扫描电镜经典总结材料

•扫描电镜（SEM）•透射电镜（TEM）•原子力显微镜（AFM）• X射线衍射（XRD）•元素分析（EA）显微分析技术——电子显微镜一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当电子的运动方向被改变，称为散射。

透射电子直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射电镜(TEM)的成像和衍射二次电子 入射电子与样品中原子的价电子发生非弹性散射作用而损失的那部分能量（30～50eV）激发核外电子脱离原子，能量大于材料逸出功的价电子可从样品表面逸出，成为真空中的自由电子，此即二次电子。

在电场的作用下它可呈曲线运动进入检测器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成像。

二次电子试样表面状态非常敏感，能有效显示试样表面的微观形貌；二次电子的分辨率可达5～10nm，即为扫描电镜的分辨率。

二次电子的强度主要与样品表面形貌相关。

二次电子和背景散射电子共同用于扫描电镜(SEM)的成像。

当探针很细，分辨高时，基本收集的是二次电子而背景电子很少，称为二次电子成像(SEI)。

背景散射电子 入射电子穿达到离核很近的地方被反射，没有能量损失；既包括与原子核作用而形成的弹性背散射电子，又包括与样品核外电子作用而形成的非弹性背散射电子，前者的份额远大于后者。

背散射电子反映样品表面的不同取向、不同平均原子量的区域差别，产额随原子序数的增加而增加；利用背散射电子为成像信号，可分析形貌特征，也可显示原子序数衬度而进行定性成分分析。

特征X射线入射电子和原子中的层电子发生非弹性散射作用而损失一部分能量（几百个eV），激发层电子发生电离，形成离子，该过程称为芯电子激发。

除了二次电子外，失去层电子的原子处于不稳定的较高能量状态，将依一定的选择定则向能量较低的量子态跃迁，跃迁过程中发射出反映样品中元素组成信息的特征X射线，可用于材料的成分分析。

俄歇(Auger)电子如果入射电子把外层电子打进层，原子被激发了．为释放能量而电离出次外层电子，叫俄歇电子。

主要用于轻元素和超轻元素(除H和He)的分析，称为俄歇电子能谱仪。

阴极荧光如果入射电子使试样的原于电子发生电离，高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较长(在可见光或紫外区)，称为阴极荧光，可用作光谱分析，但它通常非常微弱。

各种信号的深度与区域大小高能电子束受到物质原子的散射作用偏离入射方向，向外发散；随着深度的增加，分布围增大，动能不断降低、直至为0，形成一个作用区。

“梨形作用体积”：对轻元素样品，入射电子经多次小角散射，在未达到较大散射角之前已深入样品部；最后散射角增大，达到漫散射的程度。

“半球形作用体积”：对重元素样品，入射电子在样品表面不很深的位置就达到漫反射的程度。

电子在样品散射区域的形状主要取决于原子序数，改变电子能量只引起作用体积大小的改变而不会显著改变形状。

深度能逸出材料表面的俄歇电子距表面的深度：0.4~2nm，为表面信号；能逸出材料表面的二次电子距表面的深度：5~10nm；能逸出材料表面的X射线距表面的深度：500nm~5μm。

：分辨率：俄歇电子与二次电子的空间分辨率最高；背散射电子的空间分辨率次之；X射线信号的空间分辨率最低。

二次电子像的分辨率主要取决于电子探针束斑尺寸和电子枪的亮度。

二次电子的最高分辨率可达0.25nm。

扫描电镜的分辨率指的是二次电子的分辨率。

扫描电镜的特点★景深大，图像富有立体感，特别适合于表面形貌的研究.★放大倍数围广，从十几倍到2万倍，几乎覆盖了光学显微镜和TEM的围.★制样简单，样品的电子损伤小.这些方面优于TEM，所以SEM成为材料常用的重要剖析手段.扫描电镜(SEM)的几大要素（1）分辨率影响扫描电镜的分辨本领的主要因素有：(a) 入射电子束束斑直径：为扫描电镜分辨本领的极限。

一般，热阴极电子枪的最小束斑直径可缩小到6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。

(b) 入射电子束在样品中的扩展效应：扩散程度取决于入射束电子能量和样品原子序数的高低。

入射束能量越高，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大，产生信号的区域随电子束的扩散而增大，从而降低了分辨率(c) 成像方式及所用的调制信号：当以二次电子为调制信号时，由于其能量低(小于50 eV)，平均自由程短（10~100 nm左右），只有在表层50～100 nm的深度围的二次电子才能逸出样品表面，发生散射次数很有限，基本未向侧向扩展，因此，二次电子像分辨率约等于束斑直径。

当以背散射电子为调制信号时，由于背散射电子能量比较高，穿透能力强，可从样品中较深的区域逸出(约为有效作用深度的30％左右)。

在此深度围，入射电子已有了相当宽的侧向扩展，所以背散射电子像分辨率要比二次电子像低，一般在500～2000nm左右。

如果以吸收电子、X射线、阴极荧光、束感生电导或电位等作为调制信号的其他操作方式，由于信号来自整个电子束散射区域，所得扫描像的分辨率都比较低，一般在l 000 nm或l0000nm以上不等。

（2）放大倍数扫描电镜的放大倍数可表示为M =Ac/As式中，Ac—荧光屏上图像的边长；As—电子束在样品上的扫描振幅。

一般地，Ac 是固定的(通常为100 mm)，则可通过改变As 来改变放大倍数。

目前，大多数商品扫描电镜放大倍数为20～20,000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间，即扫描电镜弥补了光学显微镜和透射电镜放大倍数的空挡。

（3）景深景深是指焦点前后的一个距离围，该围所有物点所成的图像符合分辨率要求，可以成清晰的图像；也即，景深是可以被看清的距离围。

扫描电子显微镜的景深比透射电子显微镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。

由于图像景深大，所得扫描电子像富有立体感。

电子束的景深取决于临界分辨本领d0和电子束入射半角αc。

其中，临界分辨本领与放大倍数有关，因人眼的分辨本领约为0.2 mm, 放大后，要使人感觉物像清晰，必须使电子束的分辨率高于临界分辨率d0 ：电子束的入射角可通过改变光阑尺寸和工作距离来调整，用小尺寸的光阑和大的工作距离可获得小的入射电子角。

(4) 衬度包括：表面形貌衬度和原子序数衬度表面形貌衬度由试样表面的不平整性引起。

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，对微区原子序数的差异相当敏感二次电子来自试样表面层5～10nm的深度围，表面形貌特征对二次电子的发射系数影响可由下式表示：δ=δ0／Cosαδ0——物质的二次电子发射系数，与具体物质有关的常数。

可见，二次电子的发射系数随α角的增大而增大。

事实上，α角大，入射电子束的作用体积较靠近试样表面，由于二次电子主要来自试样表层5～10nm深度，因此，作用体积产生的大量二次电子离开表面的机会增加；其次，α角大，入射电子束的总轨迹增长，引起电子电离的机会增多。

因此，在试样表面凸凹不平的部位，入射电子束作用产生的二次电子信号的强度要比在试样表面平坦的部位产生的信号强度大，从而形成表面形貌衬度。

原子序数越大，图像越亮。

二次电子受原子序数的影响较小。

高分子中各组分之间的平均原子序数差别不大；所以只有—些特殊的高分子多相体系才能利用这种衬度成像。

背散射电子像背散射电子也称为反射电子或初级背散射电子，其能量在50eV, 接近于入射电子能量。

利用背散射电子的成像，称为背散射电子像。

背散射电子像既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。

形貌衬度类似二次电子，样品表面的形貌也影响背散射电子的产率，在α角较大(尖角)处，背散射电子的产率高；在α角较小(平面)处，背散射电子的产率低。

由于背反射电子是来自一个较大的作用体积，用背反射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。

由试样微区的原子序数或化学成分的差异所形成的像。

成分衬度背散射电子是受原子反射回来的入射电子，受核效应的影响比较大。

由经验公式，对原子序数大于10的元素，背散射电子发射系数可表示为∴背散射电子发射系数随原子序数Z 的增大而增加。

η = ln Z／6 -1／4但是，二次电子大部分是由价电子激发出来的，所以原子序数的影响不大明显：当原子序数Z<20时，δ随着Z的增加而增大；当Z>20时，δ与Z几乎无关。

(如图3一15所示)。

若试样表面存在不均匀的元素分布，平均原子序数较大的区域产生较强的背散射电子信号，因而在背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背散射电子图像上是暗区。

因此，可根据背散射电子像的亮暗程度，判别出相应区域的原子序数的相对大小，由此可对金属及其合金的显微组织进行成分分析。

扫描电子显微镜的样品制备（1）导电性好，以防止表面积累电荷而影响成像；（2）具有抗辐射损伤的能力，在高能电子轰击下不分解、不变形；（3）具有高的二次电子和背散射电子系数，以保证图像良好的信噪比。

扫描电镜试样一般要求具有以下特点：对不满足以上要求的试样（瓷、玻璃、塑料等绝缘材料，导电性差的半导体，热稳定性不好的有机材料，二次电子、背散射电子系数较低的材料等），需要表面涂层处理。

表面涂层处理的常用方法有真空蒸发和离子溅射镀膜法。

二次电子像的样品制备方法（1）导电样品。

将允许尺寸的样品放入样品室观察前先需用丙酮、酒精或甲苯这类溶剂清洗掉样品表面的油污，或在超声波清洁器中去除油污，也可用复型剥离及化学刻蚀等方法去除在高放大倍数下易分解的碳氢化物等的玷污，因为这些物质分解后会在样品表面沉积一层碳和其他产物，当放大倍数缩小时，图像中原视域就成为暗色的方块。

（2）绝缘体或导电性能较差的样品。

如瓷、半导体，高分子、不需固定脱水处理的生物样品及一些无机材料等，只需清洁样品之后，用离子喷镀仪在样品表面喷镀一层金产生导电层就可观察了。

（3）不论样品导不导电，块状样品都得借助于双面胶带将样品粘在铜或铝样品台上，并用银粉导电胶连通样品与样品台，或直接用石墨导电双面胶带粘贴样品，使吸收电子能流入接地的样品架，以尽量减少因表面充电效应或热损伤引起的起泡、龟裂、像漂移、像散不稳定等现象，尤其是生物样品、聚合物等。

（4）颗粒样品，如果是干燥的粉末，可直接撒在粘有双面胶带的样品台上，抖去或用洗耳球吹去松散的颗粒，并用导电胶涂在胶带四周再喷金。

（5）如果是含水或含有挥发性物质的样品，必须先去除水分或挥发性物质，再喷金观察。

去除水分的方法有很多种：烘箱干燥、湿度干燥、置换干燥、真空干燥、冷冻干燥、临界点干燥等，根据样品的不同特点和要求选择不同的方法。

温度干燥是将样品保持在一定的温度下干燥，真空干燥与冷冻干燥都是用真空喷镀仪抽真空，使水分挥发。

不同的是后者将样品投入液氮或其他骤冷剂然后再抽真空，水分从固态直接升华，使得通常的液相蒸发带来的表面力减小，减少样品损伤。

透射电镜(TEM)基本原理透射电镜基本构造与光学显微镜相似，主要由光源、物镜和投影镜三部分组成，只不过用电子束代替光束，用磁透镜代替玻璃透镜。