扫描电子显微镜简介
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜扫描电子显微镜是一种强大的工具，它可以帮助科学家观察到物质的更小的细节和结构。
本文将介绍扫描电子显微镜的原理、应用、发展历程以及未来发展趋势。
原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种利用扫描电子束与物体相互作用而获得形貌和微区组织信息的显微分析仪器。
扫描电子显微镜的工作原理是，将高能电子轰击样品表面，使其表面电子被激发，发射出大量的二次电子。
这些二次电子被探测器接收并转换成负电荷信号，在特定条件下被扫描成像。
应用扫描电子显微镜广泛应用于多个领域，包括材料科学、生命科学、化学和地质学等。
以下是该技术在这些领域中的应用：•材料科学：用于获取材料的形貌、结构以及表面性质等信息。
•生命科学：用于观察细胞、细胞器、细胞表面的超微结构和蛋白质等生物分子的形态和结构。
•化学：用于观察化学反应过程表面形貌、结构的变化以及材料结构的演化过程等。
•地质学：用于研究各种矿物、岩石和地层等，以了解地质演化过程。
发展历程1950年，发明了透射式电子显微镜，但它只能用于真空环境下的样品。
1956年，Helmut Ruska和Max Knoll发明了扫描电子显微镜。
该技术能够在空气中观察样品，并获得更高的象素分辨率。
1965年， Hitachi公司普及了第一台商用扫描电子显微镜S-800。
自此以后，扫描电子显微镜技术得到了快速的发展。
未来发展趋势随着技术的发展，扫描电子显微镜的应用场景不断扩大。
今后，该技术将越来越多地应用于纳米材料和微细加工领域。
同时，随着计算机技术的发展，扫描电子显微镜将会实现更高的自动化和智能化，成为更加强大的工具。
结论扫描电子显微镜是一款横跨多个领域应用的重要科学工具，其在材料科学、生命科学、化学和地质学等领域均有广泛的应用。
虽然该技术已经发展多年，但随着技术和计算机技术的不断进步，扫描电子显微镜将会越来越强大，为人们探索科学世界提供更加强大的支持。
扫描电子显微镜ppt
根据仪器使用手册，进行校准标准操作，确保仪 器达到最佳工作状态。
调整参数
根据样品的性质和观察目的，调整扫描电子显微 镜的参数，如加速电压、工作距离等。
图像获取
图像调整
根据观察效果，调整扫描电子 显微镜的焦距、亮度、对比度 等参数，获取清晰、高质量的
图像。
图像存储
将获取的图像存储在计算机或硬 盘中，以便后续分析。
03
扫描电子显微镜的操作流程
样品准备
1 2
样品选择
选择具有代表性的、适合观察的样品，确保样 品无污染、无损坏、无过热等。
样品处理
根据样品性质，进行干燥、打磨、染色等处理 ，以优化观察效果。
3
样品装载
将处理好的样品放置在扫描电子显微镜的样品 台上，确保位置准确、稳定。
仪器校准
仪器开机
打开扫描电子显微镜的电源，启动控制系统，预 热仪器。
高速扫描技术
采用更快速的扫描方式，提高成像速度，适用于动态过程或高速 运动的样品。
三维重构技术
利用计算机技术和算法，将多个层面的扫描结果进行整合，获得 样品的三维结构信息。
跨学科应用与合作
与其他技术的结合
将扫描电子显微镜与其他分析仪器（如光谱仪、能谱仪等）结合，实现多维 度的综合分析。
跨领域应用
拓展扫描电子显微镜在生物学、医学、材料科学、地质学等领域的应用，促 进跨学科的合作与交流。
电子与样品的相互作用
当高能电子束打到样品表面时，会与样品原子发生相互作用，产生各种散射 和发射的电子、次级电子、俄歇电子等。
信号收集与图像形成
信号收集
在扫描电子显微镜中，通过特殊的探测器来收集各种散射和发射的电子，如次级 电子、反射电子、透射电子等。
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。
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜介绍：
扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。
当一束高能的人射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X 射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。
同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动 (声子)、电子振荡 (等离子体)。
原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。
扫描电子显微镜正常值：
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。
扫描电子显微镜临床意义：
异常结果：在医学方面只要是应用在病毒与血液的检查。
扫描电镜主要用来观察组织、细胞表面或断裂面的显微和亚显微结构及较大的颗粒性样品(3nm～10nm)的表面形态结构，找到病炉。
需要检查的人群：病毒感染或者肿瘤患者都可以检查，其他疾病也也检查。
扫描电子显微镜注意事项：
不合宜人群：一般无。
检查前禁忌：保持正常的饮食及睡眠。
检查时要求：按照医生的吩咐，取样，积极配合医生。
医生应该仔细观察显微镜下的视野。
扫描电子显微镜检查过程：
检查过程一般是采集取样，然后标本的制作，医生在一定的时间内用扫描电子显微镜进行观察细胞，然后得出图像进行分析。
扫描电子显微镜(SEM)简介
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
扫描电子显微镜(SEM)
2．分辨率 （resolution）
• 分辨率是扫描电子显微镜主要性能指标。对微区 成分分析而言，它辨两点之间的最小距离。 • 这两者主要取决于入射电子束直径，电子束直径 愈小，分辨率愈高。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３nm，场发射电子枪可使束斑直径小于1nm。 • 但分辨率并不直接等于电子束直径，因为入射电 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。
特征X射线发射
五、特征X射线 （characteristic X-ray）
• 若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射， hc 此时X射线的波长为： K E K E L2 式中，h为普朗克常数，c为光速。对于每一元素，EK、EL2 都有确定的特征值，所以发射的X射线波长也有特征值， 这种X射线称为特征X射线。 K • X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律： 2 Z
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 展起来的一种电子显微镜 • 扫描电子显微镜的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的方 式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发 出来的各种物理信号来调制成像的。 • 扫描电镜能完成： 表(界)面形貌分析； 配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学 位向分析等。
3.2扫描电镜成像的物理信号
• 扫描电镜成像所用的 物理信号是电子束轰 击固体样品而激发产 生的。具有一定能量 的电子，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。
扫描电子显微镜简介
扫描电子显微镜仪器构造：(1) 电子枪。
电子枪有热电子发射型和场发射型两种。
其作用是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。
其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。
现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。
但这种电子枪要求很高的真空度。
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。
(2) 电磁透镜。
其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50m m的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。
其工作原理与透射电镜中的电磁透镜相同。
扫描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。
第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。
(3) 扫描系统。
它是扫描电镜成象的一个重要组成部分，它的功能是使聚焦后的电子束在样品表面做光栅扫描。
(4) 样品室。
样品室中主要部件是样品台。
它出能进行三维空间的移动，还能倾斜和转动，样品台移动范围一般可达40毫米，倾斜范围至少在50度左右，转动360度。
样品室中还要安置各种型号检测器。
信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。
样品台还可以带有多种附件，例如样品在样品台上加热，冷却或拉伸，可进行动态观察。
近年来，为适应断口实物等大零件的需要，还开发了可放置尺寸在Φ125mm以上的大样品台。
(5) 检测器。
其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。
不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：电子检测器，应急荧光检测器和X射线检测器。
在扫描电子显微镜中最普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成（见下图）。
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。
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。
SEM扫描电子显微镜知识
SEM扫描电子显微镜知识扫描电子显微镜知识A—Z / SEM的构造扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope：SEM）是观察样品表面的装置。
用很细的电子束（称为电子探针）照射样品时，从样品表面会激发二次电子，在电子探针进行二维扫描时，通过检测二次电子形成一幅图像，就能够观察样品的表面形貌。
SEM的构造装置的结构SEM由形成电子探针的电子光学系统、装载样品用的样品台、检测二次电子的二次电子检测器、观察图像的显示系统及进行各种操作的操作系统等构成（图1），电子光学系统由用于形成电子探针的电子枪、聚光镜、物镜和控制电子探针进行扫描的扫描线圈等构成，电子光学系统（镜筒内部）以及样品周围的空间为真空状态。
图1 SEM的基本结构1图2 电子枪的构造图电子枪电子枪是电子束的产生系统，图2是热发射电子枪的构造图。
将细（0.1 mm左右）钨丝做成的灯丝（阴极）进行高温加热（2800K左右）后，会发射热电子，此时给相向设置的金属板（阳极）加以正高圧（1～30kV），热电子会汇集成电子束流向阳极，若在阳极中央开一个孔，电子束会通过这个孔流出，在阴极和阳极之间，设置电极并加以负电圧，能够调整电子束的电流量，在这个电极（被称为韦氏极）的作用下，电子束被细聚焦，最细之处被称为交叉点（Crossover)，成为实际的光源(电子源)，其直径为15～20μm。
以上说明的是最常用的热发射电子枪，此外还有场发射电子枪和肖特基发射电子枪等。
热发射电子枪的阴极除使用钨丝外，还使用单晶六硼化镧(LaB6)，LaB6由于活性很强，所以需要在高真空中工作。
2透镜的构造电子显微镜一般采用利用磁铁作用的磁透镜。
当绕成线圈状的电线被通入直流电后，会产生旋转对称的磁场，对电子束来说起着透镜的作用。
由于制作强磁透镜（短焦距的透镜）需要增加磁力线的密度，如图3所示，线圈的周围套有铁壳（轭铁），磁力线从狭窄的开口中漏洩出来，开口处被称作磁极片（极靴），经精度极高的机械加工而成。
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。
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。
扫描电子显微镜
多模式和多功能：未来 的扫描电子显微镜将具 备多种模式和功能，例 如在观察形貌的同时进 行成分分析、晶体结构 分析等。此外，还将开 发出更多的附属功能， 如样品制备、图像处理 和分析等
扫描电子显微镜的发展趋势
自动化和智能化：随着 自动化和智能化技术的 不断发展，未来的扫描 电子显微镜将更加智能 化，具备自动调整参数 、自动聚焦、自动扫描 等功能。同时，还将引 入人工智能和机器学习 等技术，提高图像处理 和分析的自动化程度
高分辨率和高质量图像 ：随着透射电镜等其他 电子显微技术的发展， 扫描电子显微镜的分辨 率和图像质量也将得到 进一步提高。同时，新 的探测器和信号处理技 术也将被引入，以提高 图像的信噪比和对比度
高速扫描和实时成像： 为了更好地观察动态过 程和实时变化，扫描电 子显微镜的扫描速度将 得到提高，同时配备更 快的电子束扫描系统和 更灵敏的探测器，实现 高速扫描和实时成像
扫描电子显微镜的应用领域
总之，扫描电子显微镜作为 一种高分辨率的电子显微技 术，在各个领域都有着广泛 的应用前景
随着技术的不断发展和进步， 相信它的应用领域将会越来 越广泛
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扫描电子显微镜的发展趋势
扫描电子显微镜的发展趋势
随着科技的不断发展，扫描电子显微镜也在不断发展和改进，未来将会呈现出以下发展趋 势
材料科学：材料科学领域 需要对金属、陶瓷、聚合 物等材料的结构和性能进 行研究。扫描电子显微镜 能够提供高分辨率和高对 比度的图像，帮助研究人 员了解材料的微观结构和 性能之间的关系
扫描电子显微镜的应用前景
总之，扫描电子显微镜作为一种高分辨率的电 子显微技术，在各个领域都有着广泛的应用前
景
随着技术的不断发展和进步，相信它的应用领 域将会越来越广泛，为科学研究和技术创新做
环境扫描电子显微镜介绍
环境扫描电子显微镜介绍环境扫描电子显微镜（Environmental Scanning Electron Microscope，ESEM）是一种特殊的电子显微镜，可以在相对较高的湿度和气压下对样品进行观察，不需要对样品进行处理或者涂覆导电薄膜。
ESEM在大气或者真空环境中，通过扫描电子和信号接收器检测样品的电子散射、透射和反射，从而获取高分辨率的图像。
相较于传统的扫描电子显微镜（SEM），ESEM的一个突出特点是它可以在湿度高达100%的条件下进行观察，并且可以在较低的真空度下操作，甚至可以在大气中观测。
这使得ESEM在生物学研究和材料科学领域具有独特的优势。
ESEM的工作原理是通过在扫描电子枪周围保持相对较高的气压，湿润的样品表面上的水分子被激发产生电子，然后和扫描电子束进行相互作用，形成电子散射。
通过控制样品、相机和检测器之间的电子流，可以捕捉到确定位置上散射电子的图像。
这些图像可以被用来观察样品的表面形貌、成分组成以及局部电子密度等信息。
在生物学研究中，ESEM可以在接近自然状态下观察生物样品，如细胞、细胞外基质以及生物材料。
由于不需要对样本进行复杂的处理，ESEM可以观察到细胞的生理状态、细胞间相互作用以及细胞和外部环境的关系。
这对于生物学家来说是非常重要的，因为真实环境下的细胞行为往往与人工培养环境中的行为有很大的不同。
在材料科学领域，ESEM可以对材料的表面形貌和微观结构进行观察和分析。
例如，ESEM可以用于研究材料表面的粗糙度、孔洞结构以及涂层的均匀性。
此外，ESEM还可以用于研究材料的疲劳行为和腐蚀过程等。
为了实现在高湿度环境下的观察，ESEM通常配备了样品室和湿气控制系统。
样品室通常具有水密封，可以承受高压并保持相对较高的湿度。
湿气控制系统可以控制样品室中的湿度和气压，以满足具体实验要求。
总结来说，环境扫描电子显微镜（ESEM）是一种可以在相对较高的湿度和气压下观察样品的电子显微镜。
电子扫描显微镜
电子扫描显微镜
电子扫描显微镜是一种重要的科学研究工具，它利用电子束来观察并分析样品的微观结构和组成。
与传统的光学显微镜相比，电子扫描显微镜具有更高的分辨率和更强的放大能力，可以让我们看到更小的细节和更微小的结构。
电子扫描显微镜的工作原理是将电子束聚焦在样品表面上，然后通过对电子束的反射和散射来形成图像。
与光学显微镜不同的是，电子束可以穿透样品，因此可以观察到更深层次的结构和组成。
此外，由于电子束的波长比可见光短得多，因此电子扫描显微镜具有更高的分辨率。
电子扫描显微镜在许多领域都有着广泛的应用，如材料科学、生物学、医学、纳米技术等。
例如，在材料科学领域，电子扫描显微镜可以用来观察材料的晶体结构、纹理和缺陷；在生物学和医学领域，电子扫描显微镜可以用来观察细胞和组织的结构和形态，并帮助医生诊断疾病；在纳米技术领域，电子扫描显微镜可以用来观察和操作纳米级别的结构和器件。
总的来说，电子扫描显微镜是一种非常重要的科学工具，为我们深入研究微观世界提供了有力的支持和帮助。
随着科技的不断进步和发展，
相信电子扫描显微镜将会在更多的领域得到广泛的应用和发展。
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工作原理
扫描电镜工作原理图
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工作方式
扫描电镜中，用来成像的信号主要是 二次电子，其次是背反射电子和吸收 电子，X射线和俄歇电子主要用于成 分分析，其他信号的电子也用一定的 用途。
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工作方式
电子束与固体样品表面作用 时产生的信息
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工作方式
二次电子
二次电子是从表面5－10nm层内发射出来的，能量 小于50eV，它对表面状态形貌非常敏感，能非常 有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试 样表面层，入射电子还没有被多次散射，因此产 生二次电子的面积与入射电子的照射面积基本相 同，二次电子的空间分辨率较高，JSM5610二次电 子分辨率为3nm。
●显示系统一般是把信号经处理输入电脑在显
示器上显示。
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扫描电镜的结构
闪烁体计数器
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扫描电镜的结构
真空系统
真空系统在电子光学仪器中十分重要,这是 因为电子束只能在真空下产生和操纵。对 于扫描电子显微镜来说,通常要求真空度优 于10-3～10-4Pa。任何真空度的下降都会导 致电子束散射加大,电子枪灯丝寿命缩短, 产生虚假的二次电子效应,严重影响成像的 质量。因此,真空系统的质量是衡量扫描电 子显微镜质量的参考指标之一。
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试样制备
试样应有良好的导电性，或至少试样表面 导电性要好。导电性不好的试样，如高分 子材料、陶瓷、生物样等再入射电子的照 射下，表面容易积累电荷严重影响图像质 量。对不导电的试样，必须进行真空镀膜 ，在试样表面蒸镀一层厚约10nm的金属膜 或碳膜，以避免荷电现象。真空镀膜技术 还可以提高表面二次电子发射率，提高图 像衬度。
背反射电子
背反射电子是入射电子再试样中收到原子核卢瑟福 散射尔形成的大角度散射电子。能量损失很小或没 有能量损失。由于入射电子进入试样较深，入射电 子发生已被散射开，电子束斑直径要比二次电子束 斑直径大。所以背反射电子成像分辨率比二次电子 低。JSM5610二次电子分辨率为3nm。背散射电子来 自样品表层几百纳米的深度范围,由于它的产额随 样品原子序数增大而增多,所以不仅能用作形貌分 析,而且可以用来显示原子序数衬度。
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工作方式
电位衬度 电位衬度是试样表面电位分布有差异所 引起的衬度。由于二次电子的能量较低，如试样 表面不同微区的电位不同，则电位低的地方的二 次电子容易跑到相邻电位高的地方，使电位低的 地方δ小，在图像上显得暗；电位高的地方δ大 ，在图像上就显得亮。这就形成的电位衬度。
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工作方式
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工作方式
背反射电子成像的衬度主要取决于原子序数和表 面凹凸不平的形貌。其衬度既与试样表面形貌有 关，又与试样成分有关。要把两种衬度分开，只 有利用单纯的背反射电子。用A、B两个检测器， 放在相对于入射束对称的两个位置上。加负偏压 收集的是背反射电子。这时由于原子序数不同所 产生的衬度效果在A、B两检测器上是相同的，而 表面形貌产生的衬度效果是相反的。经过合成可 得到原子序数衬度和形貌衬度。
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工作方式
二次电子衬度，包括形貌衬度、成分衬度和 电位衬度。形貌衬度是由试样表面凹凸不平 造成的。二次电子是低能电子，在逸出过程 中容易被吸收。只有表层产生的二次电子才 能逸出表面。若逸出深度为L，入射电子方向 和表面法向夹角为θ，则入射电子在较长的 路程上预试样原子作用所激发的低能电子都 有可能逸出，因此产生二次电子数量δ正比 于δ＝secθ。
湖南大学
扫描电子显微镜简介
精密磨削实验室 程锋 2005年9月
介绍提纲
引言 扫描电镜工作原理 扫描电镜工作方式 扫描电镜结构 试样制备 EDS原理简介
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引言
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）简称扫描电 镜或SEM，是利用聚焦电子束在试样 表面扫描时激发的某些物理信号来调 制一个同步扫描的显像管在相应位置 的亮度而成像的一种显微镜。
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引言
1935年，德国的克诺尔（Knoll）提出了扫描电镜 的工作原理。 1938年，范阿道（Von Ardenne）开始进行实验研 究。 1942年，沃利金. 希尔（Zworykin Hill）制成了 第一抬实验室用的扫描电镜。 1960年，埃霍德（Everhart）和沙姆露（Thomley ）把二次电子信号转化为光信号，经光导管传入 光电倍增器输出，扫描电镜的分别率大大提高
Flash描述
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扫描电镜的结构
扫描电镜由电子光学系统（电子枪、电磁透 镜、扫描线圈、消像散器、线圈、试样室） ，信号收集及显示系统，真空系统，电源及 控制系统等部分组成。 1.电子光学系统
●电磁透镜，扫描电镜要求一个尽可能细而又有一
定强度的电子束。这主要靠电磁透镜来实现。 JSM5610有三级透镜聚焦，最后形成电子束针射到 试样上。末级透镜是物镜，空间较大，用来容纳 扫描线圈和消像散器。
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扫描电镜的结构
●扫描线圈，它使电子束做光栅扫描，与显示
系统的CRT啸扫描线圈由同一个锯齿波发生 器控制，保证镜筒中的电子束与显示系统 的CRT中的电子束偏转严格同步。
●试样室，其中最重要的部件之一是试样台，
它颖容纳大的试样，好要有三维空间的移 动，倾斜核装动，活动范围大，精度要求 高，振动要小。
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工作方式
因此由于逸出深度固定的，所以尖棱和棱 角处的δ增加，而沟槽和空穴处的δ减少。 使图像上各处亮度不同。
形貌衬度的产生
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工作方式
成分衬度 成分衬度是由于试样表面不同部位原
子序数不同造成的，在试样中二次电子有两类， 一类是由入射电子产生，主要显示试样表面形貌 ，另一类是背反射电子激发出来的，形成像的背 底。当试样表面各处原子序数差别较大时，各处 射出二次电子的量也有明显的差别。原子序数大 的地方射出二次电子多，在图像上亮，而原子序 数小的地方射出二次电子少，图像上就暗。
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引言
1965年 ，作出了第一台商品扫描电镜， 自问世以来，得到了迅速的发展，种类 不断增加，性能日益提高，并且在材料 科学、地质学、生物学、医学、物理学、 化学等领域的应用越来越广泛，为适应 不同分析的要求，扫描电镜上相继安装 了许多专用附件如EDS和WDS，从而使功 能日趋完善，应用越来越广。 。
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工作方式
信号处理示意图
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工作方式
吸收电子 吸收电子是入射电子中一部分与试样作用后 能量损失殆尽，不能再逸出表面的这部分 电子。入射电子束和样品作用后,若逸出表 面的背散射电子和二次电子数量越少,则吸 收电子信号强度越大。若把吸收电子信号 调制成图像,则它的衬度恰好和二次电子或 背散射电子信号调制的图像衬度相反。
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EDS原理简介 EDS原理简介
Auger Electrons Secondary Electrons Backscattered Electrons
Cathodoluminescence
Characteristic x-rays Continuum x-rays Fluorescent x-rays
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扫描电镜的结构
2.信号收集与显示系统
●信号收集，对扫描பைடு நூலகம்镜来说，最重要的待测
信号是二次电子和背反射电子，它们通常用 闪烁体计数测量。信号电子撞击并进入闪烁 体时将引起电离，当离子与自由电子复合时 产生可见光，沿光导管送到光电倍增器进行 放大，输出电流经电流－电压转换和视频放 大器放大，经CRT调制，得到图像。
电子束和试样的相互作用
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EDS原理简介 EDS原理简介
K-Shell
L-Shell
M-Shell
Continuum ChengF
EDS原理简介 EDS原理简介
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试样制备
用于扫描电镜的试样分为两类：一是导电 性良好的试样，一般可以保持原始形状， 不经或稍经清洗，就可放到电镜中观察。 二是不导电的试样，或在真空中有放气， 收缩变形现象的试样，需经过适当处理才 能观察。试样制备过程中需要注意的问题 有：
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试样制备
试样必须是干净的固体（块状，粉末或沉 积物），在真空中能保持稳定。含有水分 的试样需进行脱水处理，并要采取措施防 止试样脱水变形。对木材，催化剂等容易 吸气的多孔试样应在预抽气室适当预抽。 有些试样因表面生锈或被尘埃污染而影响 观察，必须进行适当清洗再观察。粘有油 污的试样，需用丙酮等溶剂仔细清洗。
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工作方式
特征X射线 当入射电子与核外电子作用，产生弹 性散射，电子脱离变成二次电子，使 原子处于较高能量的激发态，外层电 子迅速填充内层电子空位，同时释放 能量，即从原子内部发射出具有一定 能量的X射线。
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工作方式
俄歇电子 在入射电子激发样品的特征X射线过程中, 如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放 出来的能量并不以X射线的形式发射出去, 而是用部分能量把空位层内的另一个电子 发射出去(或使空位层的外层电子发射出去 ),这个被电离出来的电子称为俄歇电子。 带有特征能量的二次电子。
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试样制备
试样尺寸不能太大，必须能放置在试样台 上。一般扫描电镜最大允许尺寸为Φ 25mm ，高20mm。对于金属断口及质量事故中的 一些试样，可以直接放到电镜中观察，尺 寸过大的可以切割，但不要损失被观察面 。
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试样制备
生物试样，因其表面通常附有黏液，组织 液，体内含有水分等，用扫描电镜观察前 ，一般都进行脱水干燥、固定、染色、真 空镀膜等处理。