电子探针扫描电镜及其应用
_扫描电镜与电子探针分析
_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
扫描电镜组织观察及电子探针的应用
扫描电镜组织观察及电子探针的应用一、实验目的1．了解扫描电镜的结构及工作原理。
2．通过实际分析，明确扫描电镜和电子探针仪的用途。
二、结构与工作原理简介1、扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)扫描电子显微镜(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，扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-30万倍之间连续可调；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，因此它像透射电镜一样是当今十分有用的科学研究仪器。
扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图象显示和记录系统，真空系统三个基本部分组成。
其中电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。
扫描电子显微镜中的各个电磁透镜不做成相透镜用，而是起到将电子束逐级缩小的聚光作用。
一般有三个聚光镜，前两个是强磁透镜，可把电子束缩小；第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距以便使样品和透镜之间留有一定的空间，装入各种信号接收器。
扫描电子显微镜中射到样品上的电子束直径越小，就相当于成相单元的尺寸越小，相应的放大倍数就越高。
扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动。
电子束在样品上的扫描动作和显相管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一个扫描发生器控制的。
电子束在样品表面有两种扫描方式，进行形貌分析时都采用光栅扫描方式，当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又有下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。
发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。
在电子束偏转的同时还带用逐行扫描的动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在样品上也画出一帧比例图像。
样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器收集，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。
扫描电镜的工作原理和应用
扫描电镜的工作原理和应用1. 扫描电镜的工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束与样品相互作用来获取图像的仪器。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和更大的深度感，可以观察到更细微的细节。
扫描电镜的工作原理如下：1.电子发射: 扫描电镜通过热发射或场发射的方式产生高能电子束。
这个电子束经过加速电压，使电子获得足够大的能量。
2.聚焦: 电子束经过一系列的聚焦透镜，使其在样品表面形成一个非常小的聚焦点，以提高分辨率。
3.扫描: 电子束通过控制扫描线圈的方式，沿着样品表面进行扫描。
在每一个扫描点，样品上的电子与电子束发生相互作用。
4.信号检测: 所有与电子束相互作用的信号都被收集和检测，包括次级电子、反射电子、散射电子等。
5.图像生成: 通过扫描电镜的控制系统将所有收集到的信号转换为图像。
这些图像可以显示出样品表面的形貌、结构和组成。
2. 扫描电镜的应用扫描电镜广泛应用于各个领域，包括材料科学、生物学、医学等。
下面列举一些常见的应用：1.纳米材料研究: 扫描电镜可以观察到纳米级别的材料结构和形貌，对于纳米材料的制备和性质研究非常重要。
2.生物学研究: 扫描电镜可以观察生物样品的微观结构，如细胞、细胞器和微生物等。
它可以帮助研究者了解生物体的形态、组织和功能。
3.医学检测: 扫描电镜可以用于医学领域中的病理学研究和临床诊断。
例如，可以观察病毒、细菌、组织断面等微小结构，帮助医生进行疾病诊断和治疗。
4.材料表征: 扫描电镜能够观察材料的粗糙度、晶体结构、颗粒分布等参数，对于材料研究和工程应用具有重要意义。
5.环境科学研究: 扫描电镜可以用于观察和分析大气颗粒物、水中微生物和污染物等的形貌和组成，有助于环境污染的起因和后果研究。
6.艺术文物保护: 扫描电镜可以帮助对文物进行分析，如绘画的颜料、雕塑的材料等。
这对于文物的保护和修复具有重要价值。
论述扫描电镜的原理及应用
论述扫描电镜的原理及应用一、扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束与样本相互作用产生的信号来获取样本表面信息的仪器。
它能够提供高分辨率、高深度的表面和形貌信息，成为材料科学、生物科学等领域的重要工具。
扫描电镜的原理主要包括以下几个方面：1. 电子光源扫描电子显微镜是使用高能电子束进行成像的，因此需要一个电子光源。
一般采用热阴极或冷阴极发射电子的电子枪作为电子光源。
电子光源在电子束形成中起到了核心的作用。
2. 准直与聚焦准直与聚焦系统是扫描电镜中的重要组成部分。
它通常由准直系统、导向系统和聚焦系统组成。
准直系统用于控制电子束的方向和角度，导向系统用于控制电子束的位置，而聚焦系统则用于将电子束聚焦到一个细小的区域。
3. 样本与扫描盘样本与扫描盘是扫描电镜中的另外两个重要部分。
样本是待观察的对象，它需要被放置在扫描盘上以便与电子束相互作用。
样本的制备与处理对于扫描电镜成像的质量有着重要的影响。
4. 信号检测与处理扫描电子显微镜中，样本与电子束的相互作用会产生多种信号，如二次电子发射、后向散射电子等。
这些信号需要经过特定的检测器进行捕捉，并经过处理后形成最终的图像。
常用的检测器包括二次电子检测器、信号放大器等。
二、扫描电镜的应用扫描电镜具有很多应用领域，下面列举了几个主要的应用方向：1. 材料科学扫描电镜可以用于对材料表面形貌和结构的观察和分析。
通过扫描电镜的高分辨率成像，可以研究材料的晶体结构、相界面、缺陷等信息。
这对于材料的研发、改进和质量控制具有重要意义。
2. 生物科学生物科学中常常需要观察和研究生物细胞、组织和器官的形态和结构。
扫描电镜能够提供高分辨率、高深度的图像，可用于观察细胞表面的超微结构、细胞器的形态以及细胞间相互作用等情况。
扫描电镜在生物学研究中有着广泛的应用。
3. 纳米技术纳米技术是当今科技领域的一个热点，扫描电镜作为纳米尺度下表面形貌观测的有效手段，在纳米技术研究领域得到了广泛应用。
扫描、透射电镜在材料科学中的应用[资料]
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扫描、透射电镜在材料科学中的应用摘要：在科学技术快速发展的今天，人们不断需要从更高的微观层次观察、认识周围的物质世界，电子显微镜的发明解决了这个问题。
电子显微镜可分为扫描电了显微镜简称扫描电镜(SEM)和透射电子显微镜简称透射电镜(TEM)两大类。
本文主要介绍扫描、透射电镜工作原理、结构特点及其发展，阐述了其在材料科学领域中的应用。
1扫描电镜的工作原理从电子枪阴极发出的直径20mm～30mm的电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用，缩小成直径约几毫微米的电子探针。
在物镜上部的扫描线圈的作用下，电子探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。
这些电子信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度。
显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像，这种图象反映了样品表面的形貌特征。
2扫描电镜的构成主要包括以下几个部分：1.电子枪——产生和加速电子。
由灯丝系统和加速管两部分组成2.照明系统——聚集电子使之成为有一定强度的电子束。
由两级聚光镜组合而成。
3.样品室——样品台，交换，倾斜和移动样品的装置。
4.成像系统——像的形成和放大。
由物镜、中间镜和投影镜组成的三级放大系统。
调节物镜电流可改变样品成像的离焦量。
调节中间镜电流可以改变整个系统的放大倍数。
5.观察室——观察像的空间，由荧光屏组成。
6.照相室——记录像的地方。
7.除了上述的电子光学部分外，还有电气系统和真空系统。
提供电镜的各种电压、电流及完成控制功能。
3扫描电镜在材料科学中的应用3.1.材料的组织形貌观察材料剖面的特征、零件内部的结构及损伤的形貌，都可以借助扫描电镜来判断和分析反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便，但其分辨率、放大倍数和景深都比较低而扫描电子显微镜的样品制备简单，可以实现试样从低倍到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析；扫描电子显微图像因真实、清晰，并富有立体感，在金属断口和显微组织三维形态的观察研究方面获得了广泛地应用。
电子探针、扫描电镜应用领域
电子探针、扫描电镜的应用领域（周剑雄供稿zjx@）电子探针和扫描电镜已经广泛应用于各工业和科研领域，如进行各种材料的成分和结构解析，包括金属材料、金属失效分析、硅酸盐玻璃、电子材料、表面材料加工、超硬材料、硅酸盐材料、化工材料、光学材料、生物材料等的分析研究。
特别在催化剂、焊料、红外窗口、金刚石膜、电子开关材料、光导纤维等的解析，特种金属及其制品的分析鉴定与纯度分析，如锇粉、铑粉、金属钪、镱、以及各种超纯金属（>99.9999%）的分析与研究；超细材料、纳米材料SiO、MnO、2NiO、磁粉的粒度测定；镀层材料的成分与厚度的测定，以及材料的糙面测定，包括>10μm镀层的直接测定和<10μm镀层的 间接测定等；在地质、生物、医学、农业考古、公安中也可用于无机材料和有机材料中的无机盐的分析研究。
简言之，电子探针实验室似乎是一个包罗万象的综合分析的大型实验室。
以下将列举某些领域的可能应用：＜一＞金属学中的应用1.断口观察。
2.定向含金偏析研究：微量元素在合金不同位置的分布明显影响合金性能，定向混固技术，代替变形部件；晶界上偏析。
(任见蓉，第二届电子显微学会议文集。
P32,1982)3.热处理工艺对钢性质研究4.相平衡图和制定5.彩金研究，6. K金配方工艺⑴偏析原因，白色长于18K ，Os96,Ru2.5Os熔点3045℃Au熔点1063℃。
原料重熔时Os偏析。
⑵K金变脆原因(龟裂)Bi3.02－5.76％,Fe2.25－3.77 ％.＜二＞材料学中的应用1.材料分析2.材料深蚀刻表面现象3.Dia粘结材料的粘结性能4.陶瓷及高温耐火材料研究5.钻头材料，镶嵌＜三＞机械学中的应用1.摩擦磨损产生的细粒及表面剥蚀研究2.蒸汽锅炉管道中腐蚀机理分析3.大型球罐焊缝缺陷分析＜四＞微电子学中的应用＜五＞法学鉴别中的应用1.头发等中的微量元素分析2.枪弹残余物颗粒成份分析3.死因不明尸骨中铅的亮粒（枪击）4.被盗珍贵文物，金属接触过的物体上残留成分分析5.文件真伪鉴别：纸，纸上颜料，油墨，墨水的成分分析，元素分布图可划出其中不同的区域，与伪造文件对照。
电子探针扫描电镜显微分析
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。
这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。
特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。
由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。
虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。
由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。
现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。
由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。
EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。
EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。
扫描电镜的原理与应用
扫描电镜的原理与应用1. 扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜，它利用电子束对样本进行扫描，通过收集样本产生的散射电子和二次电子来生成图像。
其原理主要包括以下几个步骤：1.电子发射：在扫描电子显微镜中，首先需要产生高能的电子束。
这通常通过热力发射或场致发射来实现。
对于热力发射，根据石鹢-德拜方程，利用电子枪通过加热金属丝或陶瓷发射体，使其发射出的电子能够获得足够的能量进入到显微镜的系统中。
2.电子透镜系统：扫描电子显微镜中的电子束需要通过一系列的电子透镜系统进行聚焦。
这些电子透镜包括磁透镜、电透镜和取向透镜等。
通过精确控制这些电子透镜，可以获得较小的电子束尺寸和良好的分辨率。
3.样本交互：样本位于电子束进入样品室的位置。
当电子束与样品相互作用时，会产生多种相互作用，包括透射、反射、散射等。
通过控制电子束的扫描方式，可以对不同相互作用的电子进行收集和分析。
4.信号检测和图像生成：通过探测电子束与样品相互作用产生的信号，可以获取样品表面上的丰富细节信息。
最常用的信号检测方法包括二次电子检测和散射电子检测。
通过收集这些信号，并进行信号处理和图像生成，可以获得样品的高分辨率图像。
2. 扫描电镜的应用扫描电镜在各个领域中都有广泛的应用，其高分辨率和高放大倍数的特点使其成为了研究和观察微观结构的重要工具。
以下列举了几个扫描电镜应用的领域：2.1 材料科学•纳米材料研究和观察：扫描电镜可以对纳米材料进行表面和内部结构的观察，有助于研究纳米材料的物理性质和化学反应过程。
•材料表面形貌观察：扫描电镜可以观察材料表面的形貌特征，如晶体结构、表面缺陷、孔洞分布等，有助于研究材料的结构与性能。
2.2 生物科学•细胞观察：扫描电镜可以观察细胞的形态和结构，包括细胞壁、细胞膜、细胞核、细胞器等，有助于研究细胞的功能和生理过程。
•组织结构研究：扫描电镜可以观察组织的微观结构，有助于研究组织的生物学特性和病理学变化。
扫描电镜的工作原理与应用
扫描电镜的工作原理与应用扫描电镜是一种高分辨率、高清晰度的显微镜，主要用于观察各种微观物体的形态、结构和组成。
其工作原理相比传统的光学显微镜要复杂得多。
在本文中，我将详细介绍扫描电镜的工作原理和应用。
一、扫描电镜的基本原理扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）采用电子束而非光束照射样品，因此它具有高于光学显微镜的空间分辨率和深度清晰度。
SEM 使用高能电子束扫描样品表面，并探测所产生的次级电子、后向散射电子或荧光X射线等信号信号。
通过对这些信号的分析和数字处理，可以产生像素级的扫描图像，并确定样品的组成和结构。
扫描电子显微镜采用的主要原理是：将样品表面上的电子自主子级电子转换为信号，再将此信号放大、处理和记录。
SEM 中大多数扫描电子必须通过所用的样品形成的电荷屏障，否则将被折回光子元件中。
样品的电子子级电子外激发过程产生的信号，即次级电子，是包含有样品表面信息的电流信号，探针数据采集设备可将其转换成像素级图像。
SEM 所存在的分解能力是电子束在样品表面的扩散、散射和返回时波长的比值决定的。
二、扫描电镜的应用1.生物学：扫描电镜可帮助生物学家观察细胞和细胞器在微观尺度上的结构以及病毒的形态和特征。
它是研究生物体的材料性质、微观形态和结构，解析其细节显微解剖形态以及结构的最佳选择，对于肿瘤、心血管疾病、神经退行性疾病等疾病的发病机理及防治研究都有重要的应用价值。
2.物理学：扫描电镜可以测量微观物体的形态和结构，被广泛应用于材料凝聚态物理、力学和地质学等领域。
在材料科学领域中，它用于研究新材料的结构和形态，以及材料性能的变化。
3.化学：因其高分辨率和高清晰度，扫描电镜是研究化学领域中的重要工具。
它可以用于观察表面结构和相互作用，包括材料的结构、质量分析和表面成像。
此外，扫描电镜也可以用于探测微细结构和纳米级结构。
4.电子学：扫描电镜可以被用于测试电子元件的性能和结构，以及电路板等电子产品的质量控制。
扫描电镜与电子探针
钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000× 返回
扫描电镜的主要性能与特点
放大倍率高（M=Ac/As） 分辨率高（d0=dmin/M总） 景深大（F≈ d0/β） 保真度好 样品制备简单
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。如果放大倍率为M，人 眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则 有效放大率M＝0.2106nm5nm=40000 （倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率， 不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意 义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪 器放大倍率指标。
比 较
透射电镜一般是电子光学系统（照明 系统）、成像放大系统、电源和真空系统 三大部分组成。
3.电子与固体试样的交互作用
一束细聚焦的电子束轰击试样表面
时，入射电子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，有：二次电子、背散射电子、
阴极发光、特征X 射线、俄歇过程和俄
返回
4. 不损坏试样、分析速度快
现在电子探针均与计算机联机，可以连续自 动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数 据分析，对含10个元素以下的试样定性、定量分 析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果 用EDS 进行定性、定量分析，几分种即可完成。 对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以 自动聚焦分析。 电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样 分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分 析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证 据等的稀有试样分析尤为重要。
多孔SiC陶瓷的二次电子像
一般情况下， SEM 景深比 TEM 大 1 0 倍 ， 比 光 学 显 微 镜 （ OM） 大 100倍。如10000倍时,TEM :D＝ 1m，SEM:10m, 100 倍 时 ， OM:10m，SEM=1000m。
扫描电镜的应用
扫描电镜和电子探针的应用扫描电镜是利用静止的或在样品表面做光栅扫描的一束精细聚焦的电子束，轰击样品表面产生各种信号(二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线及不同能量的光子等)，利用电磁透镜系统成像，对固体材料进行分析的仪器。
广泛应用于生物、地质、固体物理、电子及材料等科学领域。
主要用于观察微米及亚微米范围内的各种现象。
第一台扫描电镜是由vonArdenne通过在透射电镜(TEM)上加装扫描装置改制而成的。
由于SEM具有分辨率高(纳米级)、景深大而且可以从几十倍到几千倍连续放大，因此自问世以来就成为材料研究和失效分析的利器。
1 SEM的应用1.1 SEM金相分析正确的金相分析是失效分析的基础。
首先是对各种光学显微镜不能分辨的基本显微组织的分析，如隐针马氏体、屈氏体等;其次是对显微组织精细结构的分析，如上贝氏体中铁素体和渗碳体两个相的形态，条状马氏体的细长板条状的立体形态等。
再次，各种金属间化合物相、碳化物相、硼化物相及氮化物相等。
相、M如‘型化合物、p 相等，硬质合金中的Co相WC相等等。
其他金相分析，如异种钢接头焊缝底层的不均匀带、硬质合金晶粒形状大小、硬质合金的混料、蠕墨铸铁中石墨的空间立体形态、钢中显微裂纹和显微缩孔等。
金相分析一般在低倍分析及光学显微镜分析的基础上结合结构分析(如X 射线衍射分析、电子衍射分析等)和微区成分分析(如波谱仪、能谱仪等)完成的。
1.2 SEM在断口分析中的应用利用扫描电镜进行电子断口分析，是在失效分析中的最主要的应用，利用SEM对断裂机理分析归类，明确断裂类型，其次是对裂纹源位置和扩展方向的判定，金属材料的主要断裂机理有:韧窝断裂、解理断裂、滑移分离、准解理断裂、疲劳断裂及环境断裂等。
韧窝断裂主要分析韧窝的形状、大小、数量、第二相粒子及夹杂物等。
其微观形貌为:正交韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝及卵形韧窝和沿晶韧窝等。
解理断裂的微观形貌特征为:解理台阶、河流、舌状花样、扇形花样、鱼骨花样、瓦纳线等。
扫描电镜的原理及应用论文
扫描电镜的原理及应用论文1. 引言扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率成像技术，广泛应用于材料科学、生命科学、纳米科学等领域。
本文将介绍扫描电镜的原理和应用。
2. 扫描电镜的原理扫描电镜采用电子束取代了光束，利用电子与样品之间的相互作用产生信号进行成像，具有很高的分辨率和深度信息。
其原理主要包括以下几个方面：2.1 加速电子束由电子枪发射出的电子经过加速电场加速，形成高速电子束。
2.2 焦化电子束利用磁透镜将电子束进行聚焦，使得电子束直径减小，增加成像的分辨率。
2.3 与样品相互作用电子束照射到样品表面后，与样品发生相互作用。
这些相互作用包括电子散射、透射、反射等。
2.4 探测信号样品对电子束的相互作用会产生各种信号，如二次电子、反射电子、散射电子等。
扫描电镜会对这些信号进行检测和记录。
2.5 高分辨率成像扫描电镜根据探测到的信号，通过扫描样品表面得到像素状的数据，并通过计算机处理形成图像。
由于电子束的小焦斑直径和信号检测的优势，扫描电镜具有很高的分辨率。
3. 扫描电镜的应用扫描电镜在许多领域中有很广泛的应用。
以下列举了其中几个重要的应用领域：3.1 材料科学扫描电镜可以对材料的微观形貌进行观察和研究，如金属晶体的形态和结构、聚合物的表面形貌、纳米颗粒的尺寸和分布等。
这些信息对于材料的性能和应用有重要影响。
3.2 生命科学扫描电镜可以对生物样品进行观察和研究，如细胞的形态、结构和表面特征、细胞器的分布和形态等。
这些研究可以帮助科学家深入了解生物体的结构和功能。
3.3 纳米科学扫描电镜在纳米科学领域中有着广泛的应用，如纳米材料的制备和表征、纳米结构的形貌和特性研究等。
其高分辨率和成像能力使其成为纳米研究中不可或缺的工具。
3.4 地质学扫描电镜在地质学中的应用主要包括矿物学和岩石学的研究。
通过观察和分析矿物颗粒、岩石的纹理和结构，可以推断其形成和演化历史，对地质过程进行研究。
扫描电子显微镜（SEM）和电子探针显微分析装置（EPMA）
扫描电⼦显微镜（SEM）和电⼦探针显微分析装置（EPMA）扫描电⼦显微镜和电⼦探针显微分析仪基本原理相同，但很多⼈分不清其差异，实际上需要使⽤电⼦探针领域⽐较少，⽽扫描电镜相对普遍。
扫描电⼦显微镜（SEM），主要⽤于固体物质表⾯电⼦显微⾼分辨成像，接配电⼦显微分析附件，可做相应的特征信号分析。
最常⽤的分析信号是聚焦电⼦束和样品相互作⽤区发射出的元素特征X-射线，可⽤EDS（X-射线能谱仪）或者WDS（X-射线波谱仪）进⾏探测分析，获得微区（作⽤区）元素成分信息，⽽WDS这个电⼦显微分析附件却来源于EPMA。
另外⼀个重要信号是背散射电⼦（Bse），其中⾼能Bse还可作为晶体衍射信号,使⽤EBSD装置获取微区晶体结构取向信息，EBSD⾃1990年代发展以来，近20年应⽤发展迅速。
扫描电镜及扫描电⼦显微分析附件（EDS、WDS、EBSD）SEM作为⼀个电⼦显微分析平台，分析附件可根据⽤户需要来选配，有需要这个的，有需要那个的，因此扫描电镜结构种类具有多样性，从tiny、small、little style，to middle、large、huge style.就EDS或WDS分析技术来讲，在SEM上使⽤，基本上使⽤⽆标样分析，获得电⼦束样品作⽤区内相对粗糙的半定量结果，因此SEM配置EDS⾮常普遍，⽽配置WDS⽐较少，其中EDS可以探测到微量元素的存在，WDS可以获得痕量元素的存在。
商品化EPMA产⽣于1955年左右，⽐SEM商品化提前10年，其主要⽬的是要精确获得微⽶尺度晶粒或颗粒的成分信息，利⽤电⼦束样品作⽤区发射的特征X射线，使⽤探测分析⼿段是WDS，⼀般配置4道WDS，中⼼对称布置在电⼦束周围，基于此标配，EPMA结构⽐较单⼀，各品牌型号结构差距不⼤。
电⼦探针显微分析装置EPMA结构原理电⼦探针显微分析系统EPMAEMPA主要追求微区化学定量结果精准，因此电⼦光学分辨率设计相对宽松，电⼦显微分析对汇聚束束电流要求较⼤，束斑较粗。
扫描电镜的原理特点及其应用
扫描电镜的原理特点及其应用1. 原理介绍扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束与样品之间的相互作用来产生图像的一种显微镜。
与传统的光学显微镜不同，扫描电镜通过扫描电子束在样品表面的反射和散射来获取高分辨率的图像。
其原理如下：•通过电子枪产生高能电子束，该电子束经过加速后，在一系列电磁透镜的作用下，被聚焦为一个非常细小的束斑。
•电子束在样品上的散射以及与样品表面原子的相互作用会产生二次电子信号，这些信号被收集并放大后，通过扫描系统进行整理和处理。
•扫描系统控制电子束在样品表面上的移动，并记录和解析二次电子信号，最终生成高分辨率的图像。
2. 特点扫描电子显微镜具有以下特点：2.1 高分辨率扫描电子显微镜的分辨率通常在0.1纳米到10纳米之间，远远超过了传统光学显微镜的分辨率。
这使得它能够观察到更小尺寸、更细微的结构和更精细的表面特征。
2.2 大深度扫描电子显微镜能够提供比传统显微镜更深的景深，即使在观察高度不均匀、多层次的样品时也能保持图像的清晰度。
2.3 表面成分分析通过扫描电子显微镜，可以使用能量色散X射线光谱仪（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）来检测样品表面的元素组成。
这种功能使得扫描电子显微镜在材料分析、金属学和纳米科学等领域具有广泛的应用。
2.4 环境适应性扫描电子显微镜可以在常温下使用，也可以在真空或气体环境中工作。
这使得它能够适应各种样品的要求，并广泛应用于不同领域。
3. 应用扫描电子显微镜在科学研究和工业生产中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：3.1 材料科学扫描电子显微镜可以用来观察和分析各种材料的微观结构和表面形貌。
例如，可以观察金属的晶粒形态、断裂面的特征，以及陶瓷和聚合物的微观结构等。
这些信息对于材料的研究和开发非常重要。
3.2 纳米科学由于其高分辨率和表面成分分析能力，扫描电子显微镜在纳米领域中具有重要的应用价值。
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。
金属科研“神器”：扫描电子显微镜原理及应用
金属科研“神器”：扫描电子显微镜原理及应用扫描电子显微镜是我们金属科研工作中应用最广泛的“神器”，可以说几乎伴随着每一位研究生度过自己最重要的科研经历，时常“爱也扫描”“恨也扫描”，今天就系统地为新老同学们和需要应用扫描的科技工作者介绍一下扫描电镜的原理及应用。
电子显微镜利用电子成像，类似于光学显微镜使用可见光成像。
由于电子的波长远小于光的波长，所以电子显微镜的分辨率要高于光学显微镜的分辨率。
图1 蔡司SIGMA 500场发射扫描电镜扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）,简称扫描电镜，已成为功能强、用途广的材料表征工具，已广泛应用于材料，冶金，矿物，生物学等领域，如图1所示为蔡司场发射扫描电镜。
SEM结构及工作原理SEM主要组成部分是：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，电源及控制系统等，如图2所示。
图2 SEM工作原理示意图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。
图3 金属断口观察（来源网络）在SEM中，电子束以栅网模式扫描样品。
首先，电子枪在镜筒顶部生成电子。
当电子的热能超过了源材料的功函数时，就会被释放出来，然后它们加速向带有正电荷的阳极高速移动。
整个电子镜筒必须处于真空状态。
像电子显微镜的所有组件一样，电子枪也被密封在特殊的真空室中以保护它不受污染、振动和噪音的影响。
除了保护电子枪不受污染，真空环境有利于得到高分辨率图像。
若非真空环境，镜筒中可能存在其他原子和分子，它们与电子相互作用，使电子束发生偏转，从而降低图像质量。
高真空环境也提高了镜筒内检测器对电子的收集效率。
图4 SEM不同信号及其形成区域样品与电子的相互作用可以产生许多不同类型的电子、光子或辐射。
就扫描电子显微镜而言，用于成像的两种电子是指背散射电子和二次电子，如图4所示。
二次电子像原理二次电子是由于被入射电子“碰撞”而获得能量，逃出样品表面的核外电子，其主要特点是：(1)能量小于50eV，较易被检测器前端的电场吸引，因而阴影效应较弱。
扫描电镜及电子探针
4.3 扫描电镜 4.3.1 扫描电镜的特点和工作原理 自从1965年第一台商用扫描电镜问世后，它得到了迅速发展。
其原因在于扫描电镜弥补了透射电镜的缺点，是一种比较理想的表面分析工具。
透射电镜目前达到的性能虽然很高，如分辨本领优于0.2～0.3nm，放大倍数几十万倍，除放大成像外还能进行结构分析等，但其有一个最大的缺点就是对样品要求很高，制备起来非常麻烦。
而且，样品被支撑它的铜网蔽住一部分，不能进行样品欲测区域的连续观察。
扫描电镜则不然，它可直接观察大块试样，样品制备非常方便。
加之扫描电镜的景深大、放大倍数连续调节范围大，分辨本领比较高等特点，所以它成为固体材料样品表面分析的有效工具，尤其适合于观察比较粗糙的表面如材料断口和显微组织三维形态。
扫描电镜不仅能做表面形貌分析，而且能配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。
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。
图4.55 扫描电镜工作原理图4.55是扫描电镜工作原理示意图。
由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2～3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。
这些物理信号的强度随样品表面特征而变。
它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。
由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。
因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。
这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面——某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。
画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。
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电子探针X射线显微分析简称电子探针
电子探针、扫描电镜及其应用
陈家光
宝钢研究院
2006年11月10日JCXA-733 WDS EDS EBSD JXA-8800RL WDS EDS
发展历史
4200F SEM JSM-6460LV
扫描图像观察
电子探针、扫描电镜工作原理
电子探针结构的方框图
材料的特性由其显微特性决定
低含量超轻元素定量分析价态分析
EPMA主要应用
应用元素面分
析、CAMEO图
作相分析
定性、定量分析
EPMA与SEM比较价态分析
电子与固体相互作用所产生的信息
点分析线分析面分析二次电子象
BE、SE的信号强度与Z的关系
背散射电子象
阴极发光分析研究:
石榴石中的环带结构和分析耐火砖元素分布
X射线产生原理MOSELY定律√ν＝K(Z－σ波长色散谱仪WDS 图中以R为半径的圆称为
称聚焦圆。
从试样S表面产生的的特征
射线，经晶体分光聚焦后，被
管接收，如果试样照射点到晶体的距离L，则L=2Rsinθ
2dsinθ=nλ则得：
面间距d和罗兰圆半径
特征X射线衍射级数，因此，晶体沿
线运动时(L改变)就可以测出不同元素所产生的特征X射线波长λ
直进式波谱仪。
晶体
探测器
能量色散谱仪
1. 电子轰击样品产生特征X射线
2. X射线进入探测器，在晶体内产生电子空穴对
3. 晶体内产生的电荷由场效应晶体管(FET)放大并转换成电压台阶信号
4. 从前置放大器至脉冲处理器
典型的输出信号是斜波信号
能谱工作原理能谱和波谱性能比较低碳钢中微量碳的分别观察
0.02wt％的差别
兰: 0.21%, 黄：0.23%
Olivine
Feldspar
Spinel
Pyroxene
Olivine
(Ca, Mg, Fe)SiO Pyroxene
(Mg,Fe,Mn,Ca)Si O Feldspar
(Na,K,Ca)[(Al,Si)O ]Spinel
(Fe ,Mg,Mn)(Al,Cr,V,Fe ,Ti)O Olivine
Feldspar Pyroxene
Spinel
Phase results are corrected to mass% or
atomic %.
大米的横截面, 用100nA!! 无损伤大米的味道取决于网状结构
Al 盖上的Mapping
Compo
:
电子探针修正计算原因：
荧光效应修正
Fe Cr
ZAF修正公式
入射电子散射
电子背散射衍射EBSD
电子背散射衍射(EBSD)
Bragg衍射条件2dsinθ=nλ
COM晶体取向分布图电子光学仪器发展
JSM-6500F WDS EDS EBSD
仪器构造图JCXA-733 WDS LINK EDS OPAL ( EBSD )
扫描电声显微镜
Scanning Electron Acoustic Microscope 奥氏体钢的电声像（箭头所指为磁畴结构）电声像揭示了器件内部的编号
(
a)
(
b)
三试样制备及分析方法
(a)(b)
要注意切
割、研磨、抛光塑性区; 弹性区
）金属铝显微硬度压痕二次电子像仅显示了压痕的形状
离子溅射时间与剥离深度关系
防止产生表面离子损伤
纳米涂层蒸镀Pt 40s 的Pt 颗粒
70000 ×
镀金岛状结构
聚焦离子束FIB Focused Ion Beams
聚焦离子束装置
形貌观察
微区刻蚀
微沉淀
+
Photons
Implantation
Radiation Damage
日本电子公司的CP 制样设备
Au
Cu
EBSD analysis
Polymer base
应用截面抛磨机制备的Cu-NiP-Au材料BSE image
Normal Direction(ND)Rolling Direction(RD)Transverse Direction(TD)
Image Quality
应用CP制备的Cu截面适合作EBSD分析
低温断口制备试样
几点注意事项
打印纸（上）报纸（下）表面扫描形貌及填料能谱定性分析谱图钢板表面被手指摸过区域能谱定性分析谱图
降落在上海的泥浆雨形貌与成分
能谱定量分析结果
Elmt Spect. Element Atomic Compound Nos. of
Type % % %
Na K ED 1.21 1.12 Na2O 1.63 0.57
Mg K ED 2.16 1.89 MgO
大气中收集到纳米尺度的污染粒子
分析程序
激光毛化电火花毛化喷丸毛化
电视机阴罩钢板表面孔洞
FIB自动连续截面的观察
高炉余压发电机转子失效分疲劳纹断裂源处富集S、Cl等元素
二片钢在运输过程中呈十字形开裂断口上的疲劳纹疲劳试验后在箭头所指
处出现呈十字形开裂
呈十字形开裂的
断口上疲劳纹
高强度螺栓氢致开裂
汽车板冲压缺陷分析
冷轧板表面缺陷形貌
管线钢加工缺陷0
管线钢凹坑缺陷内显微形貌冷轧板表面缺陷形貌
元素Zn Al Cu Fe
导板成分58.9735.94 3.34 1.76
O5板缺陷 2.2555.28 1.9140.57
模拟缺陷9.5348.66 4.2837.53
金相组织
裂纹缺陷末端氧化物形貌与显微成分分析
轧辊循环冷却水不锈钢软管出现穿孔漏水
穿孔波纹管内壁沿晶界腐蚀，孔洞处腐蚀产物富集氯离子高炉风口穿孔开裂原因分析
铸造高炉风口金相组织
晶粒粗大，局部有缩孔
开裂部位金相组织
穿孔开裂处裂纹未端Cameo像及Cu、Zn、S、Fe、O元素面分布像
越王勾践剑(正、背面) 吴王夫差矛
2500年前东周铜兵器上菱形暗格纹饰电
子探针Cu、Fe、Sn、Si元素X射线面分析
根据EPMA分析结果，结合我国古代炼丹术很盛行，提出固体渗透工艺复制古文物上的暗格纹饰彩涂板表面缺陷形貌
入调试阶段，现场发
现彩涂板的上下表面
边部有气泡缺陷，生
产线反复检查找不到
原因。
彩涂板，送到德国汉
高公司分析，由截面
金相组织分析结果，
认为气泡缺陷处电镀
锌锌层有缺陷。
彩涂层缺陷原位形貌观察
柔软异物压入缺陷分析研究气泡彩涂层内表面形貌及析出物能谱定性分析
镀锡板白斑黑心缺陷成因分析
GA小黑点缺陷宏观形貌
在不同温度、气氛等条件下氧化形成
与氧的半高宽及峰位移区分价态
/L
α
谢谢！。