SEM 材料测试方法-扫描电镜
扫描电镜制样
扫描电子显微镜(SEM)常规样品制备技术SEM常规制样方法（一）——试样的取材、固定、脱水和置换一、实验目的掌握扫描电镜制样过程：从取材、固定、脱水、置换、干燥、喷涂这一过程中样品怎样保持生活状态，从而得出接近生活状态的样品。
二、实验原理不论动物或植物组织，要求取材时操作必须快速，组织表面要清洁，必要时需超声波清洗，原理同TEM取材，但需强调的是SEM观察表面结构，所以应注意表面结构的清洁、完整和电镜下反应真实的形貌。
取材时动作要快、轻、准、大小在1mm-1cm之间，所用的器械要锋利、洁静，避免任何牵拉和挤揉样品表面的损伤，常用的固定剂有2-4%戊二醛和1%锇酸。
三、实验器材样品（动物或植物）、双面刀片、培养皿、l.5ml离心管、牙签、2-4%戊二醛、1%锇酸、0. 1M PBS缓冲液，乙醇、乙酸异戊酯。
四、实验步骤1、取材要求动作轻、迅速、准确，为了保持生活状态，应在固定前清洗掉表面杂质，即，迅速将标本放在PBS缓冲液中冲洗，也可超声波器中超10s-30s，使样品所带的污物除去（如：气管内壁上的粘液、植物叶上的灰尘等）。
2、固定（前固定）经过清洗的样品迅速投入2-4%戊二醛囤定液中，间歇振荡且室温固定约2-4小时即可。
样品固定的目的：使样品细胞的微细结构完整真实地保存下来。
如果样品没有很好地固定，那么样品在脱水时可能变形，破坏了样品的生活状态，也就是说，固定不好的材料，电镜下不能反映真实结构，所以这一步很重要。
3、冲洗0. 1M PH7.2 PBS缓冲液洗：30分钟中间换3-4次，因戊二醛与锇酸反应生成细微的沉淀，所以在后固定之前，用0. IM PBS缓冲液洗去多余的戊二醛之后，样品才可能进入锇酸固定液。
4、后固定：1%四氧化锇后固定1-2小时。
5、冲洗：重蒸水冲洗30分钟中间换3-4次，因四氧化锇与乙醇反应，所以在脱水前充分洗去残留的四氧化锇，样品才能进行脱水。
6、脱水脱水剂为乙醇，室温进行为了减少人工损伤，需要梯度脱水：30%、50%、70%、80%、90%、95%、100%，每级15-20分钟，如果是动物样品，脱水时间可5-10分钟，脱水要充分完全地进行直到除尽样品中的水份为止，最后100%乙醇要重复2-3次，保证样品绝对无水。
扫描电镜SEM样品制备
二、实验用品
1. 材料
2.
植物的的根、茎、叶或动物的脏器等。
3. 2. 试剂
4.
丙酮、乙醇、2％戊二醛溶液、1％锇酸、
磷酸缓冲液、醋酸异戊酯、液体二氧化碳、导
电胶等。
5. 3. 器材
6.
扫描电镜、 临界点干燥法、真空喷镀仪、
6. 样品的干燥
常规临界点干燥法。
临界点干燥法
• 临界点干燥法是一种消除了物相界面(液相／气相)，也就是 消除了表面张力来源的干燥方法。这种方法由于没有表面 张力的影响，所以样品不易收缩和损伤。具体处理步骤如 下：
• 装样： 将样品从醋酸异戊酯中挑入(或倒入)样品笼中，用 滤纸吸去样品笼外围的醋酸异戊酯，然后连笼移入仪器的 样品杯(高压容器)内，盖上盖并拧紧以防漏气。(注：在装 样前，应先打开仪器电源，将温度调节设定在0℃处预冷 10～15min，以保证液态二氧化碳有足够量进入样品杯中)。
• 排气：在保持温度不变的条件下(即不关电源)，打开流量 计的排气阀门，以1.0～1.51／min的速度排气(速度慢些 更好)。约经45～60min后，排气完毕，样品杯的压力下降 到零，将温度调节至室温约5rain后，即可取出样品装台镀 膜(若不能立即装台，应置于干燥器内保存)。
临界点干燥操作时的注意事项： • 在样品放进样品杯前，样品杯应预先冷却至0～10℃。 • 样品不宜过湿，但也不能让其表面干涸，应在半干半湿时
离子溅射镀膜法:
在低真空中进行辉光放电时，由于离子冲击，阴极金 属物质有飞溅现象称为溅射。利用离子溅射仪对样品进行 金属镀膜的方法，称为溅射镀膜法。溅射镀膜法的装置很 简单，主要由真空部分(真空泵)和溅射部分(真空罩)组成， 在真空罩内装有阴极和阳极，阴极对着阳极的一面装有用 于溅射用的金属靶(黄金靶、铂靶、白金靶或钯靶等)，样 品放在阳极的样品座上面。当真空罩内的真空度抽到10～ 1Pa时，在阴极与阳极之间加上1000～3000V的直流电压， 两极之间产生弧光放电的电场。在电场的作用下，罩内残 余的气体分子被电离为正离子和电子，正离子被阴极吸引 轰击金属靶，激发出金属颗粒和电子，并被阳极吸引附着 在样品表面而形成金属导电膜。
扫描电镜(SEM)讲解
11.3.4 扫描电镜的主要性能 (1)放大倍数
扫描电镜的放大倍数可用表达式: 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。
目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-200000倍， 介于光学显微镜和透射电镜之间。
（3）景深
景深是指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，这个范围用一段距离来表示。 为电子束孔径角。可见，电子束孔径角是控制扫描电子 显微镜景深的主要因素，它取决于末级透镜的光阑直径和 工作距离。角很小（约10-3 rad），所以它的景深很大。 它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比TEM景深大10 倍。
特征X射线
背散射电子 它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射
电子。又分弹性背散射电子和非弹性背散射电子， 前者是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性 散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变 化；后者主要是指受样品原子核外电子多次非弹性 散射而反射回来的电子。
背散射电子的产生范围在1000 Å到1 m深，由于背散射 电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散 射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显 示原子序数衬度，定性地进行成分分析。
二次电子 是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为 次级电子。
在样品上方装一个电子检测器来检测不同能量的 电子，结果如下图所示。二次电子的能量比较低， 一般小于50eV；二次电子来自表面50-500 Å的区域, 对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面 的微观形貌。但对原子序数的变化不明显。
扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用 什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样， 逐点逐行扫描成像。
SEM扫描电镜能谱（EDS）分析技术
SEM扫描电镜能谱（EDS）分析技术来源：Labs科技⽂摘如果要分析材料微区成分元素种类与含量，往往有多种⽅法，打能谱就是我们最常⽤的⼿段。
能谱具有操作简单、分析速度快以及结果直观等特点，最重要的是其价格相⽐于⾼⼤上的电镜来说更为低廉，因此能谱也成为了⽬前电镜的标配。
今天这篇⽂章集齐了有关能谱（EDS）的各种问题，希望能给⼤家带来帮助。
Q1:能谱的缩写是EDS还是EDX？开始的时候能谱的缩写有很多，⽐如EDS，EDX，EDAX等，⼤家对此也都⼼照不宣，知道ED 就是Energy Dispersive，后⾯因为X-ray Analysis和Spectrum这⼏个词的不同⽤法，导致了缩写的不同。
⽽且相应的汉译也有很多，⽐如能量⾊散谱，能量散射谱等等。
不过，到了2004年左右，相关协会规定，EDS就是能谱或者能谱仪，EDX就是能谱学，Dispersive就不去翻译。
这样EDS就应该是⽂章⾥的正规⽤法，⽽现在有很多⽂章仍然使⽤其他说法，有约定俗成的味道，⼤家知道怎么回事就⾏了。
Q2:TEM的能谱误差⽐SEM的⼩吗？A2:因为很多⼈知道TEM的分辨率⾼，所以认为TEM所配能谱的分辨率⾼于SEM。
这可以说是⼀个⾮常错误的论断。
同样⼚家的能谱，同⼀时期的产品，⽤于TEM的分辨率通常要低于SEM⼏个eV，诚然，TEM可能会观察到更⼩的细节，但这只是能谱分析范围的精准，并不代表能谱的分辨率⾼。
SEM的样品⽐较容易制备，⽽且跟厚度关系不⼤，⼀般电⼦束深⼊样品的⾼度为⼏个微⽶，定量时可以放相应样品的标样（⽐如纯Si就⽤纯Si标样，MgO就⽤MgO标样，有很多国家级标样供选择）来做校正。
⽐较重的元素诸如很多⾦属和稀⼟元素的分析结果可以认为是定量的。
上海硅酸盐研究所的李⾹庭教授对SEM和电⼦探针的EDS分析结果做过⽐较系统的讲述，我摘抄如下：EDS分析的最低含量是0.x%（注：这个x是因元素不同⽽有所变化的。
）“电⼦探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则”国家标准，规定了EDS的定量分析的允许误差（不包括含超轻元素的试样）。
SEM扫描电镜
扫描电子显微镜的构造
电子光学系统 信号收集及显示系统 真空系统和电源系统
电子光学系统
由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。 其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。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
信号收集及显示系统
显微镜的历史
大约在400年前（1590年），由荷兰科学家
杨森和后来的博物学家列文虎克发明和完
善的显微镜，向人们揭示了一个陌生的微
观世界，他们是开辟人类显微分析的始祖。
早期的显微镜以玻璃镜片做透镜，使用可见光
为光源，所以人们把它称为光学显微镜。现在， 最好的光学显微镜可以达到1500倍的放大倍数。
早期的光学显微镜
SEM简介
SEM原理 I
SEM原理 II
SEM示意图
SEM检测原理
SEM中的三种主要信号
背散射电子：入射电子在样品中经散射后再从 上表面射出来的电子。反映样品表面不同取向、 不同平均原子量的区域差别。 二次电子：由样品中原子外壳层释放出来，在 扫描电子显微术中反映样品上表面的形貌特征。 X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外 层电子跃迁至内层时发出的光子。
•1939 - First EM built in North America by James Hillier and Albert Prebus at the University of Toronto
Dr. Prebus
电子显微镜发展史回顾
1986年诺贝尔将委员会把物理奖的一半颁发给E.Ruska:”为了他 在电子光学基础研究方面的贡献和设计出第一台电子显微镜.” Ruska-1928-1930用磁透镜将金属网放大13倍实现电子显微成像。 (柏林高工） 1930-1933 与Von Borries 制造了第一台电子显微镜。（西门子） M.RÜdenberg-1931.5.28向德、法、英等国申请电子显微镜专利 （凭理论推测），1932年12月和1936年10月获得法、英的批准， 1953年获得西德的批准。电子显微镜一词首先出现在RÜdenberg 的专利中 1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的点阵平面条纹像（1纳 米）。 1967年Allpress和Sanders得到分辨率为0.7纳米的氧化物的像。 1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属原子的分布（~0.3纳米）， 标志高分辨像与晶体结构对应关系的产生。
SEM-EDS扫描电镜和能谱仪
Yoke
Pole piece
Coil
Specimen
Working distance WD
六.電子顯微鏡對試片的作用
➢ 電子束對試片所產生的能量
六.電子顯微鏡對試片的作用
➢ 二次電子與背向電子之區別
背向電子產生原子序對比影像BEI
Sn Pb
六.電子顯微鏡對試片的作用
➢二次電子與背相電子影像比較 SEI vs BEI
JDC
七.電子顯微鏡的應用範圍
掃描式電子顯微鏡應用範圍非常之廣泛,主要目的為將微小 物體放大至能觀察之範圍,所觀察之種類包含以下幾種:
➢生物：種子、花粉、細菌……
➢醫學 ：血球、病毒……
美国国家自然科学基金支持的纳米材料的研究机构
➢The Cornell Nanoscale Facility at Cornell University ➢The Stanford Nanofabrication Facility at Stanford University ➢The Solid State Electronics Laboratory at the University of Michigan ➢The Microelectronics Research Center at the Georgia Institute of Technology ➢The Center for Nanotechnology at the University of Washington ➢The Penn State Nanofabrication Facility at the Pennsylvania State University ➢Nanotech at the University of California at Santa Barbara ➢The Minnesota Nanotechnology Cluster MINTEC at the University of Minnesota ➢The Nanoscience at the University of New Mexico ➢The Microelectronics Research Center at University of Texas at Austin ➢The Center for Imaging and Mesoscale Structures at Harvard University ➢The Howard Nanoscale Science and Engineering Facility at Howard University ➢The Triangle National Lithography Center at NCSU DUV lithography only Affiliate
SEM(扫描电子显微镜)的原理
扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscopy, SEM）扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和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和微区成分分析，因此它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、放大和显示成像，获得对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。
电子束和固体样品表面作用时的物理现象一、背射电子背射电子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和非弹性背反射电子。
弹性背反射电子是指倍样品中原子和反弹回来的，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）。
非弹性背反射电子是入射电子和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，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和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、二次电子二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。
扫描电镜原理、方法及操作
一、分析测试步骤开机1、接通循环水（流速1.5～2.0L/min ）2、打开主电源开关。
3、在主机上插入钥匙，旋至“Start ”位置。
松手后钥匙自动回到“on ”的位置，真空系统开始工作。
4、等待10秒钟，打开计算机运行。
5、点击桌面的开始程序。
6、点击［JEOL ·SEM ］及［JSM-5000主菜单］。
7、约20分钟仪器自动抽高真空，真空度达到后，电子枪自动加高压，进入工作状态。
8、通过计算机可以进行样品台的移动，改变放大倍数、聚焦、象散的调整， 直到获得满意的图像9、对于满意的图像可以进行拍照、存盘和打印。
10、若需进行能谱分析，要提前1小时加入液氮，并使探测器进入工作状态。
11、打开能谱部分的计算机进行谱收集和相应的分析。
12、需观察背散射电子像时，工作距离调整为15mm ，然后插入背散射电子探测器，用完后随时拔出。
更换样品1、点击“HTon ”,出现“HT Ready ”。
2、点击“Sample ”,再点击“Vent ”。
3、50秒后拉出样品台,从样品台架上取出样品台.4、更换样品后,关上样品室门,再点击“EVAC ”,真空系统开始工作,重复开机10.1.8、10.1.9。
关机1、点击［EXIT ］,再点击［OK ］,扫描电镜窗口关闭,回到视窗桌面上.2、电击桌面上的［Start ］。
3、退出视窗,关闭计算机.4、关闭控制面板上的电源开关.5、等待15分钟后关掉循环水.6、关掉总电源.二. 方法原理1、扫描电镜近况及其进展扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年已经被提出来了，直到1956年才开始生产商品扫描电镜。
商品扫描电镜的分辨率从第一台的25nm 提高到现在的0.8nm ，已经接近于透射电镜的分辨率，现在大多数扫描电镜都能同X 射线波谱仪、X 射线能谱仪和自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析的多功能的电子光学仪器。
数十年来，扫描电镜已广泛地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学以及地质勘探，机械制造、生产工艺控制、产品质量控制等学科和领域中，促进了各有关学科的发展。
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。
sem扫描电镜怎样分析材料结构
sem扫描电镜怎样分析材料结构篇一：材料分析(SEm)实验报告材料专业实验报告题目：扫描电镜(SEm)物相分析实验学院：先进材料与纳米科技学院专业：材料物理与化学姓名：学号：151412298620XX年6月30日扫描电镜(SEm)物相分析实验一．实验目的1.了解扫描电镜的基本结构与原理2.掌握扫描电镜样品的准备与制备方法3.掌握扫描电镜的基本操作并上机操作拍摄二次电子像4.了解扫描电镜图片的分析与描述方法二．实验原理1.扫描电镜的工作原理扫描电镜（SEm）是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。
试样为块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。
其中二次电子是最主要的成像信号。
由电子枪发射的电子，以其交叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。
聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射以及背散射电子等物理信号，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。
二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。
本次实验中主要通过观察背散射电子像及二次电子像对样品进行分析表征。
1）背散射电子背散射电子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和非弹性背反射电子。
弹性背反射电子是指被样品中原子和反弹回来的，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）。
非弹性背反射电子是入射电子和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。
背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度。
背反射电子产额和二次电子产额与原子序数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）。
sem扫描电镜,怎样分析材料结构
sem扫描电镜,怎样分析材料结构篇一：扫描电镜材料分析作用扫描电子显微镜在材料分析中的应用摘要:介绍了扫描电子显微镜的工作原理、结构特点及其发展,阐述了扫描电子显微镜在材料科学领域中的应用。
关键词:扫描电子；微镜；材料；应用;SEm’sapplicationinmaterialscienceabstract:Theprinciple,structureanddevelopmentoftheScanningElectronmic roscope(SEm)areintroducedinthisthesis.TheapplicationofSEminthefieldof materialscienceisdiscussed.Keywords:ScanningElectronmicroscope(SEm);material;application；前言：二十世纪60年代以来,出现了扫描电子显微镜(SEm)技术,这样使人类观察微小物质的能力发生质的飞跃。
依靠扫描电子显微镜的高分辨率、良好的景深和简易的操作方法,扫描电子显微镜(SEm)迅速成为一种不可缺少的工具,并且广泛应用于科学研究和工程实践中。
近年来,随着现代科学技术的不断发展,相继开发了环境扫描电子显微镜(ESEm)、扫描隧道显微镜(SEm)、原子力显微镜(aFm)等其它一些新的电子显微技术。
这些技术的出现,显示了电子显微技术近年)子枪);(3)提高真空度和检测系统的接收效率;(4)尽可能减小外界振动干扰。
目前,采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到 3.0nm;采用场发射电子枪扫描电镜的分辨率可达1nm。
到20世纪90年代中期,各厂家又相继采用计算机技术,实现了计算机控制和信息处理。
2.1场发射扫描电镜采用场发射电子枪代替普通钨灯丝电子枪,这项技术从1968年就已开始应用,这项技术大大提高了二次电子像分辨率。
近几年来,各厂家采用多级真空系统(机械泵+分子泵+离子泵),提高了真空度,真空度可达10～7Pa;同时,采用磁悬浮技术,噪音振动大为降低，灯丝寿命也有增加。
扫描电镜原理、方法及操作
一、分析测试步骤开机1、接通循环水（流速1.5～2.0L/min ）2、打开主电源开关。
3、在主机上插入钥匙，旋至“Start ”位置。
松手后钥匙自动回到“on ”的位置，真空系统开始工作。
4、等待10秒钟，打开计算机运行。
5、点击桌面的开始程序。
6、点击［JEOL ·SEM ］及［JSM-5000主菜单］。
7、约20分钟仪器自动抽高真空，真空度达到后，电子枪自动加高压，进入工作状态。
8、通过计算机可以进行样品台的移动，改变放大倍数、聚焦、象散的调整， 直到获得满意的图像9、对于满意的图像可以进行拍照、存盘和打印。
10、若需进行能谱分析，要提前1小时加入液氮，并使探测器进入工作状态。
11、打开能谱部分的计算机进行谱收集和相应的分析。
12、需观察背散射电子像时，工作距离调整为15mm ，然后插入背散射电子探测器，用完后随时拔出。
更换样品1、点击“HTon ”,出现“HT Ready ”。
2、点击“Sample ”,再点击“Vent ”。
3、50秒后拉出样品台,从样品台架上取出样品台.4、更换样品后,关上样品室门,再点击“EVAC ”,真空系统开始工作,重复开机10.1.8、10.1.9。
关机1、点击［EXIT ］,再点击［OK ］,扫描电镜窗口关闭,回到视窗桌面上.2、电击桌面上的［Start ］。
3、退出视窗,关闭计算机.4、关闭控制面板上的电源开关.5、等待15分钟后关掉循环水.6、关掉总电源.二. 方法原理1、扫描电镜近况及其进展扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年已经被提出来了，直到1956年才开始生产商品扫描电镜。
商品扫描电镜的分辨率从第一台的25nm 提高到现在的0.8nm ，已经接近于透射电镜的分辨率，现在大多数扫描电镜都能同X 射线波谱仪、X 射线能谱仪和自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析的多功能的电子光学仪器。
数十年来，扫描电镜已广泛地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学以及地质勘探，机械制造、生产工艺控制、产品质量控制等学科和领域中，促进了各有关学科的发展。
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。
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
生物样品的扫描电镜制样干燥方法
生物样品的扫描电镜制样干燥方法一、本文概述扫描电子显微镜（SEM）是一种广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域的高分辨率显微成像技术。
在生物学研究中，SEM被用于观察和分析各种生物样品的超微结构，如细胞、组织、微生物等。
然而，生物样品的电镜制样过程复杂且精细，其中干燥环节尤为关键，因为不当的干燥方法可能导致样品结构变形、失真，甚至破坏。
因此，本文旨在探讨和总结生物样品扫描电镜制样过程中的干燥方法，包括各种方法的原理、优缺点以及应用注意事项，以期为提高生物样品SEM分析的准确性和可靠性提供参考和指导。
二、生物样品扫描电镜制样概述扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种用于观察和研究材料表面微观形貌和组成元素分布的强大工具。
在生物学领域，SEM常被用于研究生物样品的微观结构和形态，如细胞、组织、微生物等。
然而，由于生物样品往往含有大量水分，且结构复杂、易变形，因此在SEM制样过程中，干燥方法的选择和应用至关重要。
生物样品的扫描电镜制样过程一般包括前处理、固定、脱水、干燥、镀金等步骤。
其中，干燥是制样过程中的关键步骤之一。
干燥不当可能导致样品变形、结构破坏、微生物活性丧失等问题，从而影响后续的观察和分析。
因此，选择适合的干燥方法对于保证生物样品SEM制样的质量至关重要。
目前，常见的生物样品干燥方法包括自然干燥、临界点干燥、冷冻干燥等。
自然干燥方法简单易行，但可能导致样品变形和微生物活性丧失；临界点干燥通过控制温度和压力，避免样品在干燥过程中发生收缩和变形，适用于一些对结构要求较高的样品；冷冻干燥则通过在低温下将样品中的水分升华，从而避免样品在干燥过程中发生变形和破坏，适用于一些对微生物活性要求较高的样品。
在实际操作中，应根据样品的性质和研究目的选择合适的干燥方法，并结合其他制样步骤，如固定、脱水、镀金等，以确保制样质量和后续观察的准确性。
随着技术的不断进步，新型的干燥方法和技术也在不断发展，为生物样品SEM制样提供了更多的选择和可能性。
扫描电子显微镜 原理
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）利用
电子束与样品交互作用来获取样品表面形貌和成分信息。
其工作原理涉及电子束的发射、聚焦、扫描以及信号的检测和放大。
首先，SEM内部的电子枪会通过电子发射材料（如钨丝）发
射出电子束。
然后，用来加速电子束的电场将其加速至高能，通常为几千至几十万电子伏。
电子束通过一系列电磁透镜进行聚焦，以减小电子束的直径。
接下来，样品被放置在一个可移动的样品台上。
样品通常需要被涂覆上导电性物质，以允许电子束在其表面上散射并与样品相互作用。
一旦样品准备完毕，样品台会移动，将其表面逐点扫描，使电子束与样品表面不断交互。
当电子束与样品表面相互作用时，会发生多种物理过程，如电子与样品原子之间的散射、逸出二次电子的产生以及不同能量的电子的反射。
这些过程产生的不同信号可用于分析样品的特征。
SEM内部的倍增器可以检测到被散射的电子或逸出二次电子。
这些信号会被转化为电信号并放大。
然后，电子信号会根据扫描的位置被编码并通过计算机或图像处理器进行处理。
最终，这些处理后的信号将被转化为图像，在显微镜显示器上呈现给操作者。
通过调整SEM的操作参数，如电子束的能量、聚焦以及扫描
参数，可以得到不同分辨率和深度的样品图像。
SEM广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域。
SEM__材料测试方法-扫描电镜
导电性良好 可保持原样； 导电性良好——可保持原样； 良好 可保持原样 分为 不导电，或在真空中有失水、变形等现象的 不导电，或在真空中有失水、变形等现象的—— 需处理。 需处理。 SEM样品制备大致步骤： 样品制备大致步骤： 样品制备大致步骤 1. 从大的样品上确定取样部位； 从大的样品上确定取样部位； 2. 根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面； 根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面； 3. 清洗； 清洗； 4. 包埋打磨、刻蚀、喷金处理 包埋打磨、刻蚀、喷金处理.
SEM的成像衬度 SEM的成像衬度
凸起的尖棱、 凸起的尖棱、小粒子及比较陡的斜面处在荧光屏上 这些部位亮度较大；平面处，二次电子产额较小， 这些部位亮度较大；平面处，二次电子产额较小，亮度 较低；深的凹槽，虽有较多的二次电子， 较低；深的凹槽，虽有较多的二次电子，但二次电子不 易被检测到所以较暗。 易被检测到所以较暗。
SEM试样的制备 SEM试样的制备
制备试样应注意的问题 干净的固体（块状、粉末或沉积物）， ），在 （1）干净的固体（块状、粉末或沉积物），在 真空中稳定。 真空中稳定。 （2）应导电；对于绝缘体或导电性差的试样 应导电；对于绝缘体或导电性差的试样— —则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约10～ 则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约10～ 则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约10 nm的导电层 真空镀膜（金粉或碳膜） 的导电层。 20 nm的导电层。真空镀膜（金粉或碳膜）
SEM的构造和工作原理 SEM的构造和工作原理
SEM的结构 1.1 SEM的结构
SEM的构造和工作原理 SEM的构造和工作原理
SEM的结构 1.2 SEM的结构
a.电子光学系统 a.电子光学系统 扫描电镜 b.信号收集处理，图像显示和记录系统 b.信号收集处理， 信号收集处理 c.真空系统 c.真空系统 电子枪 电磁透镜 扫描线圈 样品室
电镜的基本原理(2)扫描电镜
• 工作距离的选择：
从物镜对样品的距离称为工作距离(WD)，一般扫描电镜 的工作距离是在5～40mm之间。在高分辨率工作时， 希望提高分辨率，要求获得较小的束斑，就必须使用短焦 距的强磁物镜。因为强磁透镜像差小，从而能获得较小的 束斑。而强透镜的焦距小，就要求小的工作距离，如 WD=5mm。在低倍观察时，样品凹凸不平，要求图像 有较大的焦深，则要使用大的工作距离，如WD=40mm。
察用 拉扫 伸描 情电 况镜 观
喷 金 的 样 品
扫描电子显微镜的工作内容
微区形貌观测
①二次电子像 可得到物质表面形貌反差的信息，即微观形貌像。 ②背反射电子像 可得到不同区域内平均原子序数差别的信息，即组成分布像。 ③X射线元素分布像 可得到样品表面元素及其X射线强度变化的分布图像。
• 聚光镜电流的选择:
在扫描电镜中聚光镜的作用是缩小束斑直径。聚光镜电流增大，透镜变 强，聚光作用也大，束斑直径变小，则图像分辨率提高，但是，束流变 弱，结果信号变弱，信噪比降低，噪音影响大，图像质量下降。因此， 在要求高分辨率工作时；使用大的聚光镜电流。在低倍工作时用小聚光 镜电流，以减少噪音影响。
◆ ◆ 溶剂刻蚀是用某些溶剂选择溶解高聚物材料
中的一个相，而暴露出另一相的结构。
六、扫描电镜的观察条件
• 加速电压效应：
加速电压越低，扫描图像的信息越限于表面，图像就越能反 映表面真实面貌。 加速电压越低，荷电效应越小，使图像质量改善，灰度层次 丰富而且电子束造成的损伤也减弱。 但加速电压越低，样品表面对于污染变得更敏感。 加速电压扰也较少，故合适于高倍工作。
衬度
表面形貌衬度 原子序数衬度
表面形貌衬度
表面形貌衬度主要是样品表面的凹凸(称为表面地 理)决定的。一般情况下，入射电子能从试详表面 下约5nm厚的薄层激发出二次电子，加速电压大时 会激发出更深层内的二次电子，从而面下薄层内的 结构可能会反映出来，并更加在表面形貌信息上。
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2.1 SEM的构造和工作原理
2.1.1 SEM的结构
2.2 SEM的构造和工作原理
2.2.1 SEM的结构
扫描电镜
a.电子光学系统 b.信号收集处理，图像显示和记录系统
c.真空系统 （1）电子光学系统(镜筒)
电子枪 电磁透镜 扫描线圈 样品室
作用是用来获得很细的电子束（直径约几 个nm），作为产生物理信号的激发源。
新式SEM的二次电子像的分辨率已达到 3~4nm，放大倍数可以从数倍放大到20万倍左 右。
由于扫描电镜的景深远比光学显微镜大，可以 用它进行显微断口分析。
引言
• 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； 4、可同时进行显微形貌观察和微区成分分 析。
★需要提供高的真空度，一般情况下要求保持 10-4-10-5mmHg的真空度。
2.3 SEM的主要性能
（1）分辨率(点分辨率)
分辨率是扫描电镜的主要性能指标。
★定义：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。
★测定方法：在已知放大倍数（一般在10万倍）的条件 下，把在图像上测到得最小距离除以放大倍数所得数值 就是分辨率。
（2）应导电；对于绝缘体或导电性差的试样— —则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约10～ 20 nm的导电层。真空镀膜（金粉或碳膜）
2.5 SEM试样的制备
（3）尺寸不能过大。最大尺寸 ≤ φ25mm， 高≤ 20mm
（4）生物试样—一般要脱水、干燥、固定、染 色等。
（5）粉末试样的制备：先将导电胶或双面胶纸 粘结在样品座上，再均匀地把粉末样撒在上面， 用洗耳球吹去未粘住的粉末，再镀上一层导电膜， 即可上电镜观察。
2.3 SEM的主要性能
（2）放大倍数
As—电子束在样品表面扫描的幅度； Ac—荧光屏阴极射线同步扫描的幅度； ∵Ac是固定不变的，∴As越小，M就越大.
2.3 SEM的主要性能
放大倍数与扫描面积的关系：
(若荧光屏画面面积为10×10cm2)
放大倍数
10× 100× 1,000× 10,000× 100,000×
引言
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 制造出了第一台商品扫描电镜。自其问世以来， 得到了迅速的发展，种类不断增多，性能日益 提高，并且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。
（2）信号收集处理，图像显示和记录系统
作用：收集(探测)样品在入射电子束作用下产 生的各种物理信号，并进行放大；将信号检测 放大系统输出的调制信号转换为能显示在阴极 射线管荧光屏上的图像，供观察或记录。
2.2 SEM的构造和工作原理
（3）真空系统 ★作用：保证电子光学系统正常工作，防止样品污 染，避免灯丝寿命快速下降。
2.4 SEM的成像衬度
e.二次电子形貌衬度图
二次电子形貌衬度示意图 B区，倾斜度最小，二次电子产额最少，亮度最低； C区，倾斜度最大，二次电子产额最多，亮度最大；
2.4 SEM的成像衬度
实际样品中二次电子的激发过程示意图 a)凸出尖端；b)小颗粒；c)侧面；d)凹槽 ★实际中： (a)有凸起的尖棱、小粒子及比较陡的斜面处，则二次电 子产额较多，在荧光屏上这些部位亮度较大； (b)平面处，二次电子产额较小，亮度较低； (c)深的凹槽，虽有较多的二次电子，但二次电子不易被 检测到所以较暗。
2.2 SEM的构造和工作原理
a.电子枪
★作用：利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量 的电子束。 b.电磁透镜
★聚光镜作用：主要是把电子枪的束斑（虚光源）逐级 聚焦缩小，使原来直径约为50μm的束斑缩小成只有几 个nm的细小束斑。 为了达到目的，可选用几个透镜来完成，一般选用3个。
2.2 SEM的构造和工作原理
第二部分 扫描电子显微镜
由于透射电镜是TE进行成像的，这就要求样 品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范围 内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备手 段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的程 度。能否直接利用样品表面材料的物质性能进 行微观成像，成为科学家追求的目标。经过努 力，这种想法已成为现实-----扫描电子显微镜 (Scanning Electronic Microscopy, SEM)。
形貌衬度：由于试样表面形貌差别而形成的衬度。
成分衬度：由于试样表面不同部位原子序数不同而形 成的衬度。
2.4 SEM的成像衬度
2.4.1 二次电子像衬度
(1)二次电子成像原理 a.二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品 表面的核外电子。
b.二次电子的性质：主要来自样品表层5~10nm深度范围， 当大于10nm时，能量较低(小于50eV)，且自由程较短， 不能逸出样品表面，最终被样品吸收。
(c)解理断口：脆性断裂，是沿着某特定的晶体学晶面 产生的穿晶断裂。
低碳钢冷脆解理断口的二次电子像
2.4 SEM的成像衬度
(d)纤维增强复合材料断口：断口上有很多纤维拔出。
碳纤维增强陶瓷复合材料断口的二次电子像
2.4 SEM的成像衬度
b. 样品表面形貌观察： (a) 烧结体烧结自然表面观察。
ZnO
★目前：商品生产的SEM，二次电子像的分辨率已优于 5nm. 例如：日立公司的S-570型SEM的点分辨率为3.5nm；
TOPCON公司的OSM-720型SEM的点分辨率为0.9nm
2.3 SEM的主要性能
★影响分辨率的因素：
①扫描电子束的束斑直径 ； ②检测信号的类型； ③检测部ห้องสมุดไป่ตู้的原子序数；
2.5 SEM试样的制备
微弧氧化膜层表面培养的成骨细胞SEM照片
(a) 350X
(b) 1000X
(c) 2000X
2.5 SEM试样的制备
人类血细胞SEM照片
2.6 小结
SEM
主要利用二次电子，背散射电子
构 造
电子光学系统
电子枪，电磁透镜，扫描线圈， 样品室
信号收集处理，图像显示和记录系统
真空系统
不导电，或在真空中有失水、变形等现象的—— 需处理。
SEM样品制备大致步骤： 1. 从大的样品上确定取样部位； 2. 根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面； 3. 清洗； 4. 包埋打磨、刻蚀、喷金处理.
2.5 SEM试样的制备
2.5.2 制备试样应注意的问题
（1）干净的固体（块状、粉末或沉积物），在 真空中稳定。
2.4 SEM的成像衬度
d.对有些既要进行形貌观察又要进行成分分析的样品， 可采用一种新型的背散射电子检测器。
(a)
(b)
(c)
半导体硅对检测器工作原理
(a) 成分有差别，形貌无差别 (b) 形貌有差别，成分无差别 (c) 成分形貌都有差别
2.4 SEM的成像衬度
(a) 成分像
(b) 形貌像
铝合金抛光表面的背反射电子像
JEOL扫描电子显微镜
JSM-6301F场发射枪扫描电镜
SEM image (beetle)
扫描电子显微镜
引言
扫描电子显微镜 (scanning electron microscope) 简称扫描电镜或SEM，它是以类似电视摄影显 像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。
图(a)是采用A+B方式获得的成分像， 图(b)则是采用A-B获得的形貌像。
2.4 SEM的成像衬度
2.4 SEM的成像衬度
(2)背散射电子像衬度的特点：
（1）分辩率低； （2）背散射电子检测效率低，衬度小； （3）主要反应原子序数衬度。
2.5 SEM试样的制备
2.5.1 试样
分为
导电性良好——可保持原样；
2.4.2 背散射电子像衬度
(1)背散射电子成像原理 a.背散射电子：是被固体样品中的原子核反弹回来的 一部分电子。 b.背射电子信号既可以用来显示形貌衬度，也可以用 来显示成分衬度.
c.背散射电子产额对原子序数十分敏感。（Z<40）
2.4 SEM的成像衬度
背散射电子产额与原子序数间的关系 在进行分析时，样品中原子序数较高的区域中由于 收集到的背散射电子数量较多，故荧光屏上的图像较 亮。因此，利用原子序数造成的衬度变化可以对各种 合金进行定性的成分分析。样品中重元素区域在图像 上是亮区，而轻元素在图像上是暗区。
性 分辨率 <5nm，新型的可达0.9nm 能 放大倍数 M=Ac /As 可达80万倍左右
成像 衬度
二次电子像衬度—分析样品表面形貌、 断口分析；
背散射电子衬度—形貌分析、成分分析.
制样— 制备试样应注意的问题
2.4 SEM的成像衬度
(c+t)-ZrO2 ZrO2陶瓷烧结自然表面的二次电子像
2.4 SEM的成像衬度
(b)金相表面观察：如珠光体组织。
2.4 SEM的成像衬度
2.4 SEM的成像衬度
(3)二次电子像衬度的特点：
（1）分辨率高； （2）立体感强； （3）主要反应形貌衬度。
2.4 SEM的成像衬度
c.二次电子的数量和原子序数没有明显的关系，对样品 微区表面的几何形状十分敏感。
2.4 SEM的成像衬度
d.二次电子成像原理图
二次电子产额最少
有效深度增加到2倍， 二次电子数量更多。
有效深度增加到 倍2 ，入射电子使距表面5-10nm 的作用体积内逸出表面的二次电子数量增多，如：A— 较深的部位，虽有自由电子，但最终被样品吸收。