扫描电镜
_扫描电镜与电子探针分析
_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜是一种高级显微镜，能够提供高分辨率的显微图像。
它的工作原理是利用电子束来扫描样品表面，通过收集反射、透射或者散射的电子信号来生成图像。
下面将详细介绍扫描电镜的工作原理。
一、电子源1.1 电子枪：扫描电镜中的电子源通常是由热阴极电子枪产生的。
电子枪通过加热阴极产生电子，然后通过加速电压加速电子束。
1.2 加速电压：加速电压决定了电子束的能量。
加速电压越高，电子束的穿透能力越强，分辨率也会提高。
1.3 调焦系统：扫描电镜中的调焦系统用于调整电子束的聚焦，以保证在样品表面形成清晰的图像。
二、样品准备2.1 导电涂层：为了避免电荷积累和减少散射，样品通常需要涂上导电涂层，如金属薄膜。
2.2 样品固定：样品需要被固定在样品台上，以保证在扫描过程中不会移动。
2.3 样品表面处理：为了获得清晰的图像，样品表面需要进行适当的处理，如抛光或者蒸镀。
三、扫描系统3.1 扫描线圈：扫描电镜中的扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围，从而形成图像。
3.2 探测器：扫描电镜中的探测器用于接收反射、透射或者散射的电子信号，并将其转换成图像。
3.3 扫描速度：扫描速度决定了图像的分辨率，较高的扫描速度可以获得更高分辨率的图像。
四、信号处理4.1 图像重建：通过收集反射、透射或者散射的电子信号，扫描电镜可以重建样品表面的图像。
4.2 对比度调整：信号处理中可以对图像的对比度进行调整，以提高图像的清晰度。
4.3 图像分析：扫描电镜可以通过信号处理进行图像分析，如测量样品表面的形貌或者化学成分。
五、应用领域5.1 材料科学：扫描电镜在材料科学领域被广泛应用，可以观察材料的微观结构和表面形貌。
5.2 生物学：扫描电镜在生物学领域可以用于观察细胞结构和微生物形态。
5.3 纳米技术：扫描电镜在纳米技术领域可以用于观察纳米材料的结构和性质。
总结：扫描电镜通过利用电子束扫描样品表面，收集电子信号生成图像，具有高分辨率和广泛的应用领域。
扫描电镜
扫描电镜，左面为镜筒和样品室，右面室是成像和记录系统，两部分是由同步扫描发生器和信号探测器连接在一起。
其结构由下图所示：扫描电镜成像如同电视机一样，利用电子束扫描功能实现。
同步扫描发生器同时控制镜筒中扫描线圈和显示器扫描线圈，使电子枪发出的电子束与显示器电子束分别在样品和荧光屏一上同步扫描，两者逐点、逐行、逐帧对应。
电子束激发样品每个点的信号被探测器接收，经过放大送到显示器，调制荧光屏对应扫描点的亮度，如果样品每个点发出的信号强度不同，荧光屏上对应点的亮度就有差异，这就是扫描图像。
扫描电镜提供的信息主要来源于电子束与样品的相互作用，即入射电子束与样品相互作用，产生背散射电子，二次电子，特征X射线等信息，背散射电子是入射电子在样品中某个深度区域受到散射，反向出射样品表面形成的，其携带形貌和成分信息，出射范围在作用区1/3的深度，大约l0nm ~l000nm。
入射电子大量电离样品原子核外电子，使其变成自由电子从样品出射，称为二次电子，其能量低，多数小于50eV，从表层小于10nm范围中出射，携带样品形貌特征。
入射电子使原子内壳层的电子电离，出现空位，此刻原子处于激发态，外壳层电子向空位跃迁，并以特征X射线形式释放出多余能量，原子恢复到稳态。
不同元素的原子释放出的能量各异，故称元素的特征X射线，携带元素化学成分信息，在样品中的出射范围约几个um。
特征X射线为元素成分分析信号。
因此扫描电镜操作参数的选择和调整尤为重要。
三、扫描电镜的参数调节扫描电镜的工作参数大致可分为加速电压，探针电流，物镜光阑，以及相消散的调节。
下面我们一一展开，讨论一下这些参数对于获得的电子像的影响。
1.加速电压的选择加速电压是扫描电镜的重要参数，一般来说，仪器提供的加速电压的范围为0.2~30kV，需要根据种类和分析目的进行选择。
选择的依据如下表所示：2.探针电流的选择电子枪发射束流，经过聚光镜调节，会聚成更小的束斑尺寸（Spot Size)入射样品，其对应的束流称为探针电流（Iprobe)，探针电流大，束斑尺寸相应增加。
扫描电镜sem
扫描电镜（SEM）简介扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束对样品表面进行扫描的显微镜。
相比传统的光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度视野，使得它成为材料科学、生命科学和物理科学等领域中常用的研究工具。
SEM通过利用电子多次反射，将样品表面的形貌细节放大数千倍，可以观察到微观结构，比如表面形态、粗糙度、纳米级颗粒等。
SEM通常需要真空环境下操作，因为电子束在大气压下很快会失去能量而无法达到高分辨率。
工作原理SEM的工作原理可以简单地分为以下几步：1.电子发射：SEM中，通过热发射或场发射的方式产生电子束。
这些电子被加速器加速，形成高速的电子流。
电子束的能量通常在10-30 keV之间。
2.样品照射：电子束通过一个聚焦系统照射到样品表面。
电子束与样品原子发生相互作用，从而产生各种现象，比如电子散射、透射和反射。
3.信号检测：样品与电子束发生相互作用后，产生的信号会被探测器捕获。
常见的SEM信号检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器。
这些探测器可以测量电子信号的强度和性质。
4.信号处理和图像生成：SEM通过对探测到的信号进行处理和放大，生成图像。
这些图像可以显示出样品表面的微观结构和形貌。
应用领域SEM在许多科学领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：材料科学SEM可以用于研究材料的结构和形态。
它可以观察微观缺陷、晶体结构、纳米颗粒等材料细节。
这对于材料工程师来说非常重要，可以帮助他们改进材料的性能和开发新的材料。
生命科学SEM可以用于观察生物样品的微观结构。
比如，它可以观察细胞的形态、细胞器的分布和细胞表面的纹理。
这对于生物学家来说非常重要，可以帮助他们了解生物体的结构和功能。
纳米科学SEM在纳米科学领域中也有广泛的应用。
通过SEM可以对纳米材料进行表面形貌和结构的观察。
它可以显示出纳米结构的细节，帮助科学家研究纳米颗粒的组装、层析和相互作用等现象。
扫描电镜工作原理科普
扫描电镜工作原理科普扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察材料表面形貌和获得微观结构图像的仪器。
与传统的光学显微镜相比，扫描电镜能够提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在材料科学、生物学、纳米技术等领域被广泛应用。
下面将从工作原理、构成和应用角度对扫描电镜进行科普。
一、工作原理：扫描电镜的工作原理主要是利用电子的特性来实现高分辨率成像。
其基本原理可以概括为以下几个步骤：1.电子束的产生：扫描电镜中使用的是电子束而非光线，电子束通过热发射、场致发射等方式产生。
2.电子束的聚焦：电子束通过聚焦系统进行聚焦，使其能够更准确地照射到样品表面。
3.电子束的扫描：电子束通过扫描系统进行规律的扫描，以便覆盖样品表面的各个区域。
4.电子束与样品的相互作用：电子束照射到样品表面时，会与样品中的电子、原子发生相互作用，产生散射、透射、反射等现象。
5.信号的采集：根据与样品相互作用产生的信号，通过相应的探测器进行采集。
6.图像的生成：通过采集到的信号，经过信号处理和图像重构，最终生成样品的形貌图像。
二、构成：扫描电镜由以下几部分组成：1.电子枪：用于产生电子束的装置，通常采用热阴极或场致发射阴极。
2.聚焦系统：用于将电子束进行准确的聚焦，以便更好地照射到样品表面。
3.扫描系统：用于对样品表面进行规律的扫描，以便获取样品的整体形貌图像。
4.样品台：用于固定和导热样品，通常具有多种移动方式，以适应不同样品的观察需要。
5.检测器：用于采集样品与电子束相互作用所产生的信号，常用的检测器有二次电子检测器和反射电子检测器等。
6.显示和控制系统：用于显示图像、实时调节仪器参数以及采集和处理数据等。
三、应用：扫描电镜在科学研究、工业材料分析和教学实验等领域具有广泛的应用。
其主要应用如下：1.材料科学：扫描电镜可以用于研究材料的表面形貌、结构和成分，对于纳米材料、金属和非金属材料等的表面缺陷、晶体结构以及纳米结构等进行观察和分析。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它利用电子束与样品相互作用来获取样品表面的形貌和成分信息。
下面将详细介绍扫描电镜的工作原理。
一、电子源和电子束的产生扫描电镜中的电子源通常采用热阴极电子枪。
在电子枪中，通过加热阴极，使其发射出热电子。
这些热电子经过一系列的电场和磁场聚焦装置，最终形成一个高能、高亮度的电子束。
二、电子束的聚焦电子束经过电子枪后，进入电子透镜系统。
电子透镜系统由一系列的电磁透镜组成，可以对电子束进行聚焦和控制。
通过调整透镜的电场和磁场，可以使电子束的直径变小，从而提高分辨率。
三、样品的制备和加载在使用扫描电镜之前，需要对样品进行制备和加载。
通常情况下，样品需要被切割成适当的尺寸，并通过真空系统加载到电子镜的样品台上。
为了保持样品表面的纯净度和形貌，通常会对样品进行金属喷镀或碳喷镀等处理。
四、样品的扫描和信号检测当样品被加载到电子镜的样品台上后，电子束被聚焦在样品表面上。
电子束与样品相互作用时，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、散射电子等。
这些信号可以提供有关样品表面形貌、成分和结构的信息。
五、信号的检测和处理扫描电镜中的探测器可以检测样品表面产生的信号，并将其转换为电信号。
常用的探测器包括二次电子探测器和反射电子探测器。
这些电信号经过放大和处理后，可以通过计算机系统进行图像的重建和显示。
六、图像的生成和分析通过扫描电镜所得到的信号经过处理后，可以生成高分辨率的图像。
这些图像可以显示样品表面的形貌、纹理和微观结构等细节信息。
同时，可以利用图像处理软件对图像进行分析，如测量尺寸、计算表面粗糙度等。
七、应用领域扫描电镜在材料科学、生物学、地质学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
它可以用于研究材料的微观结构、表面形貌、纳米颗粒的分布等。
同时，扫描电镜还可以用于质量检测、故障分析和材料表征等方面。
总结：扫描电镜通过利用电子束与样品相互作用来获取样品表面的形貌和成分信息。
扫描电子显微镜(SEM)-介绍-原理-结构-应用
探头
扫描发生器 显像管
视频放大器
光电倍增管
试样
光导管
试样台
扫描电子显微镜主要由以下四个部分组成： 1. 电子光学系统：作用是获得扫描电子束，
作为信号的激发源。 2. 信号收集及显示系统：作用是检测样品在
入射电子作用下产生的物理信号 3. 真空系统：用来在真空柱内产生真空 4. 电源系统：作用是提供扫描电镜各部分所
3.3 背散射电子
背散射（backscattered）电子是指入射电子在样 品中受到原子核的卢瑟福散射后被大角度反射，再 从样品上表面射出来的电子，这部分电子用于成像 就叫背散射成像。 背散射分为两大类：弹性背散射和非弹性背散射。 弹性散射不损失能量，只改变方向。非弹性散射不 仅改变方向，还损失能量。从数量上看，弹性背反 射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。背反 射电子的产生范围在100nm-1mm深度。
d4
光电倍增管
d3:扫描系统ຫໍສະໝຸດ 试样光导管d4:试样室
试样台
2.1.1 电子枪
电子枪：钨丝成V形，灯丝中通以加热电流， 当达到足够温度时(一般操作温度为 2700K),发射电子束。在10-6Torr的真空 下，其寿命平均约40—80小时。
电子束 光阑孔
2.1.2 电磁透镜
电磁透镜：透镜系统中所用的透镜都是缩 小透镜，起缩小光斑的作用。缩小透镜 将电子枪发射的直径为30μm左右的电 子束缩小成几十埃，由两个聚光镜和一 个末透镜完成，三个透镜的总缩小率约 为2000~3000倍
03
SEM工作原理
3 扫描电镜成像的物理信号
入射电子轰击样品产生的物理信号
电子束与样品原子间的相互作用是表 现样品形貌和内部结构信息的唯一途 径。入射电子与样品原子中的电子和 原子核会发生弹性碰撞和非弹性碰撞， 所产生各种电子信号和电磁辐射信号 都带有样品原子的信息，从不同角度 反映出了样品的表面形貌、内部结构、 所含元素成分、化学状态等。
扫描电镜的基本结构和工作原理
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过扫描样品表面并利用电子束与样品相互作用来获取样品的表面形貌和成份信息。
下面将详细介绍扫描电镜的基本结构和工作原理。
一、基本结构1. 电子枪：扫描电镜的电子枪是电子束的发射源，它由热阴极和加速电极组成。
热阴极通过加热发射电子，加速电极则用于控制电子束的能量和聚焦。
2. 准直系统：准直系统包括准直磁铁和透镜，主要用于聚焦电子束并使其垂直于样品表面。
3. 扫描线圈：扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围，通过改变扫描线圈的电流，可以实现对样品不同区域的扫描。
4. 检测系统：检测系统主要包括二次电子检测器和后向散射电子检测器。
二次电子检测器用于检测样品表面的二次电子发射信号，后向散射电子检测器则用于检测样品表面的后向散射电子。
5. 显示和记录系统：显示和记录系统用于将检测到的信号转化为图象，并显示在显示器上或者记录在存储介质上。
二、工作原理扫描电镜的工作原理主要分为以下几个步骤：1. 电子束的发射：扫描电镜中的电子束是通过热阴极发射的。
热阴极受到加热，产生高能电子。
2. 电子束的聚焦：经过准直系统的调节，电子束被聚焦为一个细小的束流，并且垂直于样品表面。
3. 电子束的扫描：扫描线圈控制电子束在样品表面的扫描范围。
电子束按照预设的扫描模式在样品表面扫描，扫描过程中，电子束与样品表面相互作用。
4. 信号的检测：样品表面与电子束相互作用后，会产生一系列的信号，包括二次电子和后向散射电子。
二次电子检测器和后向散射电子检测器将这些信号转化为电信号。
5. 图象的生成：检测到的电信号经过放大和处理后，转化为图象信号。
这些图象信号经过显示和记录系统的处理，最平生成可见的样品表面形貌图象。
扫描电镜的基本结构和工作原理使其能够在高分辨率下观察样品的表面形貌和成份信息。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更高的分辨率，可以观察到更细微的细节。
扫描电镜加能谱
扫描电镜加能谱扫描电镜和能谱是一种常用的材料表面分析技术。
它们在材料科学、生物学、化学、地质学等领域具有广泛的应用。
下面将从扫描电镜和能谱的原理、特点、应用等方面进行介绍。
一、扫描电镜原理扫描电镜是一种利用电子束扫描样品表面，通过检测电子与样品相互作用产生的信号，来获取样品表面形貌和信息的显微镜。
扫描电镜主要由电子枪、透镜系统、扫描系统、信号检测系统和成像系统等组成。
1. 电子枪：产生电子束，电子束经过透镜系统聚焦后，照射到样品表面。
2. 透镜系统：对电子束进行聚焦，使电子束在样品表面形成高分辨率的光斑。
3. 扫描系统：控制电子束在样品表面的扫描路径，实现样品表面的逐点扫描。
4. 信号检测系统：检测电子束与样品相互作用产生的信号，如二次电子、背散射电子等。
5. 成像系统：将检测到的信号转换为图像，显示在显示器上。
二、能谱原理能谱是一种通过分析样品在电子束照射下产生的特征X射线，来确定样品元素组成和含量的分析方法。
能谱仪主要由样品室、X射线探测器、信号放大器和数据处理系统等组成。
1. 样品室：放置样品，样品在电子束照射下产生特征X射线。
2. X射线探测器：检测样品产生的特征X射线，将X射线能量转换为电信号。
3. 信号放大器：放大电信号，提高信噪比。
4. 数据处理系统：处理放大后的电信号，绘制能谱图，分析样品的元素组成和含量。
三、扫描电镜加能谱的特点1. 高分辨率：扫描电镜可以实现高分辨率的表面形貌观察，能谱可以精确地分析样品的元素组成和含量。
2. 空间分辨率：扫描电镜具有较好的空间分辨率，可以观察到样品表面的微小区域。
3. 灵敏度高：能谱对微量元素的检测灵敏度高，可以检测到样品中的微量元素。
4. 无损检测：扫描电镜和能谱都是无损检测技术，对样品没有损伤。
5. 适用范围广：扫描电镜和能谱可以应用于各种材料，包括金属、非金属、生物样品等。
四、扫描电镜加能谱的应用1. 材料科学：研究材料的微观形貌、晶体结构、相组成等。
扫描电镜
扫描电镜扫描电镜是一种现代科学研究中常用的一种工具，它能够以极高的分辨率和放大倍数观察样品中的微观结构，对于材料科学、生物学、药物研发等领域都具有重要的意义。
下面本文将介绍扫描电镜的基本原理、工作方式以及其应用领域。
扫描电镜是一种利用电子束代替光线的显微镜，它的基本原理是利用电子的波粒二象性，通过控制电子束的聚焦和偏转，对样品进行扫描式的观察。
相比传统光学显微镜，扫描电镜可以提供更高的放大倍数和更高的分辨率，能够观察到更细微的细节结构。
扫描电镜的工作方式是将电子束从电子枪中发射出来，经过放大和聚焦后，通过磁场的控制进行偏转，最后聚焦到样品的表面。
在样品表面，电子束与样品之间会发生相互作用，产生一系列的信号，包括二次电子、反射电子、散射电子等。
这些信号经过收集和放大后，通过探头传感器转化为电信号，并经过计算机处理后得到图像。
扫描电镜有许多不同类型，其中常见的是场发射扫描电镜（FE-SEM）和透射电镜（TEM）。
场发射扫描电镜主要用于观察样品表面的形貌和结构，其分辨率可以达到纳米级别。
透射电镜则主要用于观察样品内部的结构，能够提供更高的分辨率，可以观察到原子水平的细节。
扫描电镜在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中，扫描电镜可以观察材料表面的微观结构和晶体形貌，帮助研究人员了解材料的性质和特性。
在生物学中，扫描电镜可以观察细胞的形态和结构，研究细胞的功能和组织的构成。
在药物研发中，扫描电镜可以观察药物微粒的形状和尺寸，帮助优化药物的制备工艺和提高药效。
除了以上应用领域，扫描电镜还广泛应用于材料质量控制、环境监测、纳米科学等领域。
随着技术的不断进步，扫描电镜的分辨率和性能也在不断提高，为科学研究提供了更强有力的工具。
总之，扫描电镜作为一种重要的科学研究工具，具有极高的分辨率和放大倍数，可以观察到微观结构的细节，帮助研究人员深入了解材料和生物体的特性和结构。
它在材料科学、生物学、药物研发等领域发挥着重要作用，并有着广泛的应用前景。
扫描电镜分析简介
扫描电镜分析简介扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种常用的材料分析技术，通过表面扫描电子束所产生的电子与样品表面相互作用，测量和分析电子束与样品之间的相互作用现象，得到图像和各种表征参数，从而实现对样品微观结构的观察和分析。
SEM的工作原理是将样品置于真空条件下，利用电子枪产生高能电子束，以扇形或螺旋形的方式扫描在样品表面，当电子束与样品相互作用时，部分电子进入样品表面产生的电子云，将原本在电子束路径上不可见的电子转化为可见的信号。
这种信号包括二次电子（Secondary Electrons, SE）和反射电子（Backscattered Electrons, BSE）两种，二次电子主要来自于样品表面物质的元素分布和拓扑结构，反射电子则主要来自于电子束与原子核的碰撞反射。
通过收集、放大和检测这些反射电子，就可以获取样品的电子图像。
SEM与传统的光学显微技术相比，具有以下优点：1.高分辨率：SEM的分辨率可达到亚纳米级别，能够观察到更小的细节和粒子。
2.能够观察非导电材料：相对于传统的透射电镜，SEM可以直接观察非导电材料，不需要特殊的样品制备。
3.大深度焦距：SEM具有较大的深度焦距，可以获得更清晰的三维像。
4.显示能力强：SEM可以生成高对比度的图像，并且具有较强的深度感。
5.多功能性：SEM除了观察样品表面形貌外，还可以进行成分分析、晶体结构分析、导电性测量等多种功能。
SEM主要应用于材料研究、生物医学、纳米科学等领域。
在材料研究中，SEM常用于观察材料的晶体形貌、断口形貌、金属表面的腐蚀和磨损等。
在纳米科学领域，SEM可以用于观察纳米材料的形貌和尺寸分布，同时还可以通过能谱分析技术，得到不同区域的元素组成。
在生物医学中，SEM可以观察细胞结构、病毒和细菌等微生物形态特征，对研究细胞生物学、病理学等具有重要意义。
为了更好地进行SEM分析，需要注意以下几个方面的问题：1.样品制备：样品要求具有一定的导电性，通常需要进行金属镀膜或者冷冻干燥等处理才能满足要求。
sem扫描电镜
二次电子像的信号是二次电子，用于表面形貌分析；背散射电子 像的信号是背散射电子，用于成分分析。因此二次电子像对形貌 敏感，背散射电子像对成扫描电子显微镜，简称为扫描电镜，英文缩写为SEM （Scanning Electron Microscope）。它是用细聚焦的 电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生 的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进 行观察和分析。SEM已广泛应用于材料、冶金、矿物、 生物学等领域。
图2 JSM-6301F场发射扫描电镜的结构
电子光学系统
组成：电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部 件。
作用：获得扫描电子束、作为产生物理信号的激发 源。
为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子 束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。
电子枪
✓ 利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大 多数扫描电镜采用热阴极电子枪。优点：灯丝价格便宜，真 空要求不高；缺点：发射效率低，发射源直径大，分辨率低。
✓ 现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子 枪，二次电子像的分辨率可达到2nm。
✓ 扫描电镜的分辨率与电子在试样上的最小扫描范围有关。通 常电压为1〜30kV。
图3 三种不同类型的电子枪材质
电磁透镜
➢ 作用：是把电子枪的束斑逐渐缩小，从原来直径约为50μm的 束斑缩小成一个只有几nm的细小束斑。
SEM的主要性能参数
分辨率 放大倍数 景深
分辨率
扫描电镜的原理及应用
扫描电镜的原理及应用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过检测电子束与样品交互产生的多种信号来获得样品表面形貌和成分信息的显微镜。
相比传统光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和深度，广泛应用于材料科学、生物学、地质学、电子学等多个领域。
1.电子源：扫描电镜使用热阴极或场发射电子枪产生电子源，通过激光或电子束对电子源进行刺激，使其产生电子。
2.真空系统：扫描电镜需要在真空中进行工作，以避免电子与空气分子的相互作用。
真空系统可确保电子束能够稳定地通过管道进入样品表面。
3.电子束的聚焦和定位：经过加速和聚焦装置后，电子束被聚焦到非常小的直径，同时通过扫描线圈控制电子束在样品表面上进行移动和定位。
4.样品表面的信号检测：样品表面与电子束交互后，产生多种信号，包括二次电子、背散射电子、X射线、荧光等。
通过相应的检测元件，如二次电子检测器和能谱仪，来收集这些信号。
5.数据处理和成像：通过对收集到的信号进行放大、滤波、扫描等处理，将数据转化为像素点，通过屏幕或计算机显示成像。
扫描电镜具有很多应用领域，以下是其中的几个主要应用：1.材料科学：扫描电镜可用于研究材料表面形貌、晶体结构以及纳米材料的性质。
通过观察和分析材料表面形貌和成分，可以揭示材料的微观结构、缺陷、晶胞排列等信息。
2.生物学：扫描电镜对于生物学研究也有很大的帮助。
可以观察细胞、组织和器官的微观形态、细胞器的分布和关系。
通过扫描电镜的成像，可以研究细胞的形态和结构与功能的关系，以及疾病的发生机制。
3.地质学：扫描电镜可用于研究岩石和矿石的成分、结构、矿物组成等信息。
可以观察到岩石和矿石的微观结构、矿物晶型、矿物交代等特征，为地质学和矿物学研究提供重要的信息。
4.电子学：在微电子制造中，扫描电镜可用于观察和分析电子元件的形态和结构、探测缺陷和纳米线路的状况。
这对于电子元件的设计和质量控制非常重要。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束与样品之间的相互作用来获取样品表面的形貌和结构信息。
它在材料科学、生物学、医学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
一、扫描电镜的基本原理扫描电镜的基本原理是利用电子束与样品表面的相互作用来获得样品表面的形貌和结构信息。
其主要由电子光学系统、扫描控制系统和图象显示系统三部份组成。
1. 电子光学系统扫描电镜的电子光学系统主要包括电子枪、透镜系统和探测器。
电子枪通过加热阴极产生热电子，经过加速电压加速后形成高速电子束。
透镜系统包括聚焦透镜和扫描线圈，通过调节透镜电压和扫描线圈电压来控制电子束的聚焦和扫描。
探测器用于检测样品表面的信号并转换为电信号。
2. 扫描控制系统扫描控制系统主要由扫描线圈和样品台组成。
扫描线圈通过改变电流大小和方向来控制电子束的扫描范围和速度。
样品台用于固定和调节样品位置，保证样品与电子束之间的距离和角度的稳定。
3. 图象显示系统图象显示系统主要由信号放大器、数字转换器和显示器组成。
信号放大器用于放大探测器输出的电信号，数字转换器将摹拟信号转换为数字信号，最后通过显示器将数字信号转换为可视的图象。
二、扫描电镜的工作过程扫描电镜的工作过程主要包括样品制备、样品加载、电子束扫描和图象获取四个步骤。
1. 样品制备样品制备是扫描电镜工作的前提，样品的制备质量直接影响到最终的观察结果。
常见的样品制备方法包括金属薄膜沉积、切片制备、离子切割等。
2. 样品加载样品加载是将制备好的样品放置到扫描电镜的样品台上，并调整样品位置和角度，使得样品表面与电子束之间的距离和角度适合观察要求。
3. 电子束扫描电子束扫描是通过控制扫描线圈的电流和方向，使得电子束在样品表面上进行扫描。
扫描过程中，电子束与样品表面的相互作用会产生多种信号，如二次电子信号、反射电子信号、散射电子信号等。
4. 图象获取图象获取是将样品表面的信号转换为电信号，并通过信号放大器、数字转换器和显示器将其转换为可视的图象。
扫描电镜
发展历程：
1935年Knoll克诺尔（德国）提出工作原理 1938年Ardenne阿登纳（德国）制成第一台 扫描电镜 1965年第一台商品扫描电镜上市。
第3章 扫描电子显微镜
第3章 扫描电子显微镜
日本JXA-840 EDAX9100
第3章 扫描电子显微镜
第3章 扫描电子显微镜
扫描电镜的特点
思考题
1、扫描电镜的工作原理？ 2、形貌衬度与成分衬度的定义及特点？ 3、分析二次电子像、背散射电子像的特点？ 4、影响分辨率的因素？ 5、扫描电镜的景深？ 6、扫描电镜对样品表面的要求？
100mm
10mm M＝10倍
第3章 扫描电子显微镜
分辨率：
扫描电子显微镜主要性能指标。对微区成份分 析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言， 它是指能分辨两点之间的最小距离。 影响因素： （1）主要取决于入射电子束直径，电子束直径愈小， 分辨率愈高。(2-10nm) （2）成像信号。入射电子束与试样相互作用会使入 射电子束在试样内的有效激发范围大大超过入射束 的直径。S:5-10nm B:50-200nm
第3章 扫描电子显微镜
第3章 扫描电子显微镜
二次电子像
背散射电子像
第3章 扫描电子显微镜
2.原子序数衬度原理
背散射电子产额随原子序数增大而增多。样品 中重元素区域呈亮区，而轻元素区域则为暗区。
图3-15
第3章 扫描电子显微镜
二次电子像
背散射电子像
图3-16 锡铅镀层的表面图像
第3章 扫描电子显微镜
第3章 扫描电子显微镜
第3章 扫描电子显微镜
二、电子束与固体样品相互作用
图3-3 电子束与固体样品的作用
第3章 扫描电子显微镜
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理引言概述：扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，通过扫描样品表面并测量反射电子的信号来获取样品的形貌信息。
本文将详细介绍扫描电镜的工作原理。
正文内容：一、电子束的产生与聚焦1.1 热阴极电子发射：热阴极通过加热产生的热能使电子从阴极表面发射出来。
1.2 真空环境：扫描电镜需要在真空环境中工作，以避免电子束与气体分子发生碰撞而散射。
1.3 电子束的聚焦：通过电磁透镜对电子束进行聚焦，使其具有较小的直径和较高的能量密度。
二、扫描线圈与样品的扫描2.1 扫描线圈：扫描线圈通过施加电流，产生磁场从而使电子束在样品表面上进行扫描。
2.2 扫描模式：扫描电镜可采用逐行扫描或逐点扫描的方式，将电子束沿着样品表面进行扫描。
2.3 扫描速度与分辨率：扫描速度和分辨率之间存在着一定的权衡，较高的扫描速度可获得较低的分辨率，而较低的扫描速度可获得较高的分辨率。
三、信号的检测与放大3.1 二次电子信号：当电子束与样品表面相互作用时，会产生二次电子信号，这些信号携带了样品表面形貌的信息。
3.2 检测器：扫描电镜使用不同类型的检测器来检测二次电子信号，常见的有原子力显微镜（AFM）和光电倍增管（PMT）。
3.3 信号放大：检测到的二次电子信号经过放大处理，以便更好地观察和分析样品的形貌。
四、图像的生成与显示4.1 信号转换：放大后的信号被转换成数字信号，以便进行图像处理和分析。
4.2 图像生成：通过将扫描过程中获取到的信号与扫描位置的信息进行匹配，生成样品的图像。
4.3 图像显示：生成的图像可以通过计算机显示器或打印机进行显示和输出，以供观察和分析。
五、应用领域与发展趋势5.1 应用领域：扫描电镜广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域，用于研究材料的微观结构和表面形貌。
5.2 发展趋势：随着技术的不断进步，扫描电镜的分辨率和图像质量将不断提高，同时也将更加注重对样品的非破坏性观察和三维重建等方面的发展。
扫描电镜SEM
扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM) 扫描电镜(SEM)就是介于透射电镜与光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段,可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。
扫描电镜的优点就是,①有较高的放大倍数,20-20万倍之间连续可调;②有很大的景深,视野大,成像富有立体感,可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构;③试样制备简单。
目前的扫描电镜都配有X射线能谱仪装置,这样可以同时进行显微组织性貌的观察与微区成分分析,因此它就是当今十分有用的科学研究仪器。
电子束与固体样品的相互作用扫描电镜从原理上讲就就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描,激发出各种物理信息。
通过对这些信息的接受、放大与显示成像,获得对就是试样表面性貌的观察。
具有高能量的入射电子束与固体样品的原子核及核外电子发生作用后,可产生多种物理信号如下图所示。
电子束与固体样品表面作用时的物理现象一、背射电子背射电子就是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子,其中包括弹性背反射电子与非弹性背反射电子。
弹性背反射电子就是指倍样品中原子与反弹回来的,散射角大于90度的那些入射电子,其能量基本上没有变化(能量为数千到数万电子伏)。
非弹性背反射电子就是入射电子与核外电子撞击后产生非弹性散射,不仅能量变化,而且方向也发生变化。
非弹性背反射电子的能量范围很宽,从数十电子伏到数千电子伏。
从数量上瞧,弹性背反射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。
背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度,如下图所示。
电子束在试样中的散射示意图背反射电子产额与二次电子产额与原子序束的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm(与电子束斑直径相当)。
背反射电子的产额随原子序数的增加而增加(右图),所以,利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征,也可以用来显示原子序数衬度,定性进行成分分析。
二、二次电子二次电子就是指背入射电子轰击出来的核外电子。
扫描电镜
演讲者： 陈磊 陈映雪 胡磊 贾立颖 赵立山
指导教师： 潘礼庆
1
概述
2
相关原理
3
实验设备及使用方法
4
应用及示例分析
概述
扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写 为SEM (Scanning Electron Microscope)。 它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电 子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电 子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。
3:电子感应电动势象是半导体器件所特有的，常用来显 示半导体、绝缘体的表面形貌、晶体缺陷、微等离 子体和P－N结
实验设备及应用
扫描电子显微镜主要包括： 电子光学系统 扫描系统 信号检测放大系统 图象显示和记录系统 电源和真空系统等
扫 描 电 镜 成 像 示 意 图
成像示意图
电子枪
其作用是利用阴极与阳极之间的高电压来长生 高能量的电子束。电子显微镜对电子枪的要求 是：能够提供足够数目的电子，发射电子越多， 成象越亮；发射电子的区域要小，电子束越细， 象差越小，分辩本领越好；电子速度要大，动 能越大，成像越亮。
电子束与固体样品作用和产生的信号
1:一束细聚焦的电子束轰击试样表面时，入射电子与试 样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性散射作 用，并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信 息，有：二次电子、背散射电子、阴极发光、特征X 射线、俄歇过程和俄歇电子、吸收电子、透射电子 等。
2:这些信息与样品表面的几何形状以及化学成份等有很 大的关系。
背散射电子象
形貌衬度 △ 倾角因素：
背散射电子产额 η=Ib/Ip
η随倾角θ增加而增加，但不精确满足正割关系
△ 方向因素： 背散射电子在进入检测器之前方向不
第十三章扫描电镜
⑶二次电子能量低，可利用检测器收集栅上加一定正 电压来吸引能量较低的二次电子，使它们以弧形路线 进入闪烁体，使背向检测器的背位逸出的电子也能对
由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的而荧光屏上的每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的因此样品上各点的状态各不相同所以接受的信号也不相同故可在荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图镜筒内要保持一定的真空度目的是防止样品污染极间放电等问题
§12－1 电子束与固体样品作用时产生的信号
电子的数目较多，相反，吸收电子的数量
就较少；反之亦然。因此，吸收电子也可
反映原子序数衬度，可进行定性微区成分
分析。
3. 作用：定性微区成分分析。
四. 透射电子
1. 产生：如果被分析的样品很薄，则有一部分入射 电子穿过薄样品而成为透射电子。此时， 背散射电子i
入射电子强度（i）=
+二次电子强度i
+吸收电子i
扫描电镜（SEM）的用途： ⑴ 断口形貌分析、金相表面形貌观察； ⑵ 成分分析（和电子探针结合）； ⑶ 材料变形与断裂动态过程原位观察。 分辨率：1nm以下（二次电子像）；
放大倍数：数倍～20万倍左右。
高能电子束与样品作用产生各种信息：
二次电子、背散射电子、
吸收电子、特征X射线、 俄歇电子、透射电子等。
+透射电子i
2. 特点：⑴ 只有样品的厚度小于入射电子的有效
穿入深 度时，才会产生。
⑵ 随样品厚度增加（质量厚度ρt），透
射电子数目减小，吸收电子数量增加，当样品 厚度超过有效穿透深度后，无透射电子。
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试样制备
不同的断口应选择不同的试样制备方法。扫描电镜试样制
备的主要标准是：具有传导性、清洁、尺寸可以放入试样
腔内。如果试样太大，需要采用复型。断裂表面的形貌可 以通过直接检测断口进行分析
热蒸发
在高真空情况下，通过隔断金属线的热，在钟形罩中干燥
薄膜。
如果试样呈一定角度放臵，图像比较模糊。这种投影技术 可以强调表面特点。在断口金相中，投影可以提高细疲劳 条纹的准确性及解理断口中模糊河流形式的对比。投影定 义了裂纹扩展的方向。
确认沿晶脆性断口的原因比较复杂，SEM可以确定断裂模
式。
断口通常放大1000×，断口金相中必须显示晶粒之间的关 系，需要一系列范围的放大倍数清楚显示断口金相。
高强铝合金大气应力腐蚀开裂导 致的晶粒边界开裂 130×
穿晶断口模式 ——包括解理和疲劳
解理
解理断口显示小平面，在SEM中为很平坦的小平面，在较高的放大倍 数下，小平面可以显示局部的裂纹扩展方向。河流模式代表同一解理 平面内不同高度的局部解理面之间的台阶。
横向剪切过 载下高强钢 的断口
铜试样拉伸试验形成的韧窝
韧窝的尺寸受材料韧性的影响较大，韧性断口的放大倍数
不能确定。断口金相的放大倍数应调整到能显示韧窝的尺
寸和方向。如果韧窝的方向比较模糊，应采用体式显微镜
沿晶脆性断口
Hale Waihona Puke 又叫晶粒边界开裂或沿晶断裂，冰糖块或小平面形貌。是 环境和应力综合影响的结果。
薄单载物台塑料复型
由于薄单载物台塑料复型易 碎，不易从粗糙断面上移开， 主要限于抛光-腐蚀试样。 在断口金相中，薄单载物台 塑料复型通常用于相对光滑 试样的观察，及需要相对高 的分辨率。 复型从断口上移开的两个方 法： •机械脱模 单载物台形成 •通过化学腐蚀或电抛光溶解 断口表面的少量金属
厚单载物台复型
试样准备
TEM的试样必须合理透得过电子 ，必须有足够厚度或密度 的局部变量，尺寸足够小，可以放臵到试样腔内。 通过断口表面的塑性或碳化物复型，满足从透射到扫描的 试验要求， 用于断口研究的复型的分类：单载物台复型和双载物台复 型，双载物台的塑性碳复型技术，检测粗糙断口表面应用 最多。另外脱模复型常用来检测嵌入到基体中的微粒，例 如钢材中的微小二次相微粒。
•在足够幅度下，如 果部件承受有规律 的载荷，一个条纹 间距代表一个应力 循环。 •如果部件承受无规 律的载荷，每个应 力循环不一定产生 一个条纹间距。
(a)80× (b)800 × (c) 4000× (d) 8000× (上图中放大倍数逐渐增大的金相照片）
夹杂
低碳钢中的疲劳条纹
采用扫描电镜观察疲劳源时，放 大倍数至少是扩展区的两倍
转变氧化膜复型
一些断口金属的表面（如：不锈钢）氧化形成一层薄氧化 膜，这层氧化膜比较稳定，在脱模及随后的处理中不易变 形，氧化膜基本上没有结构。除了奥氏体不锈钢，这个方 法不适用于铁素体合金。 转换氧化膜复型脱模相对困难，针对铝及铝合金试样，试 样作为阳极，高纯度的铝作为阴极，施加12V的电压脱模 因为氧化膜复型可以在TEM上提供足够的图象对比，通常 不用投影。
低碳钢试样的解理 断口 385×
热轧1040钢冲击试样在－196℃断裂
疲劳
疲劳的起源位臵可以通过第二阶段裂纹的扩展确定，宏观 海岸线标志或贝纹线从裂纹起源处向外辐射。采用SEM在
相对较高的放大倍数下检测疲劳扩展区域时，海岸线标志
归结为成千上万的疲劳条纹。
锻造铝合金飞机部件的疲劳失效，典型的海岸线标志
在形成第一阶段塑料复型时的技术失误 是双载物台复型出现问题的主要原因 在双载物台的塑料碳复型 中的四种典型
复型从断面上移开的过程中出现的缺陷有三种类型： 在单载物台，如果碳附着在断面上，会出现空洞 在塑料单载物台复型或第一阶复型中，出现拉伸塑性断裂。
擦伤缺陷，TEM塑料碳复型 3000×
TEM和SEM的对比
双载物台复型
双载物台复型应用于TEM观察中的 薄的二阶段复型，或扫描电镜中的 厚的二阶段复型。 双载物台方法应用于分析服役断裂， 复型的可移植性和完整性非常重要。
双载物台复型
抽出复型
这种方法经常应用于确认金属中的沉淀，如果沉淀的尺寸 足够大（直径＞100nm），可以采用薄膜试样直接检测， 否则，最好采用抽出复型从基体中抽出沉淀物。
3100×
退火Ti-8Al-1Mo-1V合金高 周疲劳断裂表面 3100×
4000×
铝合金低周疲劳断裂的 韧窝和条纹 1600×
混合断裂模式
应力腐蚀与疲劳相结合 两种失效模式相结合产生断裂
透射式电子显微镜（TEM)
主要用于研究断口表面及其它相关的现象（获得放大倍数、扩大 视场范围），采用TEM及相关复型主要用于三方面的研究：
需要更高的分辨率（超过1nm)，如研究超细疲劳条纹； 检测较大部件的表面，不截取； 需要确认抽出微粒的部位；
SEM
TEM
AISI T2高速工具钢的室温冲击 断裂试样 3100×
4000×
铝合金低周疲劳断 裂试样 4000×
6400×
SEM
TEM
铝合金应力腐蚀开裂4000×
5000×
晶粒边界有许多小腐蚀点
退火Ti-8Al-1Mo-1V合金拉 伸过载断口 2400×
4000×
显示了真实形貌
退火Ti-8Al-1Mo-1V合金高周 疲劳断裂表面 1200×
做复型前清洗断口表面
制作复型前需要清洗断口表面，除去污染物 单载物台复型： •一薄层塑料在断裂表面上形成复型 •通过真空汽相沉淀法直接在断裂表面上形成一薄层碳 •通过在表面化学或化学加热处理方法，在断口表面形成转化 氧化膜 投影之后，单载物台复型可以用来直接检测；由于在TEM中检测的 试样，不易观察到确切的形貌，投影可以解决这一困难。 如果试样足够薄，可以采用TEM直接检测，而在扫描电镜或光学显 微镜中检测的试样相对较厚。
假定所有的因素恒定，干燥的金属决定了薄膜的结构。通
常，金属的干燥温度越高，薄膜越细。碳薄膜用于X射线
分析，或作为初级覆层提高金属薄膜的附着性。
喷溅覆层
在低真空条件下，通过高能等离子体从试样上腐蚀金属原子，
针对粗糙表面试样，优先蒸发采用这项技术。这是因为从试样 上释放的金属原子通过气体分子在试样台内被偏转，因此可以 从各个方向接近试样。例如：轫性断裂表面的复型经常夸大断 口形貌，如果采用热蒸发，不增加薄膜厚度，很难覆盖韧窝的
扫描电镜
SEM的应用
扫描电镜具有分析性能，可以检测试样的化学成分。X射 线和结构信息相结合是另外一种描述试样的方法。
近来在扫描电镜上的研究主要是：热波成像，通常用来检
测表面缺陷。
这套装臵也可用于现场断裂研究，以及变形的动力学分析。
SEM设备
扫描电镜 共分为四 个系统：
成像系统 信息系统 显示系统 真空系统
(a)具有沉淀的原始材料 (b) 腐蚀后
(c)碳膜覆盖式样
(d)放入腐蚀液，从基体中释放沉淀
马氏体钢试样断口表面上的沉淀尺寸和典型分布
815℃退火1小时，空冷，在480 ℃时效3小时，空冷，失 效几个小时后试样断裂
复型投影
单载物台塑料复型的投影过程
复型中的典型产物
复型加工过程中经常碰到的缺点不会影响断口表面的细节 A第一阶塑料复型拉伸的结果 B第二阶碳复型上的裂纹 C未适当清洗表面上的微粒 D第一阶段未完全分解的残余塑料
通常在双载物台技术中用于第一个载物台 厚的复型比较容易从断口移开，更耐久，可以提供更高的 分辨率。 厚单载物台复型的厚度为从0.025mm到0.305mm，或者 是薄单载物台塑性复型的25倍。
单载物台直接碳复型
采用TEM检测试样时，直接碳复型方法优先于塑料复型方 法。碳复型相对比较稳定，耐久，具有较高的分辨率，通 常采用直接碳复型在TEM中观察最微弱的断口特点。
空隙，而采用喷溅覆层，则不需要增加薄膜厚度。
二极管喷溅覆层包括试样台和一个小钟形罩，在低真空情况下，
氩气或氮气吹进试样腔内，在辉光放电过程中形成等离子体，
高能离子撞击试样，这种能量使金属原子从试样上喷射出来， 通过试样和试样台之间的电势差，金属原子向试样聚拢。
SEM断口金相
韧性断口
通过SEM检测韧性断口表面可以显示断裂过程中承受的负载类型、裂 纹扩展方向和材料的相对韧性。 部件断裂过程中承受的负载类型决定产生的韧窝形状，韧窝的方向显 示了裂纹的扩展方向。