扫描电镜报告

关于扫描电镜技术

北京科技大学材料科学与工程学院北京（100083）

摘要：通过对扫描电镜的课堂学习以及自己查阅资料，对扫描电镜的构造、原理、各个功能以及应用都有了一定的了解，经过对扫描电镜实验时各功能的观察，对扫描电镜的特点有了更深的体会。得出扫描电镜确实是现代的一种多功能的材料分析显微镜，其功能被应用于多个研究领域。

一、引言

在课堂上学习了关于扫描电镜各方面的理论知识，对扫描电镜有了一个基本的认识。但是毕竟那些都只是理论抽象的，仅仅通过理论学习不可能完全了解扫描电镜。只有通过实验过程才能真正对扫描电镜有更好的了解和掌握。作为一个材料专业本科生，要想在以后的科学研究发展中充分运用扫描电镜的功能，就必须了解扫描电镜技术，本文就主要介绍扫描电镜技术的主要原理、功能和应用。

二、实验内容及结果分析

扫面电镜是用聚焦得非常细的电子束作为光源，以光栅状扫描方式照射到试样表面上，并以入射电子与物质相互作用产生的信息来成像，从而获得放大几倍到几十万倍放大像的一种显微镜。其电子与物质作用用来成像的信息主要有背散射电子、二次电子、透射电子、特征X射线以及俄歇电子等。其中，用来进行元素分析的信息是特征X射线和俄歇电子，在扫描电镜上有能谱分析技术；进行晶体结构和取向分析的是背散射电子和衍射X射线，相应有电子背散射衍射技术（EBSD）等

1、扫描电镜构造

扫描电镜一般由真空系统、电子枪系统、透镜系统、扫描控制系统、样品室、检测放大系统以及信号处理和显示系统。

真空系统：对于扫描电镜，通常真空度都要求很高，达到10-3-10-5Pa，如果真空度下降会影响成像质量，电镜内真空度过小时间长还会污染电子枪灯丝、透镜光阑等。所以在进行扫描电镜实验时务必要达到一定真空度。

电子枪系统：作用是产生电子束照明光源，电子枪类型分为钨灯丝和场发射，场发射电子枪是通过场致发射效应来发射电子，图像分辨率最高可达零点几个纳米。

透镜系统：作用是把光源尺寸缩小到几纳米。一般由透镜形成的扫描电子束性质可以用电子束开角。电子束斑直径、电子束流强度和扫描角范围等四个参数来描述。

扫描控制系统：作用是使电子束在样品表面按一定方式扫描。

样品室：样品室中空间应足够大，样品台能在其中进行旋转平移，样品室还要安装各种检测探头等。

检测放大系统：作用是把入射电子和物质相互作用的信号进行放大，并转换成能够识别并读懂的电子信号。其性能优劣将影响图像分辨率。

信号处理和成像显示:检测放大系统收集到的信号经处理转变为电信号，通过解读转变以图像显示出来，若成像信息为二次电子，则称为二次电子像。

2、扫描电镜特点

1）景深大，扫描电镜景深比投射电镜大十倍比光学显微镜大几百倍，可对不平表面和断口进行分析。

2）放大倍数可变范围宽，可以从低倍连续变化到高倍数不用重新聚焦。

3）试样在样品室内可以进行旋转、倾斜和平移，可以方便观察形状不规则的样品。

4）扫描电镜的样品制备很简单，能直接观察样品原始表面，且对样品尺寸要求比较小。

3、扫描电镜主要功能

1）形貌分析：扫描电镜可以对材料表面进行分析，利用二次电子的信息观察样品表面形貌。二次电子能量一般在50ev以下，并从样品表面5-10纳米左右深度范围内产生，并向样品表面各个方向发射出去。它对微区表面的几何形状十分敏感，凸出的尖棱、小粒子及比较陡的斜面处二次电子产额较多，相应荧光屏上这些区域亮度大，平面上产额小，亮度较低。背散射

电子也可以用来进行形貌的分析像，反射电子具有表面成分和形貌的综合信息。与原子序数有很大关系，重元素反射率大，图像亮度高，反之则暗。

2）能谱分析：主要是利用X射线的波长与能量间的对应关系。故从能量和从波长鉴定元素是等价的。因此，把所检测的X射线按能量展开为特征能谱，并直接测量每一特征峰所对应能量，则可以鉴定在物质中所包含元素的种类。

3）电子背散射衍射技术：电子束与样品相互作用产生散射，其中一部分背散射电子入射到某些晶面，因满足布拉格条件而发生再次弹性想干散射，出射到样品表面外的背散射电子透射到荧光屏上成像。当电子束在样品表面扫描形成背散射电子衍射花样，然后系统自动采集、标定样品每一分析点的衍射花样，可获得各分析点的晶体结构及晶体取向等晶体学信息。

4、扫描电镜的应用

1)对于腐蚀研究腐蚀现象：金属材料与环境相互作用所产生的腐蚀现象都是通过表面的物理吸附、化学吸附及电化学作用进行的，所以为了研究金属的腐蚀行为，就必须对金属表面进行形貌成分等的分析。能进行表面显微分析的扫描电镜是现代分析腐蚀以及环境断裂的一种重要研究手段。

2)对于分析材料中的未知元素时，需要用到扫描电镜的能谱分析，其相比于物理、化学等分析手段，具有灵敏度高、分析方法简单等优点，在采矿、考古研究等很多方面都得到应用。

3)利用扫描电镜的EBSD技术可以对材料进行取向结构的晶体学信息的采集和分析，尤其是用EBSD技术分析材料中的织构、孪晶等关系时，起作用尤其突出。

三、结论

扫描电镜是现代材料分析中的一种重要手段，其在越来越多的领域开始得到应用，扫描电镜也变得越来越先进，其分析手段也越来越多样化，为材料研究工作者提供的很大的方便。如果不能掌握了扫描电镜这种分析方法，那么在材料研究中就会失去许多分析手段。