sem扫描电镜
扫描电镜SEM
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。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束而非光线来观察样品表面的微观结构。
它能够提供比传统光学显微镜更高的分辨率和更大的深度信息，因此被广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域。
扫描电镜的工作原理可以分为以下几个步骤：1. 电子源产生电子束：扫描电镜中的电子源通常采用热阴极发射电子的方式，如热丝或者热发射阴极。
当电子源受到加热时，电子会从阴极表面发射出来，形成电子束。
2. 加速和聚焦电子束：电子束经过加速电场，使其获得足够的能量。
然后，通过电磁透镜系统对电子束进行聚焦，以获得较小的束斑尺寸。
3. 样品表面的相互作用：将要观察的样品放置在扫描电镜的样品台上，并调整样品的位置和倾斜角度。
当电子束照射到样品表面时，它与样品中的原子和份子相互作用，产生多种信号。
4. 信号的检测和处理：样品与电子束相互作用后，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、散射电子、透射电子等。
这些信号被探测器捕捉，并转化为电信号。
5. 影像的生成和显示：电信号经过放大、转换和处理后，通过计算机系统生成样品的影像。
这些影像可以以黑白或者彩色的形式显示在显示器上，供操作者观察和分析。
扫描电镜相较于传统光学显微镜具有以下优势：1. 高分辨率：扫描电镜的分辨率通常可以达到纳米级别，远远高于传统光学显微镜的分辨率。
2. 大深度信息：扫描电镜可以提供样品表面的三维形貌信息，使观察者能够更全面地了解样品的结构。
3. 高放大倍数：扫描电镜可以实现高倍数的放大，使细微结构和纳米级粒子能够清晰可见。
4. 可观察多种样品：扫描电镜适合于观察各种不同性质的样品，包括金属、陶瓷、生物组织、纤维材料等。
5. 光学显微镜无法观察的细节：扫描电镜能够观察到光学显微镜无法分辨的细节，如纳米级的表面形貌、弱小的缺陷和晶体结构等。
然而，扫描电镜也存在一些限制和挑战：1. 样品制备要求高：扫描电镜对样品的制备要求较高，需要进行表面处理、金属涂覆或者冷冻等步骤，以确保样品的导电性和稳定性。
SEM扫描电镜
扫描电子显微镜实验目的1.掌握扫描电镜的工作原理和基本结构2.了解和掌握扫描电镜的样品前处理及数据后处理过程3.了解扫描电镜的操作方法实验原理扫描电镜是利用电子束代替可见光作为探针，利用电磁透镜代替光学透镜聚集和控制电子束，聚集电子束在样品上扫描，激发某种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。
SEM的电子枪发出的电子束经过栅极静电聚焦成点光源，然后在加速电压的作用下经过光学电子系统汇聚成直径几纳米的电子束聚焦到样品的表面，在末级透镜上扫描线圈的作用下，电子束在样品的表面扫描。
由于高能电子束与试样物质发生相互作用产生各种信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等，经接收器、放大器输送到显像管的栅极上调制显像管的亮度。
由于样品表面的形貌及元素组成不同，在电子束的轰击下能发出强度不等的信号，通过解析便能得到样品表面的形貌不同元素的分布情况。
扫描电镜的分辨率大概在几纳米，拥有较大的景深。
扫描电镜主要由电子光学系统、信号收集及显示系统、真空系统及电源系统组成。
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等。
电子枪主要是提供高质量的电子源，一般有钨灯丝、六硼化镧灯丝和场发射电子枪几类。
电磁透镜主要是把电子枪的束斑缩小，由几十微米缩小成数纳米。
扫描线圈主要用来提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内的电子束在荧光屏上的同步扫描信号。
样品台要能三维移动和一定角度的倾斜和旋转。
整个电子光学系统都要保持在起高真空条件下。
信号收集及显示系统主要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，大致可分为：电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器三类。
在扫描电镜中主要利用二次电子的信息观察样品的表面形貌，检测的深度为表面以下5〜10nm。
二次电子像的衬度主要有形貌衬度、成分衬度、电压衬度等。
这是样品的不同区域的形貌、成分等信息不一样，使得发射出来的二次电子的数目不一样导致的。
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。
SEM扫描电子显微镜
线扫描分析：
电子探针
将谱仪〔波、能〕固定在所要测量的某一元素特征X射线信 号〔波长或能量〕的位置，把电子束沿着指定的方向作直线轨 迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布状况。转变位置 可得到另一元素的浓度分布状况。
面扫描分析〔X射线成像〕：
电子束在样品外表作光栅扫描，将谱仪〔波、能〕固定在 所要测量的某一元素特征X射线信号〔波长或能量〕的位置，此 时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。转变位置可得到另 一元素的浓度分布状况。也是用X射线调制图像的方法。
征X射线，分析特征X射线的波长〔或能量〕可知元素种类； 分析特征X射线的强度可知元素的含量。
➢ 其镜筒局部构造和SEM一样，检测局部使用X射线谱仪。
电子探针
X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为: 能量分散谱仪〔EDS〕，简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。 波长分散谱仪〔WDS〕，简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。
对于纤维材料，用碳胶成束的粘接在样品台上即 可。
样品制备
粉末样品：留意粉末的量，铺开程度和喷金厚度。 粉末的量：用刮刀或牙签挑到双面导电胶〔2mm宽，8mm长〕，
均匀铺开，略压紧，多余的轻叩到废物瓶，或用洗耳球吹， 后者易污染。 铺开程度：粉末假设均匀，很少一点足矣，否则易导致粉末在 观看时剥离外表。喷金集中在外表，下面样品易导电性不佳， 观看比照度差，建议承受分散方式。
定量分析精度不如波谱仪。
电子探针
波谱仪
➢ 波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。 ➢ 依据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过确定晶面间距的晶
体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地转变θ， 就可以在与X射线入射方向呈2θ的位置上测到不同波长的特征X射线信 号。 ➢ 依据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素 。
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
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束和样品之间的相互作用来获取样品表面的详细信息。
它在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
一、工作原理概述扫描电镜的工作原理可以分为以下几个步骤：电子源产生电子束，电子束经过聚焦系统聚焦后，通过扫描线圈控制电子束的位置，然后电子束与样品表面发生相互作用，样品表面发射出的信号被探测器采集并转换成图象。
二、电子源扫描电镜使用的电子源通常是热阴极。
热阴极是由钨丝或者其他材料制成的，通过加热使其发射电子。
电子源的温度和电流可以调节，以控制电子束的强度和稳定性。
三、聚焦系统聚焦系统主要由透镜组成，用于聚焦电子束。
透镜可以是磁透镜或者电透镜，通过调节透镜的电流或者磁场来控制电子束的聚焦效果。
聚焦系统的作用是使电子束尽可能地细致和聚焦，以提高分辨率。
四、扫描线圈和扫描控制扫描线圈用于控制电子束的位置，使其按照一定的模式在样品表面挪移。
扫描控制系统可以根据需要调整扫描速度和扫描范围。
通过控制扫描线圈，可以在样品表面获取不同位置的信号，从而形成图象。
五、相互作用和信号检测电子束与样品表面发生相互作用时，会产生多种信号，包括二次电子、反射电子、散射电子、辐射等。
这些信号可以提供关于样品表面形貌、成份和结构的信息。
扫描电镜通常使用多种探测器来采集这些信号，并将其转换为图象。
六、图象处理和显示采集到的信号经过放大、滤波、增益等处理后，可以转换为数字信号，并通过计算机处理和显示。
图象处理软件可以对图象进行增强、测量和分析，以获取更多的样品信息。
七、应用领域扫描电镜在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
在材料科学中，扫描电镜可以观察材料的表面形貌、颗粒分布、晶体结构等；在生物学中，扫描电镜可以研究细胞形态、细胞组织结构等；在纳米技术中，扫描电镜可以观察纳米材料的形貌和结构。
总结：扫描电镜通过利用电子束和样品之间的相互作用来获取样品表面的详细信息。
sem扫描电镜的原理
sem扫描电镜的原理SEM扫描电镜的原理SEM（Scanning Electron Microscope）是一种利用电子束扫描样品表面来获取图像的高分辨率显微镜。
与光学显微镜相比，SEM具有更高的分辨率和更大的深度视野，能够观察到更细微的结构和更大范围的样品表面。
SEM的原理主要包括电子源、电子透镜、扫描线圈、检测器和图像显示系统。
SEM的工作原理是通过电子源产生高能电子束，然后通过电子透镜将电子束聚焦到极小的尺寸，形成一个非常细小的电子束。
这个电子束被扫描线圈控制，沿着样品表面进行扫描。
当电子束与样品表面相互作用时，产生的多种信号被检测器捕捉并转换成电信号，最终通过图像显示系统呈现出来。
SEM的电子源通常采用热阴极电子枪，通过加热金属丝使其发射电子。
这些电子经过加速电压加速后，进入电子透镜系统。
电子透镜系统主要由准直透镜和聚焦透镜组成，它们可以控制电子束的发射角度和聚焦程度，使电子束具有足够小的直径和高的聚焦度。
扫描线圈是SEM中的关键元件之一，它通过改变电流的大小和方向，控制电子束在样品表面的扫描轨迹。
扫描线圈产生的扫描磁场使得电子束在样品表面上运动，从而实现对样品的全面扫描。
与扫描过程同时进行的是信号的检测。
当电子束与样品表面相互作用时，会产生多种信号，包括次级电子、反射电子、散射电子、荧光X射线等。
这些信号被检测器捕捉，并转换成电信号。
常用的检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器，它们可以提供不同的信号信息，用于构建样品表面的图像。
通过图像显示系统将捕捉到的信号转化为图像进行显示。
图像显示系统通常采用荧光屏或者数字化相机，将信号转化为可视的图像。
这样，我们就可以通过SEM观察到样品表面的微观结构和形貌。
SEM扫描电镜的原理简单来说就是利用电子束扫描样品表面，并通过信号的检测和图像处理来获得样品表面的图像。
SEM具有高分辨率、大深度视野和高放大倍数的特点，广泛应用于材料科学、生物学、地质学等领域的研究和分析。
扫描电镜的成像原理
扫描电镜的成像原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束成像的显微镜。
与传统光学显微镜不同，SEM使用电子束取代了光束，使其能够获得更高的分辨率和更大的放大倍数。
SEM的成像原理主要包括以下几个步骤：电子发射、电子束聚焦、电子束转换、排序和检测。
首先，SEM通过一个热丝发射电子。
这种方法通常通过加热丝使其发出电子，这些电子受到引力吸引到下方的电子透镜。
电子束通过发射针和折射电镜来聚集。
通常，SEM使用热阴极（发射丝）作为电子源。
其次，电子束从热阴极放射出来然后经过几个电子透镜进行聚焦。
这些透镜包括减速电场、主透镜和聚束透镜。
通过调整这些透镜的电场，可以调节电子束的方向和聚焦度，以便在样品表面形成一个尖锐且高度聚焦的电子束。
接下来，电子束扫描在样品上以产生显微图像。
电子束沿着样品表面扫描采集散射电子的信息。
扫描可以沿着两个轴进行：水平和垂直。
扫描过程以重复的方式在样品表面上移动，通过在每个扫描点测量所产生的散射电子数来生成显微图像。
扫描速度较快，可以在短时间内生成高分辨率的显微图像。
最后，检测获得的信号并转换为图像。
通过采集散射电子的数量来计算RGB值，经过数字化后形成图像。
接收到的散射电子信号被电子透镜转换为电压信号，然后经过放大和处理，形成图像。
SEM通常采取反应图像的形式，其中样品被扫描的电子束激发并产生信号。
图像可以通过监视器进行实时观察，也可以以数字形式存储和处理。
总而言之，扫描电子显微镜通过使用电子束而不是光束来观察样品表面的微观结构。
它通过电子的发射、聚焦、能量转换、扫描和检测来实现成像。
这使得SEM能够提供比传统光学显微镜更高的分辨率和更大的放大倍数，是一种非常强大的显微镜工具。
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。
扫描电镜
分辨率和放大倍数
分辨率：能分辨出的两点间的最小距离； 放大倍数就是显示的尺寸比实际的尺寸，即：
M=Lob/Lreal 工作距离、景深和分辨率的关系：
在相同的加速电压下，工作距离越长，景深越大，分辨率越低；反之亦然。
扫描电镜具有以下特点：
景深长视野大：在相同放大倍数的情况下，扫描电镜的景深比光学显 微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍，所以扫描电镜图像有极强的立
体感，可以观察样品的三维立体结构；
样品制备简单：可以直接观察大块厚样品，不需切片等样品处理； 分辨率高；
样品信息丰富：不同检测器分别接受不同的信号，可以得到相应的图
像，对样品的表面形貌、成分和结构进行观察和分析。
三、扫描电镜配置
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。
这种现象称为荷电效应。 减少荷电效应的方法：喷金、喷碳、低真空、冷场电镜、低加速电压等。
损伤：1)真空损伤，生物样品从大气中放入真空中，产生真空损伤；2)
电子束损伤，电子束的能量引起照射点的局部加热等，造成样品破裂或 局部漂移。
较少损伤常用方法：降低加速电压及较小的电子束流，加厚喷镀金属膜。
边缘效应：在凸起的边缘，由于扩大了电子作用区的裸露表面，而使二次电子 产率有明显增大。在图像上这些区域特别亮，造成不自然的反差，可通过降低 加速电压的方法来减轻边缘效应。
BSE
SE
SE Z
SE
sample
nm-1 μm深度
背散射电子束成像分辨率一般为 50-200 nm 。
背散射电子成像(Back-scattered electrons imaging, BSE)
背散射电子产率随原子序数的增加而增加，利用背散射电子作为成像信号不仅 能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。
sem扫描电镜原理
sem扫描电镜原理
SEM（扫描电子显微镜）原理是利用高能电子束与样品相互
作用来获取样品的表面形貌和成分信息。
SEM与光学显微镜
相比，具有更高的分辨率和深度的焦点。
SEM的基本工作原理是将电子源发射的电子加速至高能态，
并通过聚焦系统将其聚焦到极细的电子束。
这个电子束会与样品表面相互作用，并产生多种信号。
最常用的信号是二次电子（SE）和反射电子（BSE），它们
是通过样品表面上被电子束激发的次级电子和逆向散射的电子。
这些信号会被探测器捕捉并转换成电信号。
SEM中的探测器通常是一个二次电子探测器和一个反射电子
探测器。
二次电子探测器能够检测到与样品表面形貌有关的细节信息，如表面轮廓和纹理。
反射电子探测器可以提供关于样品的元素组成和晶体结构等信息。
收集到的电信号经过放大、处理和转换后，可以通过计算机系统将其转化为图像。
这样，我们就可以观察到样品表面的微观形貌和成分分布情况。
总之，SEM利用电子束与样品的相互作用来获取样品表面形
貌和成分信息，通过探测器将产生的次级电子和反射电子信号转化为图像，从而实现对样品的高分辨率观测和分析。
sem扫描电镜工作原理
sem扫描电镜工作原理
SEM（扫描电子显微镜）是一种利用聚焦电子束扫描样品表
面并获取图像的仪器。
它的工作原理基于电子的波粒二象性。
在SEM中，电子源产生一个高能电子束，经过一系列的聚焦
和偏转系统，最后聚焦到样品表面上。
当电子束照射到样品时，它们与样品中的原子和分子相互作用。
这些相互作用可以分为不同的模式，包括散射、透射、反射和吸收等。
SEM中的主要信号是次级电子信号（SE）和背散射电子信号（BSE）。
在电子束与样品的相互作用过程中，部分电子从样
品表面散射出来，这些散射电子被收集并转化为图像形式。
次级电子主要与样品的表面形貌相关，而背散射电子则主要与样品的元素成分和密度相关。
SEM图像的形成是通过扫描电子束在样品表面移动并测量每
个像素点的散射电子强度来完成的。
通过控制电子束的移动，可以逐渐扫描整个样品表面，从而获取到样品的表面形貌以及元素成分信息。
SEM具有高分辨率、大深度焦点和大视场等优点，可以应用
于各种领域，如材料科学、生物学、纳米技术等。
它在研究样品的微观形貌和结构、表面粗糙度、元素成分和晶体结构等方面具有广泛的应用前景。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种重要的高分辨率显微镜，通过扫描电子束与样品表面相互作用，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、电子源扫描电镜中的电子源通常采用热阴极电子枪，利用热电子发射的原理产生电子束。
电子束的发射通过加热阴极，使其达到足够高的温度，从而使阴极表面的电子获得足够的能量逃逸出来。
二、电子束的聚焦电子束发射后，需要经过一系列的电子光学元件进行聚焦，以使电子束能够集中在样品表面的一个小区域。
这些电子光学元件包括透镜和电子束扫描线圈。
透镜通过调节电场或者磁场来聚焦电子束，而电子束扫描线圈则用于控制电子束的扫描范围。
三、样品准备在将样品放入扫描电镜之前，需要对样品进行一系列的准备工作。
首先，样品需要被切割成适当的尺寸，并抛光以去除表面的粗糙度。
然后，样品需要被涂覆上一层导电薄膜，以便电子束能够在样品表面产生信号。
常用的导电薄膜材料包括金属（如金、铂）和碳。
四、电子与样品的相互作用当电子束照射到样品表面时，电子与样品原子之间会发生相互作用。
这些相互作用包括电子的散射、吸收和透射等过程。
其中，电子的散射是扫描电镜获取图象的主要过程。
五、信号的检测与放大样品表面与电子束相互作用后，会产生多种信号，包括二次电子（Secondary Electrons，简称SE）、反射电子（Backscattered Electrons，简称BSE）和X射线等。
这些信号可以通过相应的探测器进行检测和放大。
常用的探测器包括二次电子探测器和反射电子探测器。
六、图象的生成与显示通过探测器检测到的信号，可以转换为电信号，并经过放大和处理，最平生成扫描电镜图象。
这些图象可以通过显示器或者打印机进行显示和输出。
扫描电镜图象通常具有高分辨率和高对照度，能够显示样品表面的微观形貌和成份分布。
七、其他功能与技术除了样品表面形貌的观察，扫描电镜还具有其他功能和技术。
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。
扫描电镜sem原理
扫描电镜sem原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束来探测样品表面形貌和组成的仪器。
相较于光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度。
SEM的原理基于电子束与样品的相互作用。
SEM仪器主要由电子枪、电磁透镜、样品台、检测器和图像处理系统等部分组成。
首先，电子枪会产生高能电子；电子枪的基本构造是热阴极结构，利用热力学效应将钨丝加热到很高的温度，使其发射出的电子形成电子流。
然后，电子束经过电磁透镜的调节，变为聚焦的电子束，以控制电子束的聚束程度和尺寸。
接下来，电子束照射到样品表面，与样品中的原子和分子相互作用，产生多种效应。
主要有弹性散射、非弹性散射和辐射损失等。
其中，弹性散射主要是由电子与核相互作用，产生连续背散射电子，这些电子进入检测器成为信号的一部分。
非弹性散射主要由电子与样品表面的原子和分子发生相互作用，使得样品表面产生次级电子（secondary electrons）和反射电子（backscattered electrons），这些电子也会成为信号的一部分。
样品台部分是用于固定样品的部分，并且可以调节样品的位置。
样品台通常在一个真空室内，以防止电子束与空气相互作用的影响。
检测器是对散射的电子进行检测和放大的装置。
常用的检测器有二次电子检测器和反射电子检测器。
二次电子检测器能够检测到样品表面的微观拓扑特征，反射电子检测器则能够提供样品表面的元素成分信息。
最后，图像处理系统将检测到的信号转化为图像。
图像处理系统可以对信号进行增强、调整和数字化处理。
通常，SEM可以生成高分辨率、三维感的图像。
综上所述，SEM利用电子束与样品的相互作用原理，通过产生和检测电子散射的方式，实现对样品表面形貌和元素成分等的研究。
它具有较高的分辨率和更大的深度，广泛应用于材料科学、生物学、地质学等领域，为科学研究和技术发展提供了强大的工具。
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
SEM扫描电镜工作原理简述
SEM扫描电镜工作原理简述SEM（Scanning Electron Microscope）是一种常用的扫描电子显微镜，它通过扫描表面并通过电子束与样品相互作用来获得图像。
SEM是一种非接触式的显微镜，具有高分辨率和大深度的优点，能够提供有关样品表面的详细信息。
在本文中，我将简述SEM扫描电镜的工作原理。
SEM主要由三个主要部分组成：电子光源、样品和检测器。
电子光源产生高能电子束，样品处于真空室中，而检测器则负责捕捉与样品相互作用后形成的电子信号。
SEM的工作原理涉及到两种主要的相互作用：次级电子发射和背散射电子发射。
当电子束轰击样品时，样品会发射出次级电子和背散射电子。
次级电子是从样品表面散射出来的低能电子，它们携带有关样品表面形貌和性质的信息；而背散射电子是高能电子在不同元素之间散射过程中发射出的电子，它们携带有关样品的组成和结构信息。
SEM通过控制电子束的位置和扫描样品表面来获取图像。
电子束从电子光源发出，经过聚焦系统后聚焦到一个细小的射线，然后通过不断扫描样品表面并收集与样品相互作用后产生的次级电子和背散射电子。
检测器将这些电子信号转化为电压信号，然后通过信号处理和放大系统转换为图像。
为了实现高分辨率的图像，SEM使用了最新的电子光学系统和探测器技术。
聚焦系统包括透镜和电子光阑，用于控制电子束的直径和聚焦点。
探测器通常使用多种类型，包括二极管式电子式子显微镜（SE）检测器和四能量散射电子探测器（BSE）等。
SE探测器用于检测次级电子，提供样品的形貌信息；而BSE探测器用于检测背散射电子，提供有关样品的组成信息。
SEM具有许多应用领域，包括材料科学、生物学、电子学和纳米技术等。
在材料科学领域，SEM可用于分析材料的微观结构、形貌和颗粒分布。
在生物学领域，SEM可以观察生物组织和细胞的形态和结构。
在电子学领域，SEM可用于研究微电子元器件的形貌和性能。
在纳米技术领域，SEM可以用来研究纳米材料和纳米结构。
扫描电镜的原理及应用
扫描电镜的原理及应用扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过检测电子束与样品交互产生的多种信号来获得样品表面形貌和成分信息的显微镜。
相比传统光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和深度，广泛应用于材料科学、生物学、地质学、电子学等多个领域。
1.电子源：扫描电镜使用热阴极或场发射电子枪产生电子源，通过激光或电子束对电子源进行刺激，使其产生电子。
2.真空系统：扫描电镜需要在真空中进行工作，以避免电子与空气分子的相互作用。
真空系统可确保电子束能够稳定地通过管道进入样品表面。
3.电子束的聚焦和定位：经过加速和聚焦装置后，电子束被聚焦到非常小的直径，同时通过扫描线圈控制电子束在样品表面上进行移动和定位。
4.样品表面的信号检测：样品表面与电子束交互后，产生多种信号，包括二次电子、背散射电子、X射线、荧光等。
通过相应的检测元件，如二次电子检测器和能谱仪，来收集这些信号。
5.数据处理和成像：通过对收集到的信号进行放大、滤波、扫描等处理，将数据转化为像素点，通过屏幕或计算机显示成像。
扫描电镜具有很多应用领域，以下是其中的几个主要应用：1.材料科学：扫描电镜可用于研究材料表面形貌、晶体结构以及纳米材料的性质。
通过观察和分析材料表面形貌和成分，可以揭示材料的微观结构、缺陷、晶胞排列等信息。
2.生物学：扫描电镜对于生物学研究也有很大的帮助。
可以观察细胞、组织和器官的微观形态、细胞器的分布和关系。
通过扫描电镜的成像，可以研究细胞的形态和结构与功能的关系，以及疾病的发生机制。
3.地质学：扫描电镜可用于研究岩石和矿石的成分、结构、矿物组成等信息。
可以观察到岩石和矿石的微观结构、矿物晶型、矿物交代等特征，为地质学和矿物学研究提供重要的信息。
4.电子学：在微电子制造中，扫描电镜可用于观察和分析电子元件的形态和结构、探测缺陷和纳米线路的状况。
这对于电子元件的设计和质量控制非常重要。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束与样品之间的相互作用来获取样品表面的形貌和结构信息。
它在材料科学、生物学、医学、纳米技术等领域具有广泛的应用。
一、扫描电镜的基本原理扫描电镜的基本原理是利用电子束与样品表面的相互作用来获得样品表面的形貌和结构信息。
其主要由电子光学系统、扫描控制系统和图象显示系统三部份组成。
1. 电子光学系统扫描电镜的电子光学系统主要包括电子枪、透镜系统和探测器。
电子枪通过加热阴极产生热电子，经过加速电压加速后形成高速电子束。
透镜系统包括聚焦透镜和扫描线圈，通过调节透镜电压和扫描线圈电压来控制电子束的聚焦和扫描。
探测器用于检测样品表面的信号并转换为电信号。
2. 扫描控制系统扫描控制系统主要由扫描线圈和样品台组成。
扫描线圈通过改变电流大小和方向来控制电子束的扫描范围和速度。
样品台用于固定和调节样品位置，保证样品与电子束之间的距离和角度的稳定。
3. 图象显示系统图象显示系统主要由信号放大器、数字转换器和显示器组成。
信号放大器用于放大探测器输出的电信号，数字转换器将摹拟信号转换为数字信号，最后通过显示器将数字信号转换为可视的图象。
二、扫描电镜的工作过程扫描电镜的工作过程主要包括样品制备、样品加载、电子束扫描和图象获取四个步骤。
1. 样品制备样品制备是扫描电镜工作的前提，样品的制备质量直接影响到最终的观察结果。
常见的样品制备方法包括金属薄膜沉积、切片制备、离子切割等。
2. 样品加载样品加载是将制备好的样品放置到扫描电镜的样品台上，并调整样品位置和角度，使得样品表面与电子束之间的距离和角度适合观察要求。
3. 电子束扫描电子束扫描是通过控制扫描线圈的电流和方向，使得电子束在样品表面上进行扫描。
扫描过程中，电子束与样品表面的相互作用会产生多种信号，如二次电子信号、反射电子信号、散射电子信号等。
4. 图象获取图象获取是将样品表面的信号转换为电信号，并通过信号放大器、数字转换器和显示器将其转换为可视的图象。
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景深
景深是指一个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。 扫描电镜的物镜采用小孔视角、长焦距，可以获得很大的景深 。 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。 由于景深大，扫描电镜图像的立体感强，形态逼真。对于表面粗糙的端口试 样来讲，光学显微镜因景深小无能为力，透射电镜对样品要求苛刻，即使用 复型样品也难免出现假像，且景深也较扫描电镜为小，因此用扫描电镜观察 分析断口试样具有其它分析仪器无法比拟的优点。
图5 各种检测器的示意图
图6 信号处理的流程示意图
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。 电源系统：包括启动的各种电源（高压、透镜系统、扫描电 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。
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
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。 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。 简单概括起来就是“光栅扫描，逐点成像”。
扫描电镜技术在木材工业领域的应用
木质人造板研究 北京林业大学母军等人进行了废弃人造板
炭化产物分析的研究，通过微观扫描电镜观察发现，炭化产物 的微观表面平滑，纹孔开放，沉积物减少。
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。
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。 改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率 的扫描像。SEM的放大倍数是由调节扫描线圈的电流来改变 的，电流小，电子束偏转小，在样品上移动的距离小，放大 倍数大。
样品室
样品台。容纳大的样品（〜100mm），能进行三维空间的移 动，还能倾斜（0〜90°）和转动（360°），精度高，振动 小。 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。例如放热、冷却、拉伸，可进行动态观察。
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。 工作原理：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（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。
图4 SEM样品室
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、吸收电子显示器、 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。阴极射线管CRT扫描一帧图像可以有0.2s、0.5s等扫描速 度，10cm×10cm的屏幕，一般有500条线，用于人眼观察； 照相的800〜1000条线。观察时为便于调焦，采用快的扫描 速度；拍照时为得到高分辨率，采用慢的扫描扫描速度（50 〜100s）。
SEM的主要性能参数
分辨率
放大倍数
景深
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。 SEM的分辨率主要受三方面的影响： 1.入射电子束束斑直径； 2.入射电子束在样品中的扩展作用； 3.成像方式及所用的调制信号。 二次电子像的分辨率约为5-10nm，背反射电子像的分辨率约 为50-200nm。一般来说SEM的分辨率，都指的是二次电子的 分辨率。
SEM的优点
① 高分辨率，由于超高真空技术的发展，场发射电子枪的应用 得到普及，现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1纳米左右。
② 有较高的放大倍数，十倍到几十万倍之间连续可调。 ③ 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。 ④ 试样制备简单，可以直接观察大块样品。 ⑤ 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。
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。
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。
二次电子成像及背散射电子成像原理
I. 二次电子成像：由电子枪发射的能量为5—35KeV的电子，以 其交叉斑为电子源，经聚焦缩小后形成具有一定能量、强度 和直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下在试样表面做栅网 式扫描。电子束与试样作用产生的二次电子的量随试样表面 形貌而变，二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经处 理后得到反应试样表面形貌的二次电子像。
应用举例
扫描电镜在矿物 、 岩石学领域的应用 扫描电镜技术在木材工业领域的应用
扫描电镜在矿物 、 岩石学领域的应用
矿物物相研究 LeBel对秘鲁的Santarosa 斑岩铜矿中的石英
包裹体进行研究 , 在其中发现了氯化钠、氯化钾、 铁绿泥石等 子矿物。Clochiatti对红海Zabargad宝石矿床中的橄榄石包裹 体进行扫描电镜研究 , 鉴定出了氯化钠 、石膏 、滑石等子矿 物。Hallbouer等对南非Witwaterarand 金矿中的石英进行扫描 电镜研究 , 查明了其中有钾长石、白云母、绿泥石等子矿物。 Behr 等用扫描电镜研究了纳米比亚铜矿中的钠长石 ，在钠长 石中鉴定出了氯化钠、石膏等子矿物。
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。SEM已广泛应用于材料、冶金、矿物、 生物学等领域。
图7 锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像 图7 (a)(b)就是人工处理得出的例子，(a)图只能得到形貌像，描电镜的放大倍数可以从十倍到几十万倍连续可调。 放大倍数：定义为M=L/l，其中L是显像管的尺寸，l是光栅扫描 时相邻两点的间距。M通过调节扫描线圈的电流进行的，电流 小则电子束偏转角度小，放大倍数增大。 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，与分辨率保持一定关系。
SEM的主要结构
图1 SEM的结构示意图
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
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。