扫描电镜SEM简介-PPT版
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扫描电子显微镜ppt课件
信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系，如果 安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。
二、信号的收集和图像显示系 统
信号收集和显示系统包括各种信号检测器，前置放大 器和显示装置，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，最后在荧光屏上得到反映样品表面特征的 扫描图像。
12-0引言
2、 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）
3、试样制备简单。只要将块状或粉末的、导 电的或不导电的试样不加处理或稍加处理，就 可直接放到SEM中进行观察。一般来说，用 SEM观察断口时，样品不必复制，可直接进行 观察，这给分析带来极大的方便。比透射电子 显微镜（TEM）的制样简单，且可使图像更近 于试样的真实状态。
二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪 烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起 电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见 光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即 又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大 后就成为调制信号。
二、信号的收集和图像显示系 统
如前所述，由于镜筒中的电子束和显像 管中电子束是同步扫描，而荧光屏上每 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，所以接收到的信号也不 相同，于是就可以在显像管上看到一幅 反映试样各点状态的扫描电子显微图像。
俄歇电子特点:
(1)俄歇电子的能量很低，能量有特征值, 一般在50eV-1500eV范围内。
(2)俄歇电子的平均自由程很小(1nm左 右).因此在较深区域中产生的俄歇电子 在向表层运动时必然会因碰撞而损失能 量,使之失去了具有持征能量的特点.
二、信号的收集和图像显示系 统
信号收集和显示系统包括各种信号检测器，前置放大 器和显示装置，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，最后在荧光屏上得到反映样品表面特征的 扫描图像。
12-0引言
2、 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）
3、试样制备简单。只要将块状或粉末的、导 电的或不导电的试样不加处理或稍加处理，就 可直接放到SEM中进行观察。一般来说，用 SEM观察断口时，样品不必复制，可直接进行 观察，这给分析带来极大的方便。比透射电子 显微镜（TEM）的制样简单，且可使图像更近 于试样的真实状态。
二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪 烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起 电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见 光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即 又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大 后就成为调制信号。
二、信号的收集和图像显示系 统
如前所述，由于镜筒中的电子束和显像 管中电子束是同步扫描，而荧光屏上每 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，所以接收到的信号也不 相同，于是就可以在显像管上看到一幅 反映试样各点状态的扫描电子显微图像。
俄歇电子特点:
(1)俄歇电子的能量很低，能量有特征值, 一般在50eV-1500eV范围内。
(2)俄歇电子的平均自由程很小(1nm左 右).因此在较深区域中产生的俄歇电子 在向表层运动时必然会因碰撞而损失能 量,使之失去了具有持征能量的特点.
扫描电子显微镜(SEM)-PPT课件
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 EK EL2 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
三、吸收电子 （absorption electron）
• 入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量 损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子 产生），最后被样品吸收。 • 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表， 就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收 电子提供的。 • 入射电子束与样品发生作用，若逸出表面的背散 射电子或二次电子数量任一项增加，将会引起吸 收电子相应减少，若把吸收电子信号作为调制图 像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子 像的反差是互补的。
• 背散射电子是指被固体样品中的原子反弹回来的一部分入 射电子。 • 其中包括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的散射角大 于90的那些入射电子，其能量基本上没有变化。 • 弹性背散射电子的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 性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。 • 如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形 成非弹性背散发固体产生的 四种电子信号强度与入射电子强度之间必然满足以下 关系： i0=ib+is+ia+it 式中：ip ib is ia it 是透射电子强度。
将上式两边同除以i0 η+δ+a+τ =1 式中：η= ib/i0 δ= is/i0，为二次电子发射系数； a = ia/i0 τ = it/i0，为透射系数。
1扫描电镜SEMPPT课件
减速模式
减速模式提高分辨率，减小样品损伤，消除核电效应， 各种信息对表面更为敏感。
能谱
特征X射线的产生是由入射电子激发元素内层电子而 发生的。即内壳层电子被轰击后跳到比费米能级高的能 级上，电子轨道内出现的空位被外层轨道的电子填入时， 放出的能量就是特征X 射线。高能级的电子落入空位时， 要遵从所谓的选择规则（selection rule），只允许满足轨 道量子数l的变化Δl＝±1 的特定跃迁。特征X 射线具有 元素固有的能量。所以，将它们展开成能谱后，根据它 的能量值就可以确定元素的种类，而且根据谱的强度分 析就可以确定其含量。
扫描电镜样品室空间较大，进行 较全面的原位分析，放大倍数连 续调节范围大，景深长，分辨本 领较高
分析中心扫描电镜发展
扫描电子显微镜结构、原理
1 2
3
SEM结构
扫描电子显微镜结构、工作原理
电子枪
热发射电子枪
场发射电子枪
灯
丝
优于
决
定因素：Fra bibliotek磁透镜
旋转对称的磁场对电子束有聚焦作用，能使电子束聚焦 成像。产生这种旋转对称非均匀磁场的线圈装置就是磁透镜.
背散射电子衬度
如果试样表面存在不均 匀的元素分布，则平均原子 序数较大的区域将产生强的 被散射电子信号，因而在被 散射电子像上显示出较亮的 衬度；反之平均原子序数较 小的区域在被散射电子像上 是暗区。因此，根据被散射 电子像的亮暗程度，可判别 出相应区域的原子序数的相 对大小，由此可对金属及合 金的显微组织进行成分分析。
低真空（Helix探头）
Helix探测技术将浸入式透镜和低真空扫描电镜两种技术 成功地组合在一起，在带来超高分辨率的同时，还能在低真 空环境下有效地抑制非导电材料的电荷积累效应。
扫描电镜分析简介ppt
• 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。
• 景深取决于分辨本领和电子束入射半角ac。由右下图可知， 扫描电镜的景深F为：
d0临界分辨本领， ac电子束的入射半角
扫描电镜应用实例
断口形貌分析 纳米材料形貌分析 在微电子工业方面的应用
断口形貌分析
扫描电镜显微分析简介
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
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 应用举例
概况
扫描电子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。
电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路 所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电 源。
扫描电镜的主要性能
放大倍数 分辨率 景深
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
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。
其他信号
俄歇电子：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，多余能量转移 给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚， 成为俄歇电子。
• 景深取决于分辨本领和电子束入射半角ac。由右下图可知， 扫描电镜的景深F为：
d0临界分辨本领， ac电子束的入射半角
扫描电镜应用实例
断口形貌分析 纳米材料形貌分析 在微电子工业方面的应用
断口形貌分析
扫描电镜显微分析简介
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
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 应用举例
概况
扫描电子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。
电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路 所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电 源。
扫描电镜的主要性能
放大倍数 分辨率 景深
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
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。
其他信号
俄歇电子：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，多余能量转移 给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚， 成为俄歇电子。
SEM扫描电子显微镜PPT
环保材料与工艺
采用环保材料和工艺， 降低生产过程中的环境 污染。
安全操作规程
制定严格的安全操作规 程，确保操作人员和设 备安全。
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sem扫描电子显微镜
目 录
• 简介 • 应用领域 • 技术特点 • 操作与维护 • 未来发展与挑战
01 简介
定义与特点
定义
扫描电子显微镜（SEM）是一种利用 电子束扫描样品表面并收集其产生的 二次电子、背散射电子等信号来生成 样品表面形貌和成分信息的显微镜。
特点
SEM具有高分辨率、高放大倍数、高 景深等特点，能够观察样品的表面形 貌和微观结构，广泛应用于材料、生 物医学、环境等领域。
操作步骤
01
关机步骤
02
03
04
关闭SEM软件和电脑。
关闭显微镜主机，并将显微镜 归位。
关闭电源开关，确保电源完全 断开。
常见问题与解决方案
原因
可能是由于聚焦不准确或样品表 面不平整。
解决方案
重新调整聚焦或对样品表面进行 预处理，确保表面平整。
常见问题与解决方案
原因
可能是由于样品台倾斜或扫描参数设置不正确。
3
拓展多模式功能
开发具备多种模式（如透射、反射、能谱分析等） 的扫描电子显微镜，满足更多应用需求。
提高检测灵敏度与分辨率
优化电子光学系统
改进透镜、加速电压和探 测器等关键部件Biblioteka 提高成 像质量。发展超分辨技术
利用超分辨算法和纳米材 料等手段，突破光学衍射 极限，实现更高的分辨率。
提升信号处理能力
改进信号采集、处理和传 输技术，降低噪声干扰， 提高检测灵敏度。
扫描电镜精品PPT课件
扫描电镜
SEM构造及原理：
构造：电子光学系统 信号收集处理系统 真空系统 供电系统
电子光学系统: 包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。
电子枪 SEM 中的电子枪与TEM 中的相似，但加速电压更低。 热阴极电子枪 ，束斑可达6nm 。六硼化镧和场发射 电子枪，束斑更小。
电磁透镜（3个） 功 能： 聚焦电子枪束斑，50mm→nm级斑点。 前二者：强透镜，缩小电子束光斑 第三个：弱透镜，习惯称物镜，有较长的焦距， 使样品和透镜之间留有一定空间以装入 各种信号探测器。 SEM中束斑越小，成像单元越小，分辨率就愈高。
2) 选区电子通道花样： 微区范围 10 -15 um 产生花样的区域1-3mm
电子通道花样的标定
L—末级透镜至晶体表面的距离 M—花样放大倍数 W—荧光屏上某衬度带的宽度
EBSD技术
EBSD技术
EBSD技术相关原理 EBSD应用及数据处理
电子背散射衍射分析技术
基于扫描电镜（SEM）中电子束在倾斜 样品表面激发出并形成的衍射菊池带的 分析从而确定晶体结构、取向及相关信 息的方法。
信号收集处理系统
二次电子，背散射电子，透镜电子等信号都可用闪 烁计数器检测。
信号电子进入闪烁体即引起电离，当离子和自由电子 复合后产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电 倍增器，光信号放大，又转化成电流信号输出，电流 信号经视频放大后成为调制信号。
真空系统
为保证电子光学系统的正常工作，对真空度有一定要 求。 真空度 > 1.33×10-2～1.33×10-3Pa 冷场发射真空度一般要达到：10-7 Pa
这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像 管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线 圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，电子 束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一 个亮点。扫描电镜采用逐点成像的方法，把样品表 面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号， 完成一帧图像，从而在荧光屏上观察到样品表面的 各种特征图像。
SEM构造及原理：
构造：电子光学系统 信号收集处理系统 真空系统 供电系统
电子光学系统: 包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。
电子枪 SEM 中的电子枪与TEM 中的相似，但加速电压更低。 热阴极电子枪 ，束斑可达6nm 。六硼化镧和场发射 电子枪，束斑更小。
电磁透镜（3个） 功 能： 聚焦电子枪束斑，50mm→nm级斑点。 前二者：强透镜，缩小电子束光斑 第三个：弱透镜，习惯称物镜，有较长的焦距， 使样品和透镜之间留有一定空间以装入 各种信号探测器。 SEM中束斑越小，成像单元越小，分辨率就愈高。
2) 选区电子通道花样： 微区范围 10 -15 um 产生花样的区域1-3mm
电子通道花样的标定
L—末级透镜至晶体表面的距离 M—花样放大倍数 W—荧光屏上某衬度带的宽度
EBSD技术
EBSD技术
EBSD技术相关原理 EBSD应用及数据处理
电子背散射衍射分析技术
基于扫描电镜（SEM）中电子束在倾斜 样品表面激发出并形成的衍射菊池带的 分析从而确定晶体结构、取向及相关信 息的方法。
信号收集处理系统
二次电子，背散射电子，透镜电子等信号都可用闪 烁计数器检测。
信号电子进入闪烁体即引起电离，当离子和自由电子 复合后产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电 倍增器，光信号放大，又转化成电流信号输出，电流 信号经视频放大后成为调制信号。
真空系统
为保证电子光学系统的正常工作，对真空度有一定要 求。 真空度 > 1.33×10-2～1.33×10-3Pa 冷场发射真空度一般要达到：10-7 Pa
这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像 管的栅极上，调制显像管的亮度。由于经过扫描线 圈上的电流是与显像管相应的亮度一一对应，电子 束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一 个亮点。扫描电镜采用逐点成像的方法，把样品表 面不同的特征，按顺序，成比例地转换为视频信号， 完成一帧图像，从而在荧光屏上观察到样品表面的 各种特征图像。
sem扫描电镜ppt课件
II. 背散射电子成像：入射电子与样品接触时，其中一部分几乎 不损失能量地在样品表面被弹性散射回来，这部分电子被称 为背散射电子。背散射电子的产额随样品的原子序数的增大 而增加，因此成像可以反映样品 的元素分布，及不同相成分 区域的轮廓。
ppt课件
18
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，背散射电子像对成分敏感。
ppt课件
5
图2 JSM-6301F场发射扫描电镜的结构
ppt课件
6
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。
ppt课件
7
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。
ppt课件
1
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
ppt课件
2
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。
ppt课件
15
SEM的主要性能参数
分辨率 放大倍数 景深
ppt课件
16
分辨率
对微区成分分析而言，分辨率是指能分析的最小区域；对成像 而言，它是指能分辨两点间的最小距离。
ppt课件
18
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，背散射电子像对成分敏感。
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5
图2 JSM-6301F场发射扫描电镜的结构
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6
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。
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7
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。
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1
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
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2
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。
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SEM的主要性能参数
分辨率 放大倍数 景深
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分辨率
对微区成分分析而言，分辨率是指能分析的最小区域；对成像 而言，它是指能分辨两点间的最小距离。
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入射高压电子束
俄歇电子 阴极荧光
背散射电子
二次电子
X射线 样 品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
各种信号的作用深度和广度
可以产生信号的区域称为有效作用 区，有效作用区的最深处为电子有 效作用深度。 在有效作用区内的信号并不一定都 能逸出材料表面、成为有效的可供 采集的信号。这是因为各种信号的 能量不同，样品对不同信号的吸收 和散射也不同。
电子束的滴状作用体积示意图 电子束与固体的相互作用
随着信号的有效作用深度增加，作 用区的范围增加，信号产生的空间 范围也增加，这对于信号的空间分 辨率是不利的。
各种信号的空间分辨率
二次电子：5~10nm =>形貌分析 背散射电子：50~200nm 吸收电子：100~1000nm 成 分 分 析
成分有差，形貌无差
成分无差，形貌有差
信号加减示意图
SEM的衬度与成像
两种图像的对比
锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像 （b）背散射电子图像
SEM的衬度与成像
吸收电子像和它的衬度
厚样品，约为0
II = IS+IB+IA+IT
IA = II – (IS+IB)
=常数 – (IS+IB)
各种信号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置 有很大关系。 多种附件。例如加热、冷却、拉伸，可进行动态观察。
SEM的结构与工作原理
信号收集和显示系统
信号收集：二次电子和背散射电子收 集器 、吸收电子检测器、X 射线检 测器 (波谱仪和能谱仪)。 显示系统 ：显示屏有两个，一个用 于观察，一个用于记录照相。阴极射 闪烁计数器 线管CRT扫描一帧图像可以有0.2s、 样品信号 光信号 0.5s等扫描速度， 10cm×10cm的屏 电离，复合 幕，一般有500条线，用于人眼观察； 视频放 光电倍增管 大器 照相的800~1000条线。观察时为便于 电流信号 放大 信号放大 调焦，采用快的扫描速度；拍照时为 调制信号 显像管(CRT) 得到高分辨率，采用慢的扫描速度 (50~100s)。
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透射电子
适合作表层轻元素成分分析。
电子束与固体的相互作用
其它信息
入射电子进人样品后，经多次 非弹性散射能量损失殆尽,最后 被样品吸收，即吸收电子。
入射高压电子束
如果被分析的样品很薄．那么 俄歇电子
背散射电子
就会有一部分入射电子穿过薄
样品而成为透射电子。
阴极荧光
二次电子 X射线
半导体样品在入射电子的照射 下，产生电子-空穴对。当电子
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。
电子束与固体的相互作用
二次电子
二次电子是指在入射电子束作用下 被轰击出来并离开样品表面的样品
的核外层电子。
二次电子的能量较低，一般都不超 过50 ev。大多数二次电子只带有几 个电子伏的能量。
入射高压电子束
俄歇电子
电子束与固体的相互作用
SEM的工作原理
电子枪发射电子束（直径50m）。 电压加速、磁透镜系统会聚，形成直径约为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。 扫描电镜图像的放大倍数定义为：
M=L/l L显象管的荧光屏尺寸；l电子束在试样上扫描距离 “光栅扫描，逐点成像”
SEM的结构与工作原理
SEM的主要结构
SEM的结构与工作原理
随着信号的有效作用深度增加，作 用区的范围增加，信号产生的空间 范围也增加，这对于信号的空间分 辨率是不利的。
各种信号的空间分辨率
二次电子：5~10nm =>形貌分析
背散射电子：50~200nm
扫描电镜原理-SEM剖析精品PPT课件
能清晰成像。
•
二次电子的强度主要与样品表面形
貌有关。二次电子和背散射电子共同用于扫描
电镜(SEM)的成像。
特征X射 线
如果入射电子把样品表面原子的内层电子撞 出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能 量以电磁辐射的形式放出，就产生特征X射线 ，可用于元素分析。
如果入射电子把外层电子打进内层，原
俄歇 子被激发了．为释放能量而电离出次外层电
d 2a
△F——焦深； d ——电子束直径； 2a——物镜的孔径角
衬度
表面形貌衬度
原子序数衬度
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。
原子序数衬度
原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背散 射电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的 差异相当敏感，而二次电子不敏感。
低原子序 Z
高原子序 Z
高加速电压 kV
低加速电压 kV
1. 电子束斑大小基本不能影响分辨率 2. 而加速电压 kV 和平均原子序 Z 则起决定作用。
信号的方向性
SE 信号 – 非直线传播 通过探头前加有正电压的金属网来吸引
BSE 信号 – 直线发散传播 探头需覆盖面积大
X-射线信号 –直线发散传播
样品腔
SEM控制台
样品腔 样品台
OM & SEM
Comparison
显微镜类 型 OM
SEM
照明源 可见光 电子束
照射方式
成像信息
光束在试样上 以静止方式投
射
反射光/投射 光
电子束在试样 上作光栅状扫
描
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扫描电镜SEM简介
扫描电子显微镜
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。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。
扫描电镜图像的放大倍数定义为：
M=L/l
L显象管的荧光屏尺寸；l电子束在试样上扫描距离
“光栅扫描，逐点成像”
SEM的结构与工作原理
SEM的主要结构
SEM的结构与工作原理
SEM的组成部分
电子光学系统 信号收集处理系统 图像显示和记录系统 真空系统 电源及控制系统
JSM-6301F场发射扫描电镜的结构
入射高压电子束
俄歇电子
背散射电子
二次电子
背散射电子的产额随原子序数Z的增
加而增加，I∝Z2/3~3/4
阴极荧光
X射线
利用背散射电子作为成像信号不仅能 分析形貌特征，还可以作为原子序数 程度，进行定性成分分析。
样
品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
X射线
入射高压电子束
俄歇电子 背散射电子
扫描电子显微镜
主要内容
SEM的产生 电子束与固体的相互作用 SEM的结构与工作原理 SEM的衬度与成像 SEM的特性与优点 SEM的样品制备 应用举例
光学显微镜的极限
SEM的产生
电子束作为光源
根据德布罗意公式：
考虑相对论效应
V=10KV → λ=0.0122nm
特征X射线：100~1000nm
俄歇电子：0.5~2nm
电子束的滴状作用体积示意图 电子束与固体的相互作用
各种信号的产额与能量
入射电子进入样品浅
层表面，尚未横向扩展开 来，俄歇电子和二次电子 在与入射电子束斑直径相 当的圆柱内激发出来，束 斑直径就是一个成像检测 单元(像点)大小。
由于二次电子的产额远高于俄歇电子，且俄歇电子需要超 高真空进行探测分析。
SEM的衬度与成像
背散射电子的成像衬度
电子束倾斜入射时，背散射电子的角分布
垂直入射时，背散射电子近似余弦分布，发射方向随机； 倾斜入射时，角分布为一个向前的棒子形。接近掠射时， η 接近于1。
SEM的衬度与成像
信号处理的示意图
探测器 P
二次电子对形貌敏感， 背散射电子对成分敏感。 但是二次电子和背散射 电子长相伴产生，互相 影响。 可以用一对探测器收集 样品同意部分的背散射 电子，将两种信号输入 计算机处理，就可以分 别得到放大的形貌像和 成分信号。
SEM的衬度与成像
背散射电子的成像衬度
原子序数与背散射电子产额的关系
入射电子束能E入射电子束能 对背散射系数 η影响很小 Z<47 ， E↑，η↓ Z=47 (Ag)， η与E无关； Z>47 ， E↑，η↑
在原子序数Z<40 的范围内，背散射电子 ln z 1 的产额对原子序数十分敏感。 原子序数 6 4 较高的区域中可得到较多的背散射电子， 这些区域就比较亮。
入射高压电子束
俄歇电子 阴极荧光
背散射电子
二次电子
X射线 样 品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
各种信号的作用深度和广度
可以产生信号的区域称为有效作用 区，有效作用区的最深处为电子有 效作用深度。 在有效作用区内的信号并不一定都 能逸出材料表面、成为有效的可供 采集的信号。这是因为各种信号的 能量不同，样品对不同信号的吸收 和散射也不同。
它的产额与原子序数Z没有明显关 系，不能进行成分分析。
入射高压电子束
俄歇电子 背散射电子
二次电子
阴极荧光 X射线
样
品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
背散射电子
背散射电子是固体样品中原子核“反 射”回来的一部分入射电子，分弹性 散射电子和非弹性散射电子。 背散射电子的产生深度100nm~1μm
SEM的结构与工作原理
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。 要求：10-4~10-5 mmHg 。 电源系统。包括启动的各种电源(高压、透镜系统、 扫描线圈)，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。
二次电子
阴极荧光
X射线
样 品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
俄歇电子
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，而是用这部分能量把空位 层内的另—个电子发射出去，这个被 电离出来的电子称为俄歇电子。
俄歇电子能量各有特征值(壳层)，能 量很低，一般为50-1500eV。 俄歇电子的平均白由程很小(~1nm)。 只有在距离表面层1nm左右范围内(即 几个原子层厚度)逸出的俄歇电子才 具备特征能量，俄歇电子产生的几率 随原子序数增加而减少，因此，特别 适合作表层轻元素成分分析。
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。
成分有差，形貌无差
成分无差，形貌有差
信号加减示意图
SEM的衬度与成像
两种图像的对比
锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像 （b）背散射电子图像
SEM的衬度与成像
吸收电子像和它的衬度
厚样品，约为0
II = IS+IB+IA+IT
IA = II – (IS+IB)
=常数 – (IS+IB)
电子束与固体的相互作用
二次电子
二次电子是指在入射电子束作用下 被轰击出来并离开样品表面的样品 的核外层电子。 二次电子的能量较低，一般都不超 过50 ev。大多数二次电子只带有几 个电子伏的能量。 二次电子一般都是在表层5-10 nm深 度范围内发射出来的，它对样品的 表面形貌十分敏感，因此，能非常 有效地显示样品的表面形貌。
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易逸出(图像亮)， 正电荷区难逸出(图像暗) 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)
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。
钨丝灯 LaB6 场发射
束流密度~2A/cm2 束斑大小~4nm SEM的结构与工作原理
束流密度~103A/cm2 束斑大小~2nm
束流密度~1Βιβλιοθήκη 5A/cm2 束斑大小<1nm
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数nm的细小束斑。
工作原理：一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用
SEM的结构与工作原理
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。
SEM的结构与工作原理
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1~30 kV。
来缩小电子束光斑尺寸。 第三个聚光镜是弱透镜（习惯上称其为物镜），具有较长 的焦距，它的功能是在样品室和透镜之间留有尽可能大的 空间，以便装入各种信号探测器。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。
SEM的结构与工作原理
扫描线圈
作用：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电
子束在荧光屏上的同步扫描信号。“光栅扫描”。
二次电子分布与晶体结 构无关，垂直逸出二次 电子数量最多
扫描电子显微镜
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。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。
扫描电镜图像的放大倍数定义为：
M=L/l
L显象管的荧光屏尺寸；l电子束在试样上扫描距离
“光栅扫描，逐点成像”
SEM的结构与工作原理
SEM的主要结构
SEM的结构与工作原理
SEM的组成部分
电子光学系统 信号收集处理系统 图像显示和记录系统 真空系统 电源及控制系统
JSM-6301F场发射扫描电镜的结构
入射高压电子束
俄歇电子
背散射电子
二次电子
背散射电子的产额随原子序数Z的增
加而增加，I∝Z2/3~3/4
阴极荧光
X射线
利用背散射电子作为成像信号不仅能 分析形貌特征，还可以作为原子序数 程度，进行定性成分分析。
样
品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
X射线
入射高压电子束
俄歇电子 背散射电子
扫描电子显微镜
主要内容
SEM的产生 电子束与固体的相互作用 SEM的结构与工作原理 SEM的衬度与成像 SEM的特性与优点 SEM的样品制备 应用举例
光学显微镜的极限
SEM的产生
电子束作为光源
根据德布罗意公式：
考虑相对论效应
V=10KV → λ=0.0122nm
特征X射线：100~1000nm
俄歇电子：0.5~2nm
电子束的滴状作用体积示意图 电子束与固体的相互作用
各种信号的产额与能量
入射电子进入样品浅
层表面，尚未横向扩展开 来，俄歇电子和二次电子 在与入射电子束斑直径相 当的圆柱内激发出来，束 斑直径就是一个成像检测 单元(像点)大小。
由于二次电子的产额远高于俄歇电子，且俄歇电子需要超 高真空进行探测分析。
SEM的衬度与成像
背散射电子的成像衬度
电子束倾斜入射时，背散射电子的角分布
垂直入射时，背散射电子近似余弦分布，发射方向随机； 倾斜入射时，角分布为一个向前的棒子形。接近掠射时， η 接近于1。
SEM的衬度与成像
信号处理的示意图
探测器 P
二次电子对形貌敏感， 背散射电子对成分敏感。 但是二次电子和背散射 电子长相伴产生，互相 影响。 可以用一对探测器收集 样品同意部分的背散射 电子，将两种信号输入 计算机处理，就可以分 别得到放大的形貌像和 成分信号。
SEM的衬度与成像
背散射电子的成像衬度
原子序数与背散射电子产额的关系
入射电子束能E入射电子束能 对背散射系数 η影响很小 Z<47 ， E↑，η↓ Z=47 (Ag)， η与E无关； Z>47 ， E↑，η↑
在原子序数Z<40 的范围内，背散射电子 ln z 1 的产额对原子序数十分敏感。 原子序数 6 4 较高的区域中可得到较多的背散射电子， 这些区域就比较亮。
入射高压电子束
俄歇电子 阴极荧光
背散射电子
二次电子
X射线 样 品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
各种信号的作用深度和广度
可以产生信号的区域称为有效作用 区，有效作用区的最深处为电子有 效作用深度。 在有效作用区内的信号并不一定都 能逸出材料表面、成为有效的可供 采集的信号。这是因为各种信号的 能量不同，样品对不同信号的吸收 和散射也不同。
它的产额与原子序数Z没有明显关 系，不能进行成分分析。
入射高压电子束
俄歇电子 背散射电子
二次电子
阴极荧光 X射线
样
品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
背散射电子
背散射电子是固体样品中原子核“反 射”回来的一部分入射电子，分弹性 散射电子和非弹性散射电子。 背散射电子的产生深度100nm~1μm
SEM的结构与工作原理
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。 要求：10-4~10-5 mmHg 。 电源系统。包括启动的各种电源(高压、透镜系统、 扫描线圈)，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。
二次电子
阴极荧光
X射线
样 品
吸收电子
透射电子
电子束与固体的相互作用
俄歇电子
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，而是用这部分能量把空位 层内的另—个电子发射出去，这个被 电离出来的电子称为俄歇电子。
俄歇电子能量各有特征值(壳层)，能 量很低，一般为50-1500eV。 俄歇电子的平均白由程很小(~1nm)。 只有在距离表面层1nm左右范围内(即 几个原子层厚度)逸出的俄歇电子才 具备特征能量，俄歇电子产生的几率 随原子序数增加而减少，因此，特别 适合作表层轻元素成分分析。
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。
成分有差，形貌无差
成分无差，形貌有差
信号加减示意图
SEM的衬度与成像
两种图像的对比
锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像 （b）背散射电子图像
SEM的衬度与成像
吸收电子像和它的衬度
厚样品，约为0
II = IS+IB+IA+IT
IA = II – (IS+IB)
=常数 – (IS+IB)
电子束与固体的相互作用
二次电子
二次电子是指在入射电子束作用下 被轰击出来并离开样品表面的样品 的核外层电子。 二次电子的能量较低，一般都不超 过50 ev。大多数二次电子只带有几 个电子伏的能量。 二次电子一般都是在表层5-10 nm深 度范围内发射出来的，它对样品的 表面形貌十分敏感，因此，能非常 有效地显示样品的表面形貌。
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易逸出(图像亮)， 正电荷区难逸出(图像暗) 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)
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。
钨丝灯 LaB6 场发射
束流密度~2A/cm2 束斑大小~4nm SEM的结构与工作原理
束流密度~103A/cm2 束斑大小~2nm
束流密度~1Βιβλιοθήκη 5A/cm2 束斑大小<1nm
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数nm的细小束斑。
工作原理：一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用
SEM的结构与工作原理
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。
SEM的结构与工作原理
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1~30 kV。
来缩小电子束光斑尺寸。 第三个聚光镜是弱透镜（习惯上称其为物镜），具有较长 的焦距，它的功能是在样品室和透镜之间留有尽可能大的 空间，以便装入各种信号探测器。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。
SEM的结构与工作原理
扫描线圈
作用：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电
子束在荧光屏上的同步扫描信号。“光栅扫描”。
二次电子分布与晶体结 构无关，垂直逸出二次 电子数量最多