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掃描電鏡和透射電鏡的區別

 更新時間:2018-03-05 點擊量:10448

電子顯微鏡已經成為表征各種材料的有力工具。 它的多功能性和*的空間分辨率使其成為許多應用中非常有價值的工具。 其中,兩種主要的電子顯微鏡是透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)。 在這篇博客中,將簡要描述他們的相似點和不同點。  

 

掃描電鏡和透射電鏡的工作原理

 

從相似點開始, 這兩種設備都使用電子來獲取樣品的圖像。他們的主要組成部分是相同的;  

· 電子源;

· 電磁和靜電透鏡控制電子束的形狀和軌跡;

· 光闌。

 

所有這些組件都存在于高真空中。  

 

現在轉向這兩種設備的差異性。 掃描電鏡(SEM)使用一組特定的線圈以光柵樣式掃描樣品并收集散射的電子( 詳細了解SEM中檢測到的不同類型的電子 )。

 

而透射電鏡(TEM)是使用透射電子,收集透過樣品的電子。 因此,透射電鏡(TEM)提供了樣品的內部結構,如晶體結構,形態和應力狀態信息,而掃描電鏡(SEM)則提供了樣品表面及其組成的信息。  

 

而且,這兩種設備zui明顯的差別之一是它們可以達到的*空間分辨率; 掃描電鏡(SEM)的分辨率被限制在?0.5nm,而隨著zui近在球差校正透射電鏡(TEM)中的發展,已經報道了其空間分辨率甚至小于50pm。

 

哪種電子顯微鏡技術操作員進行分析?

 

這*取決于操作員想要執行的分析類型。 例如,如果操作員想獲取樣品的表面信息,如粗糙度或污染物檢測,則應選擇掃描電鏡(SEM)。 另一方面,如果操作員想知道樣品的晶體結構是什么,或者想尋找可能存在的結構缺陷或雜質,那么使用透射電鏡(TEM)是*的方法。

 

掃描電鏡(SEM)提供樣品表面的3D圖像,而透射電鏡(TEM)圖像是樣品的2D投影,這在某些情況下使操作員對結果的解釋更加困難。  

 

由于透射電子的要求,透射電鏡(TEM)的樣品必須非常薄,通常低于150nm,并且在需要高分辨率成像的情況下,甚至需要低于30nm,而對于掃描電鏡(SEM)成像,沒有這樣的特定要求。  

 

這揭示了這兩種設備之間的另一個主要差別:樣品制備。掃描電鏡( SEM)的樣品很少需要或不需要進行樣品制備,并且可以通過將它們安裝在樣品杯上直接成像。  

 

相比之下,透射電鏡(TEM)的樣品制備是一個相當復雜和繁瑣的過程,只有經過培訓和有經驗的用戶才能成功完成。 樣品需要非常薄,盡可能平坦,并且制備技術不應對樣品產生任何偽像(例如沉淀或非晶化 )。 目前已經開發了許多方法,包括電拋光,機械拋光和聚焦離子束刻蝕。 格柵和支架用于安裝透射電鏡(TEM)樣品。

 

SEM vs TEM:操作上的差異

 

這兩種電子顯微鏡系統在操作方式上也有所不同。 掃描電鏡(SEM)通常使用15kV以上的加速電壓,而透射電鏡(TEM)可以將其設置在60-300kV的范圍內。  

 

與掃描電鏡(SEM)相比,透射電鏡(TEM)提供的放大倍數也相當高:透射電鏡(TEM)可以將樣品放大5000萬倍以上,而對于掃描電鏡(SEM)來說,限制在1-2百萬倍之間。

 

然而,掃描電鏡(SEM)可以實現的zui大視場(FOV)遠大于透射電鏡(TEM),用戶可以只對樣品的一小部分進行成像。 同樣,掃描電鏡(SEM)系統的景深也遠高于透射電鏡(TEM)系統。

 

圖1:硅的電子顯微鏡圖像。 a)使用掃描電鏡SEM成像的二次電子圖像,提供關于表面形態的信息,而b)透射電鏡(TEM)圖像顯示關于樣品內部的結構信息。

 

另外,在兩個系統中創建圖像的方式也是不同的。 在掃描電鏡中,樣品位于電子光學系統的底部,散射電子(背散射或二次)被電子探測器捕獲, 然后使用光電倍增管將該信號轉換成電信號,該電信號被放大并在屏幕上產生圖像。  

 

在透射電鏡(TEM)中,樣品位于電子光學系統的中部。 入射電子穿過它,并通過樣品下方的透鏡(中間透鏡和投影透鏡),圖像直接顯示在熒光屏上或通過電荷耦合器件(CCD)相機顯示在PC屏幕上。

 

表I:掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)之間主要差異的總結


一般來說,透射電鏡(TEM)的操作更為復雜。 透射電鏡(TEM)的用戶需要經過強化培訓才能操作設備。 在每次使用之前需要執行特殊程序,包括幾個步驟以確保電子束對中。 在表I中,您可以看到掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)之間主要區別的總結。

 

結合SEM和TEM技術

 

還有一種電子顯微鏡技術被提及,它是透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)的結合,即掃描透射電鏡(STEM)。 如今,大多數透射電鏡(TEM)可以切換到“STEM模式”,用戶只需要改變其對準程序。 在掃描透射電鏡(STEM)模式下,光束被聚焦并掃描樣品區域(如SEM),而圖像由透射電子產生(如TEM)。

 

在掃描透射電鏡(STEM)模式下工作時,用戶可以利用這兩種技術的功能; 他們可以在高分辨看到樣品的內部結構(甚至高于透射電鏡TEM分辨率),但也可以使用其他信號,如X射線和電子能量損失譜。 這些信號可用于能量色散X射線光譜(EDX)和電子能量損失光譜(EELS)。 

 

當然,EDX能譜分析在掃描電鏡(SEM)系統中也是常見分析方法,并用于通過檢測樣品被電子撞擊時發射的X射線來識別樣品的成分。  

 

電子能量損失光譜(EELS)只能在以掃描透射電鏡(STEM)模式工作的透射電鏡(TEM)系統中實現,并能夠反應材料的原子和化學成分,電子性質以及局部厚度測量。  

 

在SEM和TEM之間做出選擇

 

從所提到的一切來看,顯然沒有“更好”的技術; 這*取決于需要的分析類型。 當用戶想要從樣品內部結構獲得信息時,透射電鏡(TEM)是*的選擇,而當需要樣品表面信息時,掃描電鏡(SEM)是。 當然,主要決定因素是兩個系統之間的巨大價格差異,以及易用性。 透射電鏡(TEM)可以為用戶提供更多的分辨能力和多功能性,但是它們比掃描電鏡(SEM)更昂貴且體型較大,需要更多操作技巧和復雜的前期制樣準備才能獲得滿意的結果。

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