量有明显提高 1959年，制成了第一台分辨率为10纳米的扫描电 镜 1965年，第一台商业扫描电镜的制造公司 Cambridge Scientific Instruments制造了Mark I “Steroscani
扫描电镜的发展 第一台能观察厚样品的扫描电镜是1942年 Zworykin制作的，它的分辨率为50纳米左右。 1952年，英国剑桥大学的 Oatley 和他的学生 McMullan也制作了扫描电镜. 1955年，扫描电镜的研究取得较显著的突破，成 像质量有明显提高 1959年，制成了第一台分辨率为10纳米的扫描电 镜 1965年，第一台商业扫描电镜的制造公司 Cambridge Scientific Instruments 制造了Mark I “Steroscan
上游充通大兽 扫描电镜的发展 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1969年，在扫描电镜上成功地观察到电子通道效应，并结 合电子探针微区成份分析技术，使得扫描电镜在观察表面 形貌的同时，还能进行晶体学分析和成份分析，即兼备有 一般透射电镜、电子探针和衍射仪的长处。 1986年，扫描电镜的分辨率已突破0.8nm(即8A),并实现 了电子计算机全面控制和数字图像记录。 目前扫描电镜多采用场发射枪的高分辨扫描电镜、可变压 强的环境扫描电镜（也称可变压扫描电镜）。 发展方向是 ·高分辨扫描电镜，具有0.4纳米的分辨率。 · 环境扫描电镜：气压为4000Pa(30torm),仍保持2纳米的分辨率
扫描电镜的发展 1969年，在扫描电镜上成功地观察到电子通道效应，并结 合电子探针微区成份分析技术，使得扫描电镜在观察表面 形貌的同时，还能进行晶体学分析和成份分析，即兼备有 一般透射电镜、电子探针和衍射仪的长处。 1986年，扫描电镜的分辨率已突破0.8nm(即8 Å)，并实现 了电子计算机全面控制和数字图像记录。 目前扫描电镜多采用场发射枪的高分辨扫描电镜、可变压 强的环境扫描电镜（也称可变压扫描电镜）。 发展方向是 • 高分辨扫描电镜，具有 0.4 纳米的分辨率。 • 环境扫描电镜：气压为 4000Pa(30torr)，仍保持2纳米的分辨率
上游充通大兽 仪器结构 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Y 电子枪、聚光镜(2)、物镜、 偏转系统、探测系统 显像管 扫描 扫描 线圈 发生器 曲 放大 变换 UPK40V 物 样品 信号 信号放大 探测器 和处理 真空系统
仪器结构 电子枪、聚光镜（2）、物镜、 偏转系统、探测系统
上游充通大兽 传统扫描电镜 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ©电子枪：产生能量在1~30kV的电子；束斑尺寸 1~10nm(电流1~100pA),100~1000nm(电流 1~10nA) 偏转系统由两对磁偏转线圈组成，放大倍率M1 是荧屏上的物象尺寸与扫描线的长之比，减小电 流M1增大
传统扫描电镜 电子枪：产生能量在1~30keV的电子；束斑尺寸 1~10nm(电流1~100pA)，100~1000nm(电流 1~10nA) 偏转系统由两对磁偏转线圈组成，放大倍率M1 是荧屏上的物象尺寸与扫描线的长之比，减小电 流M1增大
上游充通大兽 扫描电镜利用的主要信号 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 二次电子从表面5一10纳米层内发射出来，能量为0一 50eV。二次电子对表面状态非常敏感，能非常有效地反 映试样表面的形貌。 背散射电子是入射电子经过多次散射后，以较大角度从 固体样品表面逸出的散射电子。背散射电子一般是从试 样0.1一1微米深处发射出来的电子。 入射电子 束 二次电子 俄歇电子 连续X射线 特征X射线 阴极发 背散射电子 光 。试样电流 棋 (吸收电子)
扫描电镜利用的主要信号 二次电子从表面5－10纳米层内发射出来，能量为 0－ 50eV。二次电子对表面状态非常敏感，能非常有效地反 映试样表面的形貌。 背散射电子是入射电子经过多次散射后，以较大角度从 固体样品表面逸出的散射电子。背散射电子一般是从试 样 0.1 － 1 微米深处发射出来的电子。 俄歇电子 特征X射线 背散射电子 二次电子 入射电子 束 样 品 试样电流 (吸收电子) 阴极发 光 连续X射线