扫描电镜(SEM)讲解
材料测试方法-扫描电镜SEM详解
衬度：电子像的明暗程度取决于电子束的强弱，当两 个区域中的电子强度不同时将出现图像的明暗差异， 这种差异就是衬度。 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
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检测部位的原子序数；
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
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。
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。
2.4 SEM的成像衬度
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，亮度 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。
2.4 SEM的成像衬度
2.4 SEM的成像衬度
(2)二次电子形貌衬度的应用 它的最大用途是观察断口形貌，也可用作抛光腐蚀后 的金相表面及烧结样品的自然表面分析。 a.断口分析： (a) 沿晶断口：呈冰糖块状或呈石块状。
放大倍数与扫描面积的关系：
(若荧光屏画面面积为10×10cm2)
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(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SEM简介-文字版
2. 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。 背散射电子的产额随原子序数 Z 的增加而增加，大致 I∝Z2/3~3/4。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。
4. 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。
图 10 样品室
信号收集系统用于信号收集，包括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)，如图 11(a)。
图 1 现代化的扫描电子显微镜
二、 SEM 的产生
1. 光学显微镜(Optical Microscope，OM)的分辨率极限 一个理想的点光源，通过会聚透镜成像，得到的并不是一个像点，
而是一个亮斑，称为艾里斑，光能量的 84%集中在中央。如果物体上两 个点所成的两个像斑发生了重叠，两圆心间距恰好是圆的半径时，恰好
电子束进入轻元素内部之后会造 成一个液滴状的作用体积。入射电子 束在被样品吸收或者散射出样品表面 之前将在这个体积内活动。如果是原 子序数较大的金属，形成的是一个类 似半球状的作用体积。
图 6 电子束的液滴作用体积示意图
表 1 各种信号的空间分辨率 (nm)
SEM扫描电子显微镜基础知识
扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)基础知识一、扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜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。
由电子枪发射的能量为 5 ～ 35keV 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（以及其它物理信号），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。
二、扫描电镜具有以下的特点(1) 可以观察直径为0 ～ 30mm的大块试样(在半导体工业可以观察更大直径)，制样方法简单。
(2) 场深大、三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。
(3) 放大倍数变化范围大，一般为 15 ～ 200000 倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。
(4) 具有相当高的分辨率，一般为 3.5 ～ 6nm。
(5) 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。
采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。
(6) 可进行多种功能的分析。
与 X 射线谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。
(7) 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。
三、扫描电镜的主要结构1.电子光学系统：电子枪；聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜）；物镜光阑。
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。
【材料课堂】一文全面了解SEM扫描电镜
【材料课堂】一文全面了解SEM扫描电镜文章来源：材料基、材料科学与工程近年来，由于各种应用中使用的材料尺寸的不断缩小，扫描电子显微镜（SEM）已成为用于材料表征的强大且通用的工具。
在这篇文章中，我们解释了SEM是什么，并描述了SEM仪器的主要工作原理。
什么是SEM？SEM（Scanning Electron Microscope）代表扫描电子显微镜。
电子显微镜使用电子进行成像，就像光学显微镜使用可见光一样。
SEM使用聚焦的高能电子束在固体样品表面产生各种信号。
来自电子-样品相互作用的信号揭示了样品的信息，包括外部形态（纹理），化学成分，以及构成样品的材料的晶体结构和取向。
在大多数应用中，在样本表面的选定区域上收集数据，并生成显示这些属性的空间变化的二维图像。
由于电子的波长远小于光的波长，因此SEM的分辨率优于光学显微镜的分辨率。
图1：SEM工作示意图SEM技术如何工作？SEM 的示意图如图2 所示。
在这种的电子显微镜中，电子束以光栅模式逐行扫描样品。
首先，电子由腔室顶端的电子源（俗称灯丝）产生。
电子束发射是因为热能克服了材料的功函数。
他们随后被加速并被带正电的阳极所吸引。
整个电子腔需要处于真空环境中。
像所有的电子显微镜部件一样，为了保持真空并且防止污染、震动和噪声，灯丝被密封在一个特殊的腔室中。
真空不仅可以保持灯丝不受污染，也可以让使用者获得高分辨率。
如果缺乏真空，其它原子和分子就会存在于腔室中。
他们和电子相互作用就会导致电子束偏转，成像质量降低。
此外，高真空增加了腔室中探头的电子接收效率。
图2：基本SEM组件的示意图与光学显微镜类似，扫描电镜 SEM 使用透镜来控制电子的路径。
因为电子不能透过玻璃，这里所用的是电磁透镜。
他们简单的由线圈和金属极片构成。
当电流通过线圈，就会产生磁场。
电子对磁场十分敏感，电子在显微镜腔室的路径就可以由这些电磁透镜控制;调节电流大小可以控制磁场强度。
通常，电磁透镜有两种：会聚镜，电子通往样品时首先遇到的透镜。
SEM
IZ
2 ~3 3 4
二、二次电子
入射电子与样品相互作用 后，使样品原子核外电子（价 带或导带电子）电离产生的电 子，称二次电子。所产生的二 次电子还有足够的能量继续产 生二次电子，如此继续下去， 直到最后二次电子的能量很低， 不足以维持此过程为止。
二次电子
Secondary Electron
俄歇电子
俄歇电子能量各有特征值，能量很低，一般为50-1500eV. 俄歇电子的平均白由程很小(1nm左右).
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，因此俄歇电子特别适用于表面层的成分分析。
七、阴极发光
阴极发光是指晶体物质在高能电子的照射下， 发射出可见光、红外或紫外光的现象。例如半导体 和一些氧化物、矿物等，在电子束照射下均能发出 不同颜色的光。（用电子探针的同轴光学显微镜可以直接
扫描电子显微镜SEM
引言
扫描电镜的历史
电子与固体试样的交互作用
扫描电镜结构原理
SEM衬度原理及应用
扫描电镜的主要特点
引 言
扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文 缩写为SEM 。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。
SEM衬度原理及应用
表面形貌衬度 原子序数衬度
一、表面形貌衬度
表面形貌衬度就是二次电子象，它是利用对样品表 面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种 象衬度。因为二次电子信号主要来处样品表层5－10nm 的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系， 但对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感， 二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。
SEM的原理及应用科普
SEM的原理及应用科普1. SEM简介扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束与样品相互作用来观察样品表面形貌的仪器。
与光学显微镜相比，SEM具有更高的分辨率和更大的深度。
SEM的工作原理基于电子束与样品的相互作用，通过测量电子束与样品之间的相互作用来获得样品的表面形貌和组成信息。
SEM广泛应用于材料科学、生物学、化学等领域。
2. SEM的工作原理SEM通过加速电子束并将其聚焦到非常小的面积上，使电子束成为微观世界的“探针”，与样品表面进行相互作用。
当电子束与样品表面相互作用时，会发生多种现象，包括电子-电子散射、电子-原子核散射、二次电子发射等。
基于这些相互作用，SEM可以获得关于样品表面形貌和组成的详细信息。
SEM的工作原理可以简要概括为以下几个步骤： - 加速电子束：使用高压来加速电子束，使其具有较高的动能。
- 聚焦电子束：通过透镜系统将电子束聚焦到非常小的面积上，以增加分辨率。
- 扫描样品表面：通过扫描线圈或扫描电子束的方式，使电子束在样品表面上进行规律的扫描，从而获得整个样品的图像。
- 检测电子信号：当电子束与样品表面相互作用时，会发生多种电子信号的产生，包括二次电子、背散射电子等。
SEM通过探测这些电子信号来获得关于样品的信息。
- 图像处理和显示：SEM获得的电子信号经过处理和解析，最终转化为样品表面形貌和组成的图像。
3. SEM的应用领域SEM在各个科学领域都有广泛的应用。
3.1 材料科学在材料科学领域，SEM常被用来观察材料的微观结构和表面形貌。
SEM可以揭示材料的晶体结构、相界面、微观缺陷等信息，对于材料的研究和开发具有重要意义。
此外，SEM还可以进行能谱分析，获得材料的组成信息，提供辅助分析的数据。
3.2 生物学SEM在生物学领域的应用主要集中在生物样品的形态学研究方面。
通过SEM，可以观察到生物样品的细胞形态、细胞器的形貌以及细菌和病毒等微生物的形态特征。
扫描电子显微镜 (SEM)介绍
扫描电子显微镜(SEM)介绍(SEM)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年开始生产商品扫描电镜。
近数十年来，扫描电镜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。
目录扫描电镜的特点扫描电镜的结构工作原理扫描电镜的特点和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜SEM（Scanning Electron Microscope）具有以下特点：(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。
(二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。
(三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。
(四) 景深大，图象富有立体感。
扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。
(五) 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。
(六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。
(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。
扫描电镜的结构1．镜筒镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。
其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。
2．电子信号的收集与处理系统在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。
在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。
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。
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
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。
扫描电镜SEM
扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM) 扫描电镜(SEM)就是介于透射电镜与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。
扫描电镜的优点就是,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与微区成分分析,因此它就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、放大与显示成像,获得对就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。
电子束与固体样品表面作用时的物理现象一、背射电子背射电子就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与非弹性背反射电子。
弹性背反射电子就是指倍样品中原子与反弹回来的,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)。
非弹性背反射电子就是入射电子与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。
从数量上瞧,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与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、二次电子二次电子就是指背入射电子轰击出来的核外电子。
扫描电镜SEM讲解
入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等 于或大于入射斑的尺寸 。因此，用不同的物理信号调 制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分 辨本领最高，约等于入射电子束直径，一般为 6-10nm ， 背散射电子为 50-200 nm ，吸收电子和 X射线为1001000nm 。
影响分辨本领的因素还有 信噪比、杂散电磁场和机械 震动等。
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。
11.3.6 SEM像衬度
SEM 像衬度的形成主要基于样品微区诸如表面形貌 、原子序数、晶体结构、表面电场和磁场等方面存在 着差异。
1 、表面形貌衬度
2
材料表面形态（组织）观察
断样品的形貌观察
老鼠内耳
2 原子序数衬度
原子序数衬度又称为 化学成分衬度 ，它是利用对样 品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为 调制信号得到的一种显示微区化学成分差别的像衬度 。这些信号主要有 背散射电子、吸收电子和特征 X射 线等。
背散射电子像衬度 背散射电子信号强度随原子序数 Z增大而增大 ，样品 表面上平均原子序数较高的区域，产生较强的信号， 在背散射电子像上显示较亮的衬度。因此，可以根据
背散射电子像衬度来判断相应区域原子序数的相对高低。
（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。
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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。
11.3.2 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。
DS
2R 0 tan
2R 0
11.3.5 SEM样品制备
SEM 固体材料样品制备方便，只要样品尺寸适合，就可以直 接放到仪器中去观察。样品直径和厚度一般从几毫米至几厘米， 视样品的性质和电镜的样品室空间而定。
对于绝缘体或导电性差的材料来说，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。否则，在电子束照射到该 样品上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入和样品内电子 射出样品表面。导电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、 碳和铝等真空蒸镀层。
(2) 分辨本领
SEM的分辨本领与以下因素有关：
1) 入射电子束束斑直径
入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。 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。
2) 入射束在样品中的扩展效应
电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨 状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小， 则电子束作用体积越大。
电子能谱
11.3.3 扫描电镜的构造
扫描电镜由四个系统组成
(1) 电子光学系统（镜筒） (2) 信号收集及显示系统 (3) 真空系统 (4) 电源系统
1．电子光学系统
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，作为使样品产生各种 物理信号的激发源。 为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。
利用与样品表面形貌比较敏感的物理信号(二次电子) 作为显像管的调制信号，所得到的像衬度称为表面形貌 衬度。通常表面形貌衬度与原子序数没有明确的关系。
由于二次电子信号主要来自样品表层5-l0 nm深度范围，它的强 度与原子序数没有明确的关系，而仅对微区刻面相对于入射电 子束的位向十分敏感，且二次电子像分辨率比较高，所以特别 适用于显示形貌衬度。 入射电子束与试样表面法线间夹角愈大，二次电子产额愈大 。
2
材料表面形态（组织）观察
断口形貌观察
纳米结构材料形态观察
生物样品的形貌观察
老鼠内耳
2 原子序数衬度
原子序数衬度又称为化学成分衬度，它是利用对样 品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为 调制信号得到的一种显示微区化学成分差别的像衬度 。这些信号主要有背散射电子、吸收电子和特征X射 线等。
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。
11.3.6 SEM像衬度
SEM像衬度的形成主要基于样品微区诸如表面形貌 、原子序数、晶体结构、表面电场和磁场等方面存在 着差异。
1 、表面形貌衬度
入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等 于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信号调 制的扫描象有不同的分辨本领。二次电子扫描象的分 辨本领最高，约等于入射电子束直径，一般为6-10nm， 背散射电子为50-200 nm，吸收电子和X射线为1001000nm。 影响分辨本领的因素还有信噪比、杂散电磁场和机械 震动等。
背散射电子像衬度 背散射电子信号强度随原子序数Z增大而增大，样品 表面上平均原子序数较高的区域，产生较强的信号， 在背散射电子像上显示较亮的衬度。因此，可以根据
背散射电子像衬度来判断相应区域原子序数的相对高低。
第三节 扫描电镜 (SEM)
Scanning Electron pe
11.3.1 SEM的特点和工作原理
◆ SEM能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点; ◆ 景深大; ◆ 放大倍数连续调节范围大; ◆ 分辨本领比较高；
◆ 可直接观察大块试样 ◆ 固体材料样品表面和界面分析 ◆ 适合于观察比较粗糙的表面：材料断口和显微组 织三维形态