江大 扫描电镜简介(完整)
扫描电镜课件
骨髓细胞
SARS
AIDS
五 扫描电镜的种类
依据性能不同主要分为： （1）一般 ）一般SEM 目前一般扫描电镜采用热发射电子 枪，分辨率为6nm左右，若采用六硼化 镧电子枪，分辨率可提高到4～5nm。 我校有这样的设备。
（2）场发射电子枪 ）场发射电子枪SEM 由于场发射电子枪具有亮度高、能 量分散少，阴极源尺寸小等优点，这 种电镜的分辨率已达到3nm。场发射 电子枪SEM的另一个优点是可以在低 加速电压下进行高分辨率观察，因此 可以直接观察绝缘体而不发生充、放 电现象。
电子束系统
电子束系统由电子枪 电磁透镜两部分 电子束系统由电子枪和电磁透镜两部分 电子枪和 组成，主要用于产生一束能量分布极窄的、 电子能量确定的电子束用以扫描成象。
电子枪
电子枪用于产生电子，主要有两大类，共 三种。
一类是：利用场致发射效应产生电子，称为场发 一类是：利用场致发射效应产生电子，称为场发 射电子枪。这种电子枪极其昂贵，在十万美元以 上，且需要小于10 torr的极高真空。但它具 上，且需要小于10-10torr的极高真空。但它具 有至少1000小时以上的寿命（6 有至少1000小时以上的寿命（6个月），且不需 要电磁透镜系统。 另一类是：利用热发射效应产生电子，有钨枪和 另一类是：利用热发射效应产生电子，有钨枪和 六硼化镧枪两种。 钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，一 钨枪寿命在30～100小时之间，价格便宜，一 般在10 torr以上，但成象不如其他两种明亮， 般在10-4torr以上，但成象不如其他两种明亮， 常作为廉价或标准SEM配置。 常作为廉价或标准SEM配置。
六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨 六硼化镧枪寿命介于场致发射电子枪与钨 枪之间，为200～1000小时，价格约为钨 枪之间，为200～1000小时，价格约为钨 枪的十倍，图像比钨枪明亮5 10倍，需要 枪的十倍，图像比钨枪明亮5～10倍，需要 略高于钨枪的真空，一般在10 torr以上； 略高于钨枪的真空，一般在10-7torr以上； 但比钨枪容易产生过度饱和和热激发问题。
扫描电子显微镜
2023-11-08
目录
• 扫描电子显微镜简介 • 扫描电镜的结构与原理 • 扫描电镜的操作流程 • 扫描电镜的图像特点与解析 • 扫描电镜的最新发展与应用 • 扫描电镜的维护与保养
01
扫描电子显微镜简介
定义与原理
定义
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束扫描样品表面，通过检测样 品发射的次级电子、反射电子等获取表面微观结构信息的电子显微镜。
03
扫描电镜的操作流程
样品的制备
样品选择
选择具有代表性的样品，考虑 其大小、形状、成分和稳定性 等因素，以确保能够准确反映
所需观察的细节。
样品处理
对样品进行预处理，如清洗、干燥 、研磨等，以去除可能干扰观察的 杂质或水分，并确保样品表面平整 、干净。
涂覆导电层
对于非导电样品，需要在其表面涂 覆一层薄而均匀的导电层，如金属 或碳膜，以避免电荷积累和图像畸 变。
扫描控制器
扫描控制器是用来控制扫描线圈的装置，通常由计算机或专 用控制器实现，通过控制线圈电流的幅度和频率来实现电子 束的扫描。
成像系统
信号收集系统
信号收集系统是用来收集样品表面产生的次级电子、反射电子和透射电子等信号 的装置，通常由多个探测器和信号处理电路组成。
成像显示器
成像显示器是用来显示扫描电镜观察到的图像的装置，通常由计算机和高分辨率 显示器实现，通过将收集到的信号转换成图像数据并显示出来，实现样品的可视 化观察。
扫描电镜的图像解析
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02
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表面形貌
通过观察样品的表面形貌 ，可以了解样品的粗糙度 、颗粒大小等信息。
扫描电子显微镜简介 SEM
作用体积
• 电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际 上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以 存在一个作用“体积”。 • 作用体积的厚度因信号的不同而不同： • 俄歇电子：0.5～2纳米。 • 次级电子：5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体 ，λ=10纳米。 • 背散射电子：10倍于次级电子。 • 特征X射线：微米级。 • X射线连续谱：略大于特征X射线，也在微米级。
五、成像
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二、结构
• 真空系统 • 电子束系统 • 成像系统
真空系统
• 真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。
• 真空柱是一个密封的柱形容器。 • 真空泵用来在真空柱内产生真空。
• 成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱 底端即为密封室，用于放置样品。
用真空的两点原因：
• 电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失 效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还 需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。 • 为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的 电子更多。
成像系统
电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品 上与样品相互作用，会产生次级电子、背 散射电子、俄歇电子以及X射线等一系列信 号。所以需要不同的探测器譬如次级电子 探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信 号以获得所需要的信息。 （虽然X射线信号不能用于成像，但习惯上， 仍然将X射线分析系统划分到成像系统中）
工作距离
工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离 如果增加工作距离，可以在其他条件不变 的情况下获得更大的场深。 • 如果减少工作距离，则可以在其他条件不 变的情况下获得更高的分辨率。 • 通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间 。
四、用途
1扫描电镜SEM
在制备试样过程中，还应注意： ① 为减轻仪器污染和保持良好的真空，试样尺寸要尽可能小些。 ② 切取试样时，要避免因受热引起试样的塑性变形，或在观察面生成 氧化层。要防止机械损伤或引进水、油污及尘埃等污染物。 ③ 观察表面，特别是各种断口间隙处存在污染物时，要用无水乙醇、 丙酮或超声波清洗法清理干净。这些污染物都是掩盖图像细节，引起试 样荷电及图像质量变坏的原因。 ④ 故障构件断口或电器触点处存在的油污、氧化层及腐蚀产物，不要 轻易清除。观察这些物质，往往对分析故障产生的原因是有益的。如确 信这些异物是故障后才引入的，一般可用塑料胶带或醋酸纤维素薄膜粘 贴几次，再用有机溶剂冲洗即可除去。 ⑤ 试样表面的氧化层一般难以去除，必要时可通过化学方法或阴极电 解方法使试样表面基本恢复原始状态。
粉末样品
首先在载物盘上粘上导电胶带， 然后用牙签取少量粉 末试样轻轻涂覆在胶带上，然后用洗耳球朝载物盘径向朝 外方向轻吹（注意不可用嘴吹气，以免唾液粘在试样上， 也不可用工具拨粉末，以免破坏试样表面形貌），即可以 使粉末可以均匀分布在胶带上，也可以把粘结不牢的粉末 吹走（以免污染镜体），然后进行喷金处理。
天津大学分析测试中心 Centre for Analysis and Measurement of Tianjin University, Tianjin, P.R.China
课后题
扫描电子显微镜的工作原理及应用 能谱仪的工作原理
溶液样品
对于溶液试样我们一般采用锡箔纸作为载体。首先， 在载物盘上粘上导电胶带，然后粘上干净的锡箔纸，然 后把溶液小心滴在锡箔纸上，等干了（一般用台灯近距 离照射10分钟）之后观察析出来的样品量是否足够，如 果不够再滴一次，等再次干了之后就可以喷金了。
样品粘贴顺序示意图
扫描电镜简述
扫描电镜简述J I A N G S U U N I V E R S I T Y 冶金工程专业硕士研究生结课论文论文题目：扫描电镜SEM分析技术综述课程名称：Modern Material Analytic Technology专业班级： 2015级硕士研究生学生姓名学号：2211505072学院名称：材料科学与工程学院学期： 2015-2016第一学期完成时间： 2015年11月 30 日扫描电镜SEM分析技术综述摘要扫描电子显微镜（如下图所示），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。
现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。
所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。
本文主要对扫描电镜SEM进行简单介绍，分别从扫描电镜发展的历史沿革；工作原理；设备构造及功能；在冶金及金属材料分析中的应用情况；未来发展方向等几个方面来对扫描电镜分析技术进行综述。
关键词: 扫描电子显微镜二次电子背散射电子 EDS 成分分析扫描电子显微镜目录一扫描电镜 (4)1.1 近代扫描电镜的发展 (4)1.1.1场发射扫描电镜 (4)1.1.2 分析型扫描电镜及其附件 (5)1.2 现代扫描电镜的发展 (6)1.2.1低电压扫描电镜 (6)1.2.2 低真空扫描电镜 (6)1.2.3环境扫描电镜ESEM (7)1.3 扫描电镜工作原理设备构造及其功能 (7)1.3.1扫描电镜工作原理 (8)1.3.2 扫描电镜的主要结构及功能 (9)1.4 扫描电镜性能 (11)1.5扫描电镜在冶金及金属材料分析中的应用 (12)二结论 (14)三参考文献 (14)一扫描电镜SEM1.1近代扫描电镜的发展扫描电镜的设计思想早在1935 年便已提出，1942 年在实验室制成第一台扫描电镜，但因受各种技术条件的限制，进展一直很慢。
扫描电镜分析简介 ppt课件
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扫描电镜的主要性能
放大倍数 分辨率 景深
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扫描电镜的主要性能
放大倍数
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。
目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000倍，介 于光学显微镜和透射电镜之间。
分辨率
对微区成分分析而言，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。
扫描电镜显微分析简介
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扫描电子显微镜
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扫描电子显微镜
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扫描电镜显微分析简介
概况 扫描电镜的优点 扫描电镜成像的物理信号 扫描电镜的工作原理 扫描电镜的构造 扫描电镜的主要性能 显微镜简称扫描电镜，英文缩 写：SEM。为适应不同要求，在扫描电镜 上安装上多种专用附件，实现一机多用， 使扫描电镜成为同时具有透射电子显微镜 （TEM）、电子探针X射线显微分析仪 （EPMA）、电子衍射仪（ED）等多种功 能的一种直观、快速、综合的表面分析仪 器。
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扫描电镜的工作原理
扫描电镜成像与电视显象相似。扫描电镜图像按一定时间 空间顺序逐点扫描形成，并在镜体外显像管荧光屏幕上显 示出来。
由电子枪发射的能量达30keV的电子束，经会聚透镜和物 镜缩小聚焦，在试样表面形成具有一定能量、一定强度、 极小的点状电子束。在扫描线圈磁场作用下，电子束在试 样表面上按一定的时间、空间顺序作光栅式逐点扫描。
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扫 描 电 镜 成
像
示
意
图
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扫描电镜的工作原理
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的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工作原理。
一、电子束的产生与聚焦扫描电镜中的关键部件是电子枪，它通过热发射或者场发射的方式产生高能电子束。
电子束经过聚焦系统，通过一系列的电磁透镜进行聚焦，使电子束变得更加细致和聚焦，从而提高分辨率。
二、样品的制备与加载在进行扫描电镜观察之前，需要对样品进行制备。
常见的样品制备方法包括金属涂层、冷冻切片、离子切割等。
制备完成后，将样品加载到扫描电镜的样品室中。
三、扫描电子显微镜的工作模式1. 透射电子显微镜模式（TEM）透射电子显微镜模式是将电子束穿透样品，然后通过样品上的透射电子显微镜探测器进行成像。
这种模式适合于对样品内部结构的观察，可以提供高分辨率的成像。
2. 扫描电子显微镜模式（SEM）扫描电子显微镜模式是将电子束聚焦到样品表面，然后通过样品表面反射的次级电子、反射电子或者后向散射电子进行成像。
这种模式适合于对样品表面形貌和成份的观察。
四、扫描电子显微镜的成像原理1. 次级电子成像（SEI）次级电子成像是通过探测样品表面次级电子的信号来获得图象。
当电子束与样品表面相互作用时，会产生次级电子。
这些次级电子被探测器捕捉到，并转换成图象。
2. 反射电子成像（BEI）反射电子成像是通过探测样品表面反射电子的信号来获得图象。
当电子束与样品表面相互作用时，一部份电子会被样品表面反射出来，这些反射电子被探测器捕捉到，并转换成图象。
3. 后向散射电子成像（BSEI）后向散射电子成像是通过探测样品表面后向散射电子的信号来获得图象。
当电子束与样品表面相互作用时，部份电子会发生散射，并改变其运动方向。
这些后向散射电子被探测器捕捉到，并转换成图象。
五、扫描电子显微镜的分辨率扫描电子显微镜的分辨率是指它可以分辨出两个相邻物体之间的最小距离。
扫描电镜
原子序数衬度 原子序数衬度是由于试样表面物质原子 序数（或化学成分）差别而形成的衬度。利 用对试样表面原子序数（或化学成分）变化 敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可 以得到原子序数衬度图像。 电压衬度 电压衬度是由于试样表面电位差别而形 成的衬度。利用对试样表面电位状态敏感的 信号如二次电子，作为显像管的调制信号， 可得到电压衬度像。
3、扫描电子显微镜的特点
（1）制样方法简单,且可观察大块试样 （直径0～200mm）。 （2）场深大，适用于粗糙表面和断口 的分析观察；图像富有立体感、真实感、 易于识别和解释。 （3）放大倍数变化范围大，一般为 15～200000倍，最大可达10～80万倍， 对于多相、多组成的非均匀材料便于低 倍下的普查和高倍下的观察分析。
作用体积随入射 束能量增加而增大， 但发射系数变化不 大。 当试样表面倾角增 大时，作用体积改 变，且显著增加发 射系数。
二次电子发射系 数与入射束的能量 有关。随着入射束 能量增加，二次电 子发射系数减小。 二次电子发射 系数和试样表面倾 角有如下关系： δ(θ)=δ0/cosθ
背散射电子在试 样上方有一定的角 分布。垂直入射时 为余弦分布： η(φ)=η0cosφ 背散射电子发射系 数η=IB/I0随原子 序数增大而增大。
（4）具有相当的分辨率，一般为3～6nm， ）具有相当的分辨率，一般为3 6nm， 最高可达0.8nm。 最高可达0.8nm。 （5）可以通过电子学方法有效地控制和 改善图像的质量。 （6）可进行多种功能的分析。与X射线 谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微 区成分分析。 （7）可使用加热、冷却和拉伸等样品台 进行动态试验，观察在不同环境条件下 的相变及形态变化等。
扫描电子显微分析
一 二 三 四 扫描电子显微镜 扫描电镜图像及其衬度 扫描电镜试样制备 扫描电镜的应用
扫描电子显微镜SEM
对象是 包含结晶相和非结晶相两个组成部分的样品。暴露 出晶区的细微结构
05 试验应用
实例：对功能梯度混凝土层界面结合区样品进行扫描
选取
取样部位表面尽可能平整 且尺寸应尽可能小
清洗断口
断口样品存在污染物时，应 用无水己醇或者丙丽进行清
洗干净
喷金处理
样品属于不导电材料，故将 样品送至于真空刻蚀锻膜仪
扫描电镜 scanning electron microscope ， (SEM)是介于透射电镜和光学显微镜 之间的一种微观形貌观察手段，可 直接利用样品表面材料的物质性能 进行微观成像。
1、有较高的放大倍数，20-200000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
05
试验应用
05 试验应用
样品要求
扫描电镜样品可以是块状、薄膜或 者粉末颗粒，由于是在真空中直接 观察，扫描电镜对各类样品均有要 求。
1、要求样品保持其结构和形貌的稳定性，不因 取样而改变；
2 、要求样品表面导电，如果样品表面不导电 ，将在样品表面产生电荷的积累和放电，使得 图像不清晰，造成无法观察和抓拍图片；
02
工作原理
02 工作原理
成像原理
不同于透射电镜，它不用透镜来进行 放大成像，而是象以前的电视一样， 用电子枪发射聚焦得非常细的高能电 子束出去，逐点逐行扫描，根据电子 与物质的相互作用，激发出各种物理 信息。通过对这些信息的接受、放大 和显示成像，获得测试试样表面形貌 的观察
扫描电镜分析简介
扫描电镜分析简介
扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种高分辨力电子显微镜技术，它是研究尺度上非常小的目标物质的分子结构的工具。
它的发展是电镜发展的新一步，因为它不仅可以观察物体的表面和形状，而且能够潜入表面深处，甚至可以分析其化学成分。
SEM技术的原理主要是使用激光束来照射样品表面，激光束穿过空气层在样品表面受到反弹，经过反弹的激光首先进入到放大镜系统，再经过扫描器激光射频控制，发射到样品表面，进而可以获得样品表面的高分辨率图像。
扫描电子显微镜是由支持用空气压进行绝缘的真空容器、电子源、偏振器、扫描仪和控制系统组成的一个设备。
它的真空容器由一个金属模型和一个电子枪组成，具有十几个测量系统，而电子源能够将千万伏特的电源供给给电子枪，使其产生电子束，该电子束射向样品，使样品表面放射出可以记录观测的电子信号。
扫描电子显微镜 (SEM)介绍
扫描电子显微镜(SEM)介绍(SEM)扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。
1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。
经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到1956年开始生产商品扫描电镜。
近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。
目录扫描电镜的特点扫描电镜的结构工作原理扫描电镜的特点和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜SEM（Scanning Electron Microscope）具有以下特点：(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。
(二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。
(三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。
(四) 景深大，图象富有立体感。
扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。
(五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。
可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。
分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。
(六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。
(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。
扫描电镜的结构1．镜筒镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。
其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。
2．电子信号的收集与处理系统在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。
在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。
扫描电镜的基本结构和工作原理讲解
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。
扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。
扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。
扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。
扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。
这一部分的实验内容可参照教材第十二章，并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。
三、扫描电镜图像衬度观察1．样品制备扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。
但在有些情况下需对样品进行必要的处理。
1) 样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮)在超声波清洗器中清洗。
2) 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。
清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。
3) 对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm 为宜。
2．表面形貌衬度观察二次电子信号来自于样品表面层5～l0nm，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。
扫描电镜SEM简介-PPT版
实际样品中二次电子的激发过程示意图
SEM的衬度与成像
二次电子像的衬度
原子序数
Z大于20， 二次电子 产额基本 不随试样 成分改变
电压的作用
荷电(充电)
二次电子在负电荷区容非导体上多余的累积电荷不易导 走，发生局部充电，使二次电子 产生强的衬度(很亮)
SEM的产生
Max Knoll (1897-1969) 1935 年提出扫描电镜的设 计思想和工作原理。
1965 年，剑桥仪器公司制造出世 界第一台商用扫描电镜。
SEM的产生
电子束与固体的相互作用
一束细聚焦的电子束轰 击试样表面时，入射电子束 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。 包括：二次电子、背散射电子、特征X 射线、 俄歇电子、吸收电子、透射电子、阴极荧光等。
SEM的结构与工作原理
SEM的衬度与成像
扫描电镜像的衬度来源有三个方面：
试样本身性质：表面凹凸不平、成分差别、 电压差异、表面电荷分布 信号本身性质：二次电子、背散射电子、 吸收电子 对信号的人工处理
SEM的衬度与成像
二次电子产生的规律
与入射电子束能量的关系 角分布：余弦 与入射电子束角度的关系
金属线圈对电子流折射聚焦： 电场和磁场可以作为电子束的透镜，进行折射 和聚焦。
SEM的产生
SEM的产生过程
1924年，德布罗意(De Broglie）提出物质波的概念;
1926年，德国的Garbor和Busch发现用铁壳封闭的线圈形 成轴对称磁场可以使电子流折射聚焦; 1935年，德国的Knoll提出现代SEM的概念; 1965年，英国剑桥仪器公司生产出第一台商用SEM; 1968年，Knoll研制出场发射电子枪； 1975年，中国科学院北京科学仪器厂生产了我国第一台 SEM，分辨率为10nm。
扫描电镜简介
扫描电镜简介电子源发射的电子束经过电磁透镜的电子光学通路聚焦，电子源的直径被缩小到纳米尺度的电子束斑，与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在样品表面一定微小区域内，逐点逐行扫描。
电子束与样品相互作用，从样品中发射的具有成像反差的信号，由一个适当的图像探测器逐点收集，并将信号经过前置放大器和视频放大器,用调制解调电路调制显示器上相对应显示像素的亮度，形成我们人类观察习惯的，反映样品二维形貌的图像或者其他可以理解的反差机制图像。
由于图像显示器的像素尺寸远远大于电子束斑尺寸，(0.1mm/1nm=100,000倍)而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显示器上的图像相当于把样品上相应的微小区域进行了放大。
通过调节扫描线圈偏转磁场，可以控制电子束在样品表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像有效放大倍数的限度是扫描电镜分辨率的限度。
模拟图像扫描系统：样品上每个像素模拟信号直接调制阴极射线管对应显示像素的亮度，由于生成一幅高质量图像一般需要数秒或者数十秒/帧，所以模拟电镜使用慢余辉显像管终端显示一幅活图像，为了便于在显像管上观察图像，需要暗室，操作者可按照一定规程调整仪器参数，如图像聚焦，移动样品台搜索感兴趣区域，调节放大倍数，亮度对比度，消象散等从而获得最佳的图像质量。
模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。
自1985年以来，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。
数字图像扫描系统：样品上每个像素发出的成像信号，被图像探测器探测器后，经过前置放大器，和视频放大器放大，直接进行信号数字化，然后存储在图像采集卡的帧存器，形成数字图像数据，图像数据可被电镜操作软件读取，操作者在图形交互界面(GUI)上对图像进行调整控制，并把调整好的数字图像存储在计算机中硬盘中。
模拟控制是控制信号不经过计算机软件,直接由操作台按键旋钮等对执行机构进行控制,属于人工手动控制,控制精度由操作者观察仪表盘的变化决定.例如高压电源,扫描线圈,探测器电源,电子枪控制，磁透镜控制,样品台的运动控制等等。
扫描电镜原理及应用
扫描电镜原理及应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察样品表面的显微镜。
与传统的透射电子显微镜不同，SEM 主要通过扫描电子束对样品进行微观观察。
扫描电子显微镜的原理基于电子显微学的加速电子束原理。
电子枪通过加速电场和聚焦电场加速高速运动的电子，并将其聚焦在一点上，形成尖锐的电子束。
这个电子束通过扫描线圈，沿着将样品表面分成的多个点进行扫描。
当电子束与样品表面交互作用时，样品表面的原子会吸收电子能量。
这会导致样品中的电子从低能级跃迁到高能级，同时也会发生电子散射。
电子束和样品的交互会产生多种信号，包括二次电子（SE）、反射电子（BE）、种子激发的X射线（EDX）和散射电子（BSE）等。
扫描电子显微镜的应用非常广泛。
以下是一些主要的应用领域：1.材料科学：扫描电子显微镜可以揭示材料的微观结构、形貌和表面缺陷，对材料的表面形貌和表面化学成分进行表征和分析。
2.生物科学：SEM可以观察生物样品的表面结构，例如细胞的微观形态、细胞器的空间分布和微生物的表面特征。
3.纳米科学：采用SEM可以观察纳米颗粒的形态和大小分布，以及纳米材料的结构和形貌。
4.矿物学和地质学：SEM可以对矿物和岩石样品进行表面形态和组成分析，对地质样本的微量元素进行分析。
5.金属学和材料工程：SEM可以对金属材料的晶格结构、相分布、晶粒尺寸和晶界进行表征和分析。
6.考古学和文物保护：SEM可以观察古代文物和考古样品的微观结构和表面细节，帮助研究人员进行文物保护和修复。
7.环境科学和污染控制：SEM可以用于观察和分析大气、水和土壤中的微观颗粒物、微生物和污染物。
总之，扫描电子显微镜通过扫描电子束对样品表面进行观察，广泛应用于材料科学、生物科学、纳米科学等领域。
它可以提供高分辨率的图像和丰富的表征信息，对研究和应用具有重要的意义。
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，通过利用电子束与样品的相互作用来获取样品表面的形貌和成份信息。
其工作原理基于电子光学和电子物理的原理。
一、电子光学系统扫描电镜的电子光学系统由电子源、透镜系统和检测系统组成。
1. 电子源扫描电镜的电子源通常采用热阴极电子枪，通过加热阴极产生热电子。
热电子经过加速电压加速形成高速电子束。
2. 透镜系统透镜系统由几个磁透镜组成，包括聚焦透镜和扫描透镜。
聚焦透镜用于将电子束聚焦到极小的尺寸，提高分辨率。
扫描透镜用于控制电子束在样品表面的扫描。
3. 检测系统检测系统用于测量电子束与样品相互作用后的信号。
常用的检测器有二次电子检测器和反射电子检测器。
二次电子检测器用于观察样品表面形貌，反射电子检测器用于获得样品的成份信息。
二、扫描控制系统扫描控制系统由扫描线圈和扫描发生器组成。
扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围和速度。
扫描发生器则产生扫描信号，控制电子束的扫描。
三、样品准备在进行扫描电镜观察之前，样品需要进行一系列的准备工作。
首先，样品需要被固定在样品架上，以保持稳定。
然后，样品需要被表面处理，如金属镀膜或者碳镀膜，以提高导电性。
最后，样品需要被放置在真空环境中，以避免电子束与空气份子的相互作用。
四、工作过程1. 准备好样品并放置在样品架上。
2. 打开扫描电镜，并进行必要的预热和真空泵抽气。
3. 调整电子光学系统，使得电子束聚焦到最佳状态。
4. 设置扫描控制系统，确定扫描范围和速度。
5. 开始扫描，观察样品表面形貌和成份信息。
6. 根据需要，可以调整扫描参数和检测器，以获得更详细的信息。
7. 观察结束后，关闭扫描电镜并进行必要的清洁和维护。
五、应用领域扫描电镜在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中，它可以用于观察材料的晶体结构、表面缺陷和纳米结构。
在生物学中，它可以用于观察细胞和组织的形态和结构。
扫描电镜介绍范文
扫描电镜介绍范文扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种常用的高分辨率成像工具，可以在微观范围内观察样品的表面形貌和显微结构。
相比传统的光学显微镜，扫描电子显微镜具有更高的分辨率和更大的深度信息。
扫描电子显微镜的工作原理是利用电子束对样品表面进行扫描，通过探针电子显微镜和信号探测系统获取样品表面的信号，从而得到高分辨率的图像。
扫描电子显微镜由四个主要部分组成：电子枪、透镜系统、扫描系统和探测系统。
电子枪是扫描电子显微镜的核心部件，它产生高能电子束。
电子枪中的热阴极产生电子，然后通过加速极加速到很高的速度。
这些高能电子束经过聚焦系统进行聚焦，并通过调节电压和电流来控制电子束的强度和直径。
透镜系统通过控制电子束的聚焦和形状，将电子束聚焦在样品表面上。
透镜系统中包括电子透镜和扫描线圈，通过调整透镜的电压和扫描线圈的电流，可以控制电子束的聚焦和扫描范围。
扫描系统用于控制电子束在样品表面上的扫描。
它通过改变扫描线圈的电流，控制电子束的位置和速度。
扫描系统可以按照一定的模式（如线性、环形或斜线）扫描样品表面，以获取更全面的信息。
探测系统用于收集和转换电子束与样品交互作用的信号。
常见的探测器包括二次电子和反射电子探测器。
二次电子探测器用于检测电子束与样品表面的相互作用，生成成像信号。
反射电子探测器检测电子束中被样品散射的电子，可以提供更多的表面和成分信息。
扫描电子显微镜的工作原理是通过扫描电子束，获取样品表面反射或二次电子的强度和分布信息，然后通过信号处理和数据分析，生成高分辨率的图像。
扫描电子显微镜的分辨率通常可以达到纳米级别，可以观察到微观结构和表面形貌。
扫描电子显微镜的应用非常广泛。
在材料科学领域，它可以用于研究材料的晶体结构、表面形貌和成分分析。
在生物科学领域，它可以用于观察细胞和组织的微观结构。
在地质学和环境科学领域，它可以用于研究岩石和土壤的粒度和成分。
扫描电镜(本科教学)
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Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
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Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
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1. 电子枪 Electron Gun
•Wehnelt Cap • Flament • Anode
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
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2. 电磁透镜 Electron Lenses
功能：把电子枪 的束斑逐级聚焦 缩小，使原来直 径约为50 m束 斑缩小成一个只 有数纳米的细小 斑点。
既然是光源限制了显微镜的放大倍
数和分辨率的发展，人们自然会想 到：要想提高显微镜的放大倍数和 分辨率，就应该更换波长更短的光 源。随着人们对电磁波的认识，人 们了解到：在一定的电压下电子束 的波长可以达到零点几个纳米，使 用电子束做为光源，显微镜的分辨 率就可能提高几个数量级。
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
二次电子、背散射电子和透射电子
进入闪烁体，引起电离
离子和自由电子复合形成可见光
光信号放大，转换电流信号，视 频放大成为调制信号 Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
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三. 真空系统 Vacuum
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如何获得高质量的图片
低加速电压观察的重要性
优点： ① 在低加速电压下，入射电子的扩散区域很小，空间分辨率高， 可以获得样品最表面的对比度信息； ② 低加速电压有利于减轻样品的荷电； ③ 低加速电压对样品的损伤小。
1μm １０ｋＶ １ｋＶ
电子在样品内扩散程度的模拟（样品：硅）
如何获得高质量的图片
高、低加速电压图像对比
电子束在样品和荧光屏同步扫描，出射信号强弱对应转换和显示（0-255， 黑白显示）。
扫描电镜成像基础
扫描电镜成像基础
样品的衬度
扫描电镜衬度的形成主要基于样品微区诸如表面形貌、原子序数或化学成分、 晶体结构或取向等方面存在着差异。入射电子与之相互作用，产生各种特征信号 ( 二次电子，背散射电子，吸收电子等 )，其强度就存在着差异，最后反映到显像管
微观
扫描电镜的发展背景
光学显微镜
罗伯特.胡克
软木片中的细胞结构
跳蚤
扫描电镜的发展背景
光学显微镜的极限
• 光的衍射对分辨率的限制性（E Abbe）：
：波长（390-760nm）；n：介质折射系数（香柏油n=1.51）；：入射光束孔径角 的一半（最大90°）
• 人眼的分辨率：0.10-0.20mm • 有效放大倍数：
影响扫描电镜成像的因素
扫描电镜的三种物镜
三种物镜在不同加速电压下对分辨率的影响
影响扫描电镜成像的因素
操作条件对成像的影响
加速 电压 调整 方式 信噪 比 衬度 分辨 率 ↑ ↑ 改善 仪器 合轴 对中 ↑ 改善 工作距离 长 改善 短 聚光镜激励 强 ↓ 弱 ↑ 改善 物镜光阑 大 ↑ 小 ↓ 像散 消除 改善 样品 位置 倾斜 ↑ 改善 信号 处理 降噪 改善 改善
艾里斑直径：
d 0.61
景深比对图片的影响
景深小 景深大
影响扫描电镜成像的因素
加速电压比对样品的损伤
损伤后的假像 真实形貌
样品：高分子滤膜
影响扫描电镜成像的因素
影响扫描电镜成像的关键因素
电子枪的种类：场发射、LaB6或钨灯丝的电子枪 电镜的像差：球差、色差、像散、衍射差 电磁透镜的型式:内透镜、外透镜、半内透镜
环境因素:振动、磁场、噪音、接地
“IEEE里程碑”奖设立于1983年，主要用于表彰那些在电气、电子、 信息及通信领域的革新中，自开发后历经25年以上仍被公认为对社 会及产业发展有巨大贡献的历史伟业。
扫描电镜的发展背景
SEM的特点
◆ 成像立体感强
放大倍数连续调节，范围大; 分辨率高； 样品制备简单，可观察大块样品 对样品的辐射损伤轻、污染小 景深大； ◆ 可以对固体样品表面和界面进行分析； ◆ 适合于观察比较粗糙的表面、材料断口和显微组织三维形态；
操作条件:加速电压、工作电流、电子束合轴、物镜光阑、 扫描速率、样品处理、真空度等
影响扫描电镜成像的因素
热电子发射 参数 W灯丝 阴极材质 工作温度 [K] 电子源直径 [um] 亮度 [A/cm2.sr] 能量分散 [eV] 工作真空度 [Pa] 闪烁 累计寿命 W 2,800 50 104 ～2.3 < 10-3 无需 100～200h LaB6灯丝 LaB6 1,900 5 105 ～1.5 < 10-5 无需 1年 肖特基 ZrO/W (100) 1,800 0.015 108 ～0.7 < 1x10-7 无需 1～2年 冷场 W(310) 常温 0.0025 109 ～0.3 < 1x10-8 1次/天 3～5年 场发射
分辨率对图片的影响
100nm
S-4800
試 料 加速電圧 倍 率 分辨率 : : : : 喷金颗粒 15kV 220kX 1.0nm 試 料 加速電圧 倍 率 分辨率
S-5500
: : : : 喷金颗粒 30kV 800kX 0.4nm
影响扫描电镜成像的因素
信噪比对图片的影响
信噪比差 信噪比好
影响扫描电镜成像的因素
15kV 5kV
低加速电压可以获得图像表面的信息
样品：陶瓷
如何获得高质量的图片
高、低加速电压图像对比
加速电压：15KV
加速电压：1KV
样品： 太阳能电池
如何获得高质量的图片
高、低加速电压图像对比
15kV 5kV
低加速电压可以减少电子束对样品的损伤
样品：人造纤维（镀金）
如何获得高质量的图片
工作距离的选择
影响扫描电镜成像的因素
影响扫描电镜成像的因素
分辨率高，显微结构清晰可辨
如 何 评 价 扫 描 电 镜 图 片
衬度适中，图像中无论 黑区或白区的细节都能看清楚 信噪比好，没有明显的雪花状噪声 景深好，图像没有 局域的欠焦或过焦现象 真实，图片所展示的 是真实的样品形貌和结构
影响扫描电镜成像的因素
荧光屏上的图像就有一定的衬度。
形貌衬度
成分衬度
扫描电镜成像基础
入射电子与样品的相互作用
扫描电镜成像基础
常见信号电子的用途
用途 形貌观察 元素分析 结晶分析 化学态 电磁性质 信号 二次电子，背散射电子，透射电子 特征X射线，俄歇电子，背散射电子 背散射电子，二次电子，透射电子，阴极荧光 特征X射线，俄歇电子，阴极荧光 背散射电子，吸收电子，透射电子，二次电子
钨灯丝
LaB6灯丝
场发射灯丝
影响扫描电镜成像的因素
透镜对远离/靠近光轴部分电子的折 射能力不同引起：
电 磁 动性和物镜光阑引起：
磁线圈加工误差引起
影响扫描电镜成像的因素
扫描电镜的三种物镜
外透镜方式
虚拟透镜 电子束
内透镜方式
二次电子 探测器 电子束 虚拟透镜
如何获得高质量的图片
照射电子在样品内部的散乱
入射电子束在样品中的扩展效应影响分辨率
如何获得高质量的图片
加速电压、样品原子序数对空间分辨率的影响
Si（微米）
直径 10KV 15KV 20KV 2.9 5.5 8.6 深度 1.5 3 4.9
Cu（微米）
直径 0.1 0.8 1.6 深度 0.1 0.6 1.1
扫描电镜的结构和工作原理
扫描电镜的结构示意图
电子枪 真空泵 聚光器 电子束 偏转增幅器 偏转线圈 物镜 样品 真空泵 二次电子 检测器 增幅器 二次电子
监视器
偏转线圈
样品室
扫描电镜的结构和工作原理
电子枪 探测器
聚光镜光阑 物镜可动光阑 轨迹球 样品仓 旋钮板
显示器
扫描电镜的结构和工作原理
扫描电镜的成像原理
扫描电镜简介
应用工程师 周海鑫 zhouhaixin@
天美（中国）科学仪器有限公司
主要内容
1. 扫描电镜的发展背景
2. 扫描电镜的结构和工作原理 3. 影响扫描电镜成像的关键因素
4. 扫描电镜观察常见的问题
扫描电镜的发展背景
扫描电镜的发展背景 人类认识自然界的两个方向
宏观
↑
↑
↓
↑
↑
↑
↑
↑
↑
↑
-
操作条件的选择是否合适是影响扫描电镜成像的最重要的因素，不同设置 条件对图片质量的影响是相互关联的，只有在不同操作条件下寻找最合适的参 数组合才能获得高质量的图片。
如何获得高质量的图片
如何获得高质量的图片
电子光学系统合轴
扫描电镜的电子光学系统包括电子枪、聚光镜、物镜和物镜光阑几 部分，为 保证电子束沿这些部件的轴线穿过，必须调节这些部件同轴。 电子枪与透镜合轴：扫描电镜的聚光镜和物镜是一体化安装的，出厂前已 经合轴，使用中的合轴以该光轴位基准，平常使用中只需要转动合轴旋钮 控制电子束偏转，使图像最亮即可。
成分衬度：C=1-I1/I2=1-η1/η2
I1和I2为探测器信号强度，η1和η2为背散射电子产率
扫描电镜成像基础
背散射电子成分衬度的特点：
• 如果样品是由几种不同元素组成的化合物，其BSE产率随平均原子序 数的增加而增加；
• 原子序数相近的两个元素的成分衬度低，原子序数相差大的元素成分 衬度大； • 由η ~Z曲线可知，在低原子序数区域，原子序数差异引起的成分衬度 大，而高原子序数区域，原子序数差异引起的成分衬度小； • 背散射电子在不同出射方向上的产率也不同，其出射轨迹可用如下公 式描述： E
扫描电镜的发展背景
电子显微镜
1932 年 ， 德 国 工 程 师 Max Knoll 和Ernst Ruska制造出了 世界上第一 台 透 射 电 子 显 微 镜(TEM)。
Max Knoll(1897-1969)
Ernst Ruska(1906-1988)
电子显微镜的分辨率可以达到纳米级，可以用来观察很多在可见光 下看不见的物体，例如病毒。
扫描电镜成像基础
SE和BSE的电子能量幅度
扫描电镜成像基础
二次电子的形貌衬度
二次电子产额：对于表面光滑的样品，当入射电子束大于1kv时，二次电子产 额δ与样品倾角θ成余弦关系。
δ与θ的关系曲线
形貌与δ(I)的关系
扫描电镜成像基础
扫描电镜成像基础
背散射电子的成分衬度
背散射电子是由入射电子经过样品原子核发射后得到的电子信号，其能 量和出射产率与样品原子序数大小有关，原子序数高的元素原子结构复杂， 入射电子受到散射变成背散射电子的机会多，产额大。
◆可进行多种功能分析
可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态实验观察
扫描电镜的发展背景
光学显微镜和电子显微镜的区别
扫描电镜的发展背景
光学显微镜和电子显微镜的区别
不
扫描电镜的结构和工作原理
扫描电镜的结构和工作原理
扫描电镜的结构
电子光学系统：电子枪、聚光镜、物镜、各级光阑、 扫描线圈、消像散器、合轴线圈等。 成像系统：各种信号探测器（SE、BSE探测器，特征X 射线探测器、阴极荧光探测器等），信号放大输出电 路，图像显示模块等。 真空系统：各种真空泵（机械泵、分子泵、离子泵 等），真空阀门，真空管道，显示仪表，检测设备等。 电气系统：各种电源（高压电源、扫描电源、透镜电 源等），安全系统，控制系统等。