盘点SEM和TEM有哪些相似点和不同点

行业资讯 admin 发布时间:2024-06-21 浏览:8 次

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。

现转而针对两种装置差异性进行研究。扫描电子显微镜(SEM)利用一组特定的线圈对样品进行光栅花样扫描,收集散射的电子。

而透射电镜(TEM)是使用透射电子,收集透过样品的电子。因此,透射电镜(TEM)提供了样品的内部结构,如晶体结构,形态和应力状态信息,而扫描电镜(SEM)则提供了样品表面及其组成的信息。

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,而透射电镜(TEM)图像是样品的2D投影,这在某些情况下使操作员对结果的解释更加困难。

由于透射电子的要求,透射电镜(TEM)的样品必须非常薄,通常低于150nm,并且在需要高分辨率成像的情况下,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。

相比较而言,透射电镜(TEM)的样品制备是一个相当复杂和繁琐的过程,只有经过培训和经验丰富的用户才能顺利完成。样品要求很薄,尽量平整,制备技术不能对样品造成任何伪像(例如沉淀或非晶化)。现已发展出电抛光、机械抛光、聚焦离子束刻蚀等多种手段。特制的格栅和支架用于安装透射电镜(TEM)试样。

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。

与扫描电镜(SEM)相比,透射电镜(TEM)提供的放大倍数也相当高:透射电镜(TEM)可以将样品放大5000万倍以上,而对于扫描电镜(SEM)来说,限制在1-2百万倍之间。

但扫描电镜(SEM)所能达到的最大视场(FOV)比透射电镜(TEM)大得多,用户只需对样品的一小部分成像即可。类似地,扫描电镜(SEM)系统的景深比透射电镜(TEM)系统的景深高得多。

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。

此外,这两种系统的图像创建方法不一样。在扫描电子显微镜中,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,然后利用光电倍增管将信号转换成电信号,放大后在荧光屏上成像。

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

此外,这两种系统的图像创建方法不一样。透射电镜(TEM)使用者需接受强化培训,方可操作该装置。每一次使用前都要进行专门的程序,其中有若干步骤来保证电子束的完美配对。在表I中,可以看到扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)的主要区别汇总。

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)。

通常透射电镜(TEM)的操作比较复杂。透射电镜(TEM)使用者需接受强化培训,方可操作该装置。每一次使用前都要进行专门的程序,其中有若干步骤来保证电子束的完美配对。在表I中,可以看到扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)的主要区别汇总。

当然,EDX能谱分析在扫描电镜(SEM)系统中也是常见分析方法,并用于通过检测样品被电子撞击时发射的X射线来识别样品的成分。

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

从所提到的一切来看,显然没有“更好”的技术;这完全取决于需要的分析类型。当用户想要从样品内部结构获得信息时,透射电镜(TEM)是最佳的选择,而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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