扫描电子显微镜SEM

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扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)

二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。
扫描电子显微镜（SEM）
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扫描电镜的优点：有较高的放大倍数，20-200000倍之间连续可调；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；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形貌的观察和微区成分分析（即SEM-EDS），因此它是当今十分重要的科学研究仪器之一。
扫描电子显微镜（SEM）工作原理
透射电子显微镜（TEM）：
透射电子显微镜可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。
扫描电子显微镜下，细胞（粉色、蓝色）上培养出来的新冠病毒（黄色）
学习感悟：生命科学的发展离不开技术，显微镜的发明推动了生命科学的发展。要观察病毒就需要特殊的显微镜。
扫描电子显微镜（SEM）：
扫描电子显微镜是1965年发明的主要用于细胞生物学研究电子显微镜，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子。

扫描电子显微镜及能谱仪SEM

扫描电子显微镜及能谱仪SEM扫描电子显微镜及能谱仪SEM扫描电子显微镜及能谱仪SEM是一种强大的实验仪器，它能够帮助我们开启微观世界的大门，从而深入了解物质在最基本层面的性质和结构。

本文将在以下几个方面对SEM及其应用进行介绍。

一、扫描电子显微镜SEM的原理扫描电子显微镜SEM是一种采用电子束的显微镜，通过高能电子束与样品相互作用，透过扫描线圈产生扫描信号，实现对样品表面形貌的观察和获取高清晰度的图像。

SEM和光学显微镜有很大的不同，光学显微镜是使用光来观察物质的显微镜，而SEM则是使用电子来观察物质。

扫描电子显微镜SEM的工作原理主要分为以下三个步骤：1、获得高能电子束：扫描电子显微镜SEM内部有个电子枪，电子枪发射出的电子经过加速器的加速器和聚焦极的聚焦，成为高能电子束。

2、扫描样品表面：高能电子束射向样品表面，样品表面反弹回来的电子信号被SEM仪器捕获。

3、产生扫描信号：把从样品表面反弹回来的电子信号进行放大，形成显微图像。

二、能谱仪的原理能谱仪是SEM中的重要组成部分，它可以检测电子在样品中的反应和监测样品中所含的化学元素，以及相应元素的含量。

能谱仪的工作原理是通过检测样品产生的X射线来分析样品组成，电子束与样品相互作用，产生一系列的X射线能量峰值。

每个元素都有不同能级的电子，其X射线产生的能量也分别对应不同的峰值。

因此，通过表征能谱仪所发现的不同X射线能量峰的位置和强度，可以确定样品中所含元素。

三、SEM的应用1、矿物学SEM被广泛应用于矿物学研究中，因为它能够提供很高的图像分辨率。

将样品与高能电子束相互作用可使样品表面反射的电子被收集，从而形成高分辨率的矿物学图像。

2、材料科学在材料科学中，SEM被用于表面形貌研究以及微观结构解析。

通过SEM可以获取材料的内部结构和力学特性，为材料研发和工业应用提供了有力支持。

3、医学SEM在医学领域也有极为重要的应用，例如用于人体组织医学研究。

SEM可以提供高质量且精细的人体组织图像，进一步促进了医学领域的研究和治疗。

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。

SEM扫描电子显微镜

线扫描分析：
电子探针
将谱仪〔波、能〕固定在所要测量的某一元素特征X射线信号〔波长或能量〕的位置，把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布状况。转变位置可得到另一元素的浓度分布状况。
面扫描分析〔X射线成像〕：
电子束在样品外表作光栅扫描，将谱仪〔波、能〕固定在所要测量的某一元素特征X射线信号〔波长或能量〕的位置，此时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。转变位置可得到另一元素的浓度分布状况。也是用X射线调制图像的方法。
征X射线，分析特征X射线的波长〔或能量〕可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。
➢ 其镜筒局部构造和SEM一样，检测局部使用X射线谱仪。
电子探针
X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为: 能量分散谱仪〔EDS〕，简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。波长分散谱仪〔WDS〕，简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。
对于纤维材料，用碳胶成束的粘接在样品台上即可。
样品制备
粉末样品：留意粉末的量，铺开程度和喷金厚度。粉末的量：用刮刀或牙签挑到双面导电胶〔2mm宽，8mm长〕，
均匀铺开，略压紧，多余的轻叩到废物瓶，或用洗耳球吹，后者易污染。铺开程度：粉末假设均匀，很少一点足矣，否则易导致粉末在观看时剥离外表。喷金集中在外表，下面样品易导电性不佳，观看比照度差，建议承受分散方式。
定量分析精度不如波谱仪。
电子探针
波谱仪
➢ 波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。 ➢ 依据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过确定晶面间距的晶
体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地转变θ，就可以在与X射线入射方向呈2θ的位置上测到不同波长的特征X射线信号。 ➢ 依据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素。

扫描电子显微镜(SEM)简介

关机与清理
完成观察后，关闭扫描电子显微镜主机和计算机，清理样品台，保持仪器整洁。
注意事项
样品求
确保样品无金属屑、尘埃等杂质，以免损坏镜体或影响成像质量。
避免过载
避免长时间连续使用仪器，以免造成仪器过载。
保持清洁
定期清洁扫描电子显微镜的镜头和样品台，以保持成像清晰。
操作人员要求
操作人员需经过专业培训，了解仪器原理和操作方法，避免误操作导致仪器损坏或人员伤害。
操作方式
有些SEM需要手动操作，而有些型号则具有自动扫描和调整功能。
适用领域
不同型号的SEM适用于不同的领域，如材料科学、生物学等，选
择时应考虑实际应用需求。
04
SEM的操作与注意事项
操作步骤
01
02
03
开机与预热
首先打开电源，启动计算机，并打开扫描电子显微镜主机。预热约30分钟，确保仪器稳定。
场发射电子源利用强电场作用下的金属尖端产生电子，具有高亮度、低束流的优点，但需要保持清洁和稳定的尖端环境。
聚光镜
聚光镜是扫描电子显微镜中的重要组成部分，它的作用是将电子束汇聚成细束，并传递到样品表
面。
聚光镜通常由两级组成，第一级聚光镜将电子束汇聚成较大直径的束流，第二级聚光镜进一步缩
小束流直径，提高成像质量。
生态研究
环境SEM技术可以应用于生态研究中，例如观察生物膜、土壤结构等，为环境保护和治理提供有力支持。
THANKS
感谢观看
样品放置
将样品放置在样品台上，确保样品稳定且无遮挡物。
调整工作距离
根据样品特性，调整工作距离（WD）至适当位置，以确保最佳成像效果。
操作步骤

仪器分析SEMTEM

仪器分析SEMTEMSEM（扫描电子显微镜）和TEM（透射电子显微镜）是两种常用的仪器分析方法，用于观察材料的微观结构和成分。

它们都利用电子束与样品的相互作用来获取信息。

下面将分别介绍SEM和TEM的工作原理和应用。

SEM利用高能电子束与样品表面的相互作用来观察样品的表面形貌和成分。

其工作原理如下：电子枪产生的聚焦电子束通过透镜系统形成一个细小的电子束，并聚焦引导到样品表面上。

与样品表面相互作用的电子束导致了反射、散射或吸收，其中部分电子通过接收器收集到形成信号。

这些信号被转换成图像，并在显微镜屏幕上显示出来。

SEM可以提供高分辨率、大深度以及大视场的表面形貌图像，并且可以通过能谱分析系统对样品的元素组成进行表征。

SEM广泛应用于材料科学、生物科学、纳米科学等领域。

在材料科学中，SEM可以用于观察材料的晶体形态、纹理、表面缺陷等。

在生物科学中，SEM可以用于观察细胞、组织和生物材料的形貌和结构。

在纳米科学中，SEM可以用于研究纳米材料的形貌、尺寸和形状。

此外，SEM还可以用于分析样品的成分和化学组成。

相比之下，TEM是一种通过透射电子束与样品相互作用来观察材料的内部结构和成分的方法。

其工作原理如下：电子枪产生的电子束经过透镜系统形成一个细小的电子束，并聚焦到样品上。

样品上的一部分电子透过样品，并通过设备上的透射电子探测器来检测。

这些透射电子被转换成图像，并在显微镜屏幕上显示出来。

TEM具有高分辨率的优点，可以提供关于样品内部结构和成分的详细信息。

TEM广泛应用于材料科学、生物科学、纳米科学等领域。

在材料科学中，TEM可以用于观察材料的晶格结构、晶界、层状结构等。

在生物科学中，TEM可以用于观察细胞、组织和病毒等的内部结构。

在纳米科学中，TEM可以用于观察纳米材料的结构、尺寸和形貌。

此外，TEM还可以用于分析样品的成分和化学组成。

综上所述，SEM和TEM是常用的仪器分析方法，用于观察材料的微观结构和成分。

sem扫描电镜

景深
景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。扫描电镜的物镜采用小孔视角、长焦距，可以获得很大的景深。扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10 倍。由于景深大，扫描电镜图像的立体感强，形态逼真。对于表面粗糙的端口试样来讲，光学显微镜因景深小无能为力，透射电镜对样品要求苛刻，即使用复型样品也难免出现假像，且景深也较扫描电镜为小，因此用扫描电镜观察分析断口试样具有其它分析仪器无法比拟的优点。
图5 各种检测器的示意图
图6 信号处理的流程示意图
真空系统和电源系统
真空系统：包括机械泵和扩散泵。作用：为保证电子光学系统正常工作，提供高的真空度，防止样品污染，保持灯丝寿命，防止极间放电。电源系统：包括启动的各种电源（高压、透镜系统、扫描电圈），检测−放大系统电源，光电倍增管电源，真空系统和成像系统电源灯。还有稳压、稳流及相应的安全保护电路。
主要内容
SEM的工作原理 SEM的主要结构 SEM的组成部分 SEM的主要性能参数 SEM的优点应用举例
SEM的工作原理
电子枪发射电子束（直径50μm）。电压加速、磁透镜系统汇聚，形成直径约5nm的电子束。电子束在偏转线圈的作用下，在样品表面作光栅状扫描，激发多种电子信号。探测器收集信号电子，经过放大、转换，在显示系统上成像（扫描电子像）。二次电子的图像信号动态地形成三维图像。简单概括起来就是“光栅扫描，逐点成像”。
扫描电镜技术在木材工业领域的应用
木质人造板研究北京林业大学母军等人进行了废弃人造板
炭化产物分析的研究，通过微观扫描电镜观察发现，炭化产物的微观表面平滑，纹孔开放，沉积物减少。

扫描电子显微镜(SEM)-介绍-原理-结构-应用

扫描线圈物镜物镜光栏
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。

扫描电子显微镜工作原理

扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。

其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。

电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。

2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。

聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。

3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。

样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。

4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。

其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。

5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。

常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。

6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。

7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。

扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。

它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。

简述扫描电子显微镜(SEM)

简述扫描电子显微镜（SEM）
扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。

二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。

扫描电镜的结构主要包括：
1.真空系统和光源系统；
2.电子光学系统——电子强、电磁透镜、扫描线圈、样品室；
3.信号放大系统。

扫描电镜的优点是：
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。

扫描电镜的应用范围是：
1.生物——种子、花粉、细菌……
2.医学——血球、病毒……
3.动物——大肠、绒毛、细胞、纤维……
4.材料——陶瓷、高分子、粉末、金属、金属夹杂物、环氧树脂……
5.化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥（杆菌）、机械、电机及导电性样品，如半导体(IC、线宽量测、断面、结构观察……）电子材料等。

主流厂家：
美国FEI（赛默飞）——Apreo SEM扫描电镜
德国蔡司——EVO MA 25/LS 25
日本日立——TM4000、SU8220，SU8230，SU8240日本电子——JSM-7900F 热场发射扫描电子显微镜捷克TESCAN——S8000系列
韩国COXEN——CX-200系列
中科院KYKY——KYKY-2800系列。

扫描电子显微镜的原理及应用

扫描电子显微镜的原理及应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种使用电子束而不是光束的显微镜，它通过对被测样品表面进行扫描和检测，以获取高分辨率的图像。

SEM具有优秀的分辨率和放大倍数，被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术、地质学等领域。

SEM的工作原理如下：1. 产生电子束：通过电子枪产生高能电子束，电子枪包括一个热阴极和一根聚焦的阳极。

电子束可以通过区域限制器（aperture）来控制束流的大小。

2.加速电子束：电子束通过电子镜来加速，这是一个由透镜组成的系统。

电子束在电子镜中得到聚焦，束流变窄，成为高能、高分辨率的束流。

3.扫描样品：样品被放置在SEM的样品台上，电子束通过磁场的作用进行X、Y方向扫描。

扫描电子镜的样品台通常也可以进行上下方向的运动，以获得不同深度的图像。

4.接收和检测：当电子束照射在样品表面上时，样品中发生的相互作用将会发射出各种信号，包括二次电子、透射电子、X射线以及退火融合过程产生的光谱信号等。

SEM通过收集并检测这些信号，并将其转化为电信号。

5.构建显像：电信号被转化为亮度信号，并用于构建图像。

SEM可以生成大量的图像类型，包括二次电子图像（SE图像）、透射电子图像（BSE图像）、X射线能谱图（EDS图像）等。

6.分析和测量：SEM可以提供非常详细的样品表面形貌信息，包括形貌、尺寸、形状、纹理等。

还可以使用EDS技术分析样品的化学元素组成。

SEM的应用范围十分广泛：1.材料科学：SEM可以研究材料的微观结构、相变过程、表面形貌以及晶格结构等。

它可以用于分析金属、陶瓷、纤维、塑料等材料的微观结构，从而改进材料的性能和开发新材料。

2.生命科学：SEM非常适合观察生物样品的微观结构，如昆虫、细胞、细菌等。

它可以研究生物样品的组织结构、表面形貌，以及细胞壁、细胞器等微观结构。

3.纳米技术：SEM可以观察和测量纳米级别的颗粒、膜、纳米线、纳米管等纳米材料。

SEM-扫描电子显微镜

d0临界分辨本领 c电子束的入射角
（a）
（b）
图16 景深随工作参数变化的情况
（a）电子束入射半角的影响（b）工作距离的影响
保真度好
样品通常不需要作任何处理即可以直接进行观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析特别重要。
样品制备简单
扫描电镜的最大优点是样品制备方法简单，对金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察。对于非导电样品如塑料、矿物等，在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。因此这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用二次电子发射系数较高的金银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。
扫描电镜结构和原理
1. 扫描电镜的工作原理及特点
扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似。
图1 扫描电镜成像示意图
图2 扫描电镜成像示意图
图3 JSM-6700F场发射扫描电镜
2. 扫描电镜的主要结构
主要包括有电子光学系统、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。
粉体形貌观察
图13 钛酸铋钠粉体的六面体形貌
纳米材料形貌分析
（a）（b）
图14 多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌（a）低倍像（b）高倍像
图15 ZnO纳米线的二次电子图像
扫描电镜的主要性能与特点
• • • • • 放大倍率高分辨率高景深大保真度好样品制备简单
Hale Waihona Puke 放大倍率高从几十倍到几十万倍，连续可调。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪器放大倍率指标。扫描电镜图像的放大倍数定义为: M=AC/AS 式中AC是荧光屏上图像的边长，AS是电子束在样品上的扫描振幅。因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度AS来实现的。

扫描电子显微镜SEM

• 背散射电子是指被固体样品中旳原子反弹回来旳一部分入射电子。
• 其中涉及弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 • 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来旳散射角不
小于90旳那些入射电子，其能量基本上没有变化。 • 弹性背散射电子旳能量为数千到数万电子伏。 • 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹
三、吸收电子（absorption electron）
• 入射电子进入样品后，经屡次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最终被样品吸收。
• 若在样品和地之间接入一种高敏捷度旳电流表，就能够测得样品对地旳信号，这个信号是由吸收电子提供旳。
• 入射电子束与样品发生作用，若逸出表面旳背散射电子或二次电子数量任一项增长，将会引起吸收电子相应降低，若把吸收电子信号作为调制图像旳信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子像旳反差是互补旳。
第三章扫描电子显微镜
Light vs Electron Microscope
概述
• 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是继透射电镜之后发展起来旳一种电子显微镜
• 扫描电子显微镜旳成像原理和光学显微镜或透射电子显微镜不同，它是以类似电视摄影旳方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来旳多种物理信号来调制成像旳。
3.2扫描电镜成像旳物理信号
• 扫描电镜成像所用旳物理信号是电子束轰击固体样品而激发产生旳。具有一定能量旳电子，当其入射固体样品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程,激发固体样品产生多种物理信号。
入射电子轰击样品产生旳物理信号
一、背散射电子（backscattering electron）

扫描电子显微镜SEM和能谱分析技术EDS

扫描电子显微镜SEM和能谱分析技术EDS 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和能谱分析技术（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是一种常用于材料科学和生物科学领域的先进工具，它们相互结合可以提供高分辨率的图像、元素成分分析以及相关属性的定量信息。

SEM是一种利用电子束扫描样品表面并形成二维或三维显微图像的技术。

与传统光学显微镜相比，SEM具有更高的分辨率和放大倍数，可以观察到微米级的细节。

SEM的工作原理是在真空或高真空环境中，通过加速电子束轰击样品表面，激发出一系列相互作用过程产生的信号。

这些信号包括次级电子（SE）和反射电子（BSE）等，它们与样品的形貌和组成有关。

SEM采用特殊的电子透镜和探测器系统，可以将这些信号转化为电子显微图像。

与SEM相结合的EDS能谱分析技术可以提供关于样品元素组成的定性和定量信息。

EDS是一种通过分析样品中X射线的能量和强度，来确定其元素成分的方法。

在SEM中，当电子束与样品相互作用时，会激发样品中的原子内层电子跃迁，产生特定能量的特征X射线。

EDS探测器可以测量这些X射线的能量，通过能量的定量分析，可以确定样品中的元素种类和相对含量。

EDS技术的定量分析需要校正和标定，校正是指校正探测器的能量响应，以准确测量X射线的能量；标定是指使用已知组成和浓度的实验样品进行这些校正和定量分析。

EDS技术对元素的检测范围和限量有一定的限制，对于轻元素的检测灵敏度较低，同时在多元素样品和复杂衬底的情况下，定量分析的精度也会受到影响。

SEM和EDS技术的结合可以提供更为全面和细致的样品分析。

SEM提供了样品的形貌和组织信息，可以观察到样品的微观结构和表面特征。

通过SEM观察到的微观特征，可以帮助解释材料的性能和行为。

而EDS的能谱分析可以提供关于样品成分的定性和定量信息，对材料的组成和标识也具有重要的作用。

扫描电子显微镜

基本结构
结构示意图
1-镜筒；2-样品室；3-EDS探测器；4-监控器；5-EBSD探测器；6-计算机主机；7-开机/待机/关机按钮；8底座；9-WDS探测器。
基本原理
扫描电子显微镜电子枪发射出的电子束经过聚焦后汇聚成点光源；点光源在加速电压下形成高能电子束；高能电子束经由两个电磁透镜被聚焦成直径微小的光点，在透过最后一级带有扫描线圈的电磁透镜后，电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面，同时激发出不同深度的电子信号。此时，电子信号会被样品上方不同信号接收器的探头接收，通过放大器同步传送到电脑显示屏，形成实时成像记录（图a）。由入射电子轰击样品表面激发出来的电子信号有：俄歇电子（Au E）、二次电子（SE）、背散射电子（BSE）、X射线（特征X射线、连续X射线）、阴极荧光（CL）、吸收电子（AE）和透射电子（图b）。每种电子信号的用途因作用深度而异。
2021年，全数字化扫描电子显微镜新品在无锡惠山发布。
类型
扫描电子显微镜类型多样，不同类型的扫描电子显微镜存在性能上的差异。根据电子枪种类可分为三种：场发射电子枪、钨丝枪和六硼化镧。其中，场发射扫描电子显微镜根据光源性能可分为冷场发射扫描电子显微镜和热场发射扫描电子显微镜。冷场发射扫描电子显微镜对真空条件要求高，束流不稳定，发射体使用寿命短，需要定时对针尖进行清洗，仅局限于单一的图像观察，应用范围有限；而热场发射扫描电子显微镜不仅连续工作时间长，还能与多种附件搭配实现综合分析。在地质领域中，我们不仅需要对样品进行初步形貌观察，还需要结合分析仪对样品的其它性质进行分析，所以热场发射扫描电子显微镜的应用更为广泛。
图 a.扫描电子显微镜原理图;b.扫描电子显微镜电子信号示意
图 a.扫描电子显微镜原理图；b.扫描电子显微镜电子信号示意图。

4.3-扫描电镜(SEM)

(3)样品室
扫描电子显微镜的样品室空间较大，一般可放置 20×10 mm的块状样品。
为适应断口实物等大零件的需要，近年来还开发了可放置尺寸在125mm以上的大样品台。观察时，样品台可根据需要沿X、Y及Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平轴倾斜。
新型扫描电子显微镜的样品室内还配有多种附件，可使样品在样品台上能进行加热、冷却、拉伸等试验，以便研究材料的动态组织及性能。
入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。 2) 用于成像的物理信号不同，分辨率不同。
二次电子像的分辨率最高，X射线像最低。
(3)景深
景深是指电镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。
扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深，它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大 10 倍。
在最近20多年的时间内，扫描电子显微镜发展迅速，又综合了X射线分光谱仪、电子探针以及其它许多技术而发展成为分析型的扫描电子显微镜，仪器结构不断改进，分析精度不断提高，应用功能不断扩大，越来越成为众多研究领域不可缺少的工具，目前已广泛应用于冶金矿产、生物医学、材料科学、物理和化学等领域。
2、仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达 1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)；
3、仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调；
4、图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；
5、可做综合分析。SEM装上波长色散X射线谱仪（WDX）（简称波谱仪）或能量色散X射线谱仪（EDX）（简称能谱仪）后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析。

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。