扫描电镜SEM&透射电镜TEM简介
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
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。
扫描电镜的原理
扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来成像样品表面微观形貌的高分辨率显微镜。
相比于光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更好的分辨率，能够观察到更小尺度的结构和表面形貌。
下面我们将详细介绍扫描电镜的原理。
首先，扫描电镜的成像原理是利用电子束与样品表面相互作用产生的信号来获取图像。
当电子束照射到样品表面时，会激发出多种信号，包括二次电子、反射电子、透射电子以及特征X射线等。
这些信号可以提供关于样品表面形貌、成分和结构的信息。
其次，扫描电镜的工作原理主要包括电子光学系统、样品台、探测器和图像处理系统。
电子光学系统包括电子枪、透镜系统和扫描线圈，它们共同产生并控制电子束的聚焦和扫描。
样品台用于支撑和定位样品，保证样品与电子束的准确对准。
探测器用于接收样品表面产生的信号，并将信号转换成电子图像。
图像处理系统则对接收到的信号进行处理和显示，生成最终的图像。
另外，扫描电镜的成像原理还涉及到信号的获取和处理过程。
当电子束扫描样品表面时，探测器会收集并转换成电子信号，然后通过信号放大和数字化处理，最终生成高分辨率的图像。
这些图像可以展现样品表面的微观形貌和结构特征，帮助科研人员进行分析和研究。
总的来说，扫描电镜的原理是基于电子与样品相互作用产生信号的物理过程，通过电子光学系统、样品台、探测器和图像处理系统共同完成信号的获取和成像。
扫描电镜具有高分辨率、高放大倍数和表面成像能力强的特点，是一种重要的微观表征工具，广泛应用于材料科学、生物科学、纳米技术等领域。
在实际应用中，扫描电镜的原理和技术不断得到改进和完善，使得扫描电镜在微观表征和分析方面发挥着越来越重要的作用。
相信随着科学技术的不断进步，扫描电镜将会在更多领域展现出其强大的应用潜力。
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。
扫描电镜原理
扫描电镜原理
扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用
电子束与样品发生相互作用来观察和分析物质表面形貌和微结构的仪器。
其工作原理基于电子物理原理和电子光学系统。
在扫描电镜中，电子源会产生高能电子束，通过电子光学系统将电子束聚焦到极小的直径。
聚焦后的电子束进一步通过准直系统，通过狭缝将束发散以得到所需的电子束束流。
然后，在透镜系统的控制下，电子束通过扫描盘（或称扫描线圈）轨迹进行扫描。
样品一般需要被制备成非导电的形式，以防止电子束与样品的电荷相互排斥而失去分辨能力。
通常，样品会被涂覆一层导电性物质，如金或碳。
导电层的存在可以使电荷得以释放，从而保持扫描电镜的高分辨率。
当电子束扫描到样品表面时，与样品相互作用的主要过程包括：①电子-电子散射；②电子-原子核散射；③电子-原子轨道间的相互作用。
这些相互作用导致电子的散射及吸收，产生所谓的“特性X射线”。
这些特性X射线会被探测器收集并转变为电
信号，从而可以得到物质的表面形貌和化学组成信息。
通过扫描电镜，我们可以获得高分辨率的二维或三维电子图像，进而观察和分析物质的微观结构、表面形貌和化学成分等重要信息。
扫描电镜因其高分辨率、大深度和较大的放大倍数，在材料科学、生物学和纳米技术等领域得到广泛应用。
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扫描电子显微镜课件
扫描电镜结构原理框图
扫描电镜结构 电子光学系统， 信号收集处理、图 像显示和记录系统， 真空系统， 三部分组成
扫描电镜结构原理
１、电子光学系统： 电子枪 电磁透镜（２个强磁１个弱磁）可使原来50μm电子束斑聚焦为6nm。 扫描线圈 样品室
电子束的滴状作用体积示意图
不同能量的电子束在样品中的作用模拟图
电子束在不同样品中的作用模拟图
但是，当电子束射入重元素样品中时，作用体积不呈滴状，而是半球状。电子束进入表面后立即向横向扩展，因此在分析重元素时，即使电子束的束斑很细小，也不能达到较高的分辨率。此时，二次电子的分辨率和背散射电子的分辨宰之间的差距明显变小。 由此可见，在其它条件相同的情况下(如信号噪音比、磁场条件及机械振动等)，电子束的束斑大小、检测信号的类型以及检测部位的原子序数是影响扫描电子显微镜分辨率的三大因素。
五、特征Ｘ射线 当样品原子的内层电子被入射电子激发，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的Ｘ射线释放出来。 用Ｘ射线探测器测到样品微区中存在一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素。
六、俄歇电子 在特征x射线过程中，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。
由于ZrO2相平均原子序数远高于Al2O3相和SiO2 相，所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石－斜锆石共析体，基体灰色相为莫来石。
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。
扫描电镜分析简介
扫描电镜分析简介扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种常用的材料分析技术，通过表面扫描电子束所产生的电子与样品表面相互作用，测量和分析电子束与样品之间的相互作用现象，得到图像和各种表征参数，从而实现对样品微观结构的观察和分析。
SEM的工作原理是将样品置于真空条件下，利用电子枪产生高能电子束，以扇形或螺旋形的方式扫描在样品表面，当电子束与样品相互作用时，部分电子进入样品表面产生的电子云，将原本在电子束路径上不可见的电子转化为可见的信号。
这种信号包括二次电子（Secondary Electrons, SE）和反射电子（Backscattered Electrons, BSE）两种，二次电子主要来自于样品表面物质的元素分布和拓扑结构，反射电子则主要来自于电子束与原子核的碰撞反射。
通过收集、放大和检测这些反射电子，就可以获取样品的电子图像。
SEM与传统的光学显微技术相比，具有以下优点：1.高分辨率：SEM的分辨率可达到亚纳米级别，能够观察到更小的细节和粒子。
2.能够观察非导电材料：相对于传统的透射电镜，SEM可以直接观察非导电材料，不需要特殊的样品制备。
3.大深度焦距：SEM具有较大的深度焦距，可以获得更清晰的三维像。
4.显示能力强：SEM可以生成高对比度的图像，并且具有较强的深度感。
5.多功能性：SEM除了观察样品表面形貌外，还可以进行成分分析、晶体结构分析、导电性测量等多种功能。
SEM主要应用于材料研究、生物医学、纳米科学等领域。
在材料研究中，SEM常用于观察材料的晶体形貌、断口形貌、金属表面的腐蚀和磨损等。
在纳米科学领域，SEM可以用于观察纳米材料的形貌和尺寸分布，同时还可以通过能谱分析技术，得到不同区域的元素组成。
在生物医学中，SEM可以观察细胞结构、病毒和细菌等微生物形态特征，对研究细胞生物学、病理学等具有重要意义。
为了更好地进行SEM分析，需要注意以下几个方面的问题：1.样品制备：样品要求具有一定的导电性，通常需要进行金属镀膜或者冷冻干燥等处理才能满足要求。
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。
扫描电镜分析原理
扫描电镜分析原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种通过扫描样品表面并检测由样品放射出的电子来获得样品表面形貌和成分的仪器。
SEM利用高能电子束与样品相互作用，通过分析电子束与样品之间的相互作用来获得样品的各种信息。
其工作原理如下：1.电子源：SEM中使用的电子源通常为热阴极发射电子源，通过升高阳极电压，使电子从热阴极发射出来。
发射的电子束通过一系列电子透镜系统聚焦并加速到一定的能量。
2.样品制备：在进行SEM观察前，需要对样品进行制备处理。
常见的样品制备方法包括金属喷镀、碳喷镀、冷冻切片、离子切割等。
制备后的样品需要放置在真空环境下进行观察。
3.电子束与样品的相互作用：电子束在与样品相互作用时，会发生多种相互作用，包括散射、透射、吸收等。
这些相互作用会导致电子束的改变，从而提供了关于样品形貌和成分的信息。
4.信号检测：SEM通过检测从样品表面散射出的电子来获取图像。
这些散射出的电子经过各种探测器的接收和放大后，转化为电子图像。
常见的探测器包括二次电子探测器和反向散射电子探测器。
- 二次电子探测器（Secondary Electron Detector，SED）: SED可以检测到样品表面发射出的二次电子。
二次电子的发射数量与样品表面的形貌相关，可以获得样品表面形貌的信息。
- 反向散射电子探测器（Backscattered Electron Detector，BED）: BED可以检测到电子束与样品中原子核的相互作用产生的反向散射电子。
反向散射电子的能量与样品中元素的原子序数相关，可以用以获得样品的成分信息。
5.图像形成：通过对来自探测器的信号进行处理和放大，得到由电子束在样品上扫描过程中记录下来的图像。
这些图像可以以灰度图的形式来展示样品表面的形貌和成分信息。
总结起来，SEM利用高能电子束与样品相互作用，通过探测从样品表面散射出的电子来获取样品表面形貌和成分的信息。
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，利用电子束与样品相互作用，通过探测和分析来获得样品的表面形貌、成份和结构等信息。
下面将详细介绍扫描电镜的工作原理。
一、电子源和电子束发射扫描电镜使用的电子源通常是热阴极电子枪，通过加热阴极，使其发射出高能电子。
这些电子被聚焦到极小的尺寸，并形成一个电子束，以供后续的扫描和探测。
二、电子束的聚焦和控制电子束经过一系列的聚焦透镜和电子光学系统，使其聚焦到极小的尺寸。
在这个过程中，通过调节透镜的电压和位置，可以控制电子束的聚焦和扫描速度，以实现对样品的高分辨率成像。
三、样品的准备和固定在使用扫描电镜之前，需要对样品进行准备和固定。
通常，样品需要被切割成合适的尺寸，并被固定在一个导电性的样品台上，以便电子束的传递和样品表面电荷的平衡。
四、电子束与样品的相互作用当电子束照射到样品表面时，它与样品原子和份子发生相互作用。
这些相互作用包括：电子与样品原子的散射、电子与样品原子的激发和退激发、电子与样品原子的吸收等。
这些相互作用会导致电子束的能量损失和散射。
五、信号的探测和放大扫描电镜通过探测和放大样品表面的散射电子、次级电子、反射电子等信号，来获取样品的表面形貌和成份信息。
常用的探测器包括：二次电子探测器、反射电子探测器、能量散射谱仪等。
这些探测器可以将电子信号转化为电压信号，并经过放大和处理后，输出到显示器上。
六、扫描和成像在扫描电镜中，电子束通过扫描线圈的控制，沿着样品表面进行扫描。
扫描过程中，探测器将不同位置的电子信号转化为亮度和对照度不同的图象点，最终形成一个完整的图象。
通过改变扫描速度和扫描模式，可以获得不同分辨率和深度的图象。
七、图象处理和分析获得的图象可以通过图象处理软件进行增强、滤波和修复等处理，以提高图象的质量和清晰度。
此外，还可以进行图象分析和测量，如粒径分布、表面形貌参数等。
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。
扫描电镜原理
扫描电镜原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察物质表面微观形貌的仪器。
相比于光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和放大倍数，能够观察到更小尺度的细节。
其工作原理主要包括电子发射、电子透镜系统、样品扫描和信号检测等几个关键步骤。
首先，扫描电镜利用热阴极发射电子，通过加热阴极使其发射电子。
这些电子经过加速器加速后，进入电子透镜系统。
电子透镜系统主要包括减速器、聚焦器和扫描线圈。
减速器用于减速电子束，使其能够被聚焦器聚焦。
聚焦器则起到将电子束聚焦成细小束的作用，以便能够更精确地扫描样品表面。
扫描线圈则用于控制电子束的扫描范围和扫描速度。
接下来，样品被放置在扫描电镜的样品台上，样品台通常具有XYZ三个方向的微米级移动装置，可以实现对样品位置的微米级调整。
电子束在扫描过程中沿着样品表面进行扫描，与样品表面发生相互作用。
当电子束与样品表面发生相互作用时，会产生各种信号，包括二次电子发射、反射电子、透射电子、X射线等。
这些信号被检测器捕获并转换成电信号，然后经过放大和处理，最终转换成图像显示在显示器上。
扫描电镜的工作原理可以总结为，利用电子束与样品表面相互作用产生的信号来获取样品表面形貌和成分信息。
通过控制电子束的扫描范围和扫描速度，可以获取到高分辨率、高放大倍数的样品表面图像。
扫描电镜不仅可以观察到样品表面的形貌，还可以通过能谱分析仪获取样品的成分信息，具有非常广泛的应用前景。
总的来说，扫描电镜是一种非常重要的微观表征手段，其原理简单清晰，操作灵活方便，能够为科研工作者提供丰富的样品表面形貌和成分信息，对材料科学、生物科学、纳米科学等领域有着重要的应用价值。
希望通过本文的介绍，能够使读者对扫描电镜的原理有一个更加深入的了解。
扫描电镜工作原理
扫描电镜工作原理引言概述：扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，通过扫描样品表面并测量反射电子的信号来获取样品的形貌信息。
本文将详细介绍扫描电镜的工作原理。
正文内容：一、电子束的产生与聚焦1.1 热阴极电子发射：热阴极通过加热产生的热能使电子从阴极表面发射出来。
1.2 真空环境：扫描电镜需要在真空环境中工作，以避免电子束与气体分子发生碰撞而散射。
1.3 电子束的聚焦：通过电磁透镜对电子束进行聚焦，使其具有较小的直径和较高的能量密度。
二、扫描线圈与样品的扫描2.1 扫描线圈：扫描线圈通过施加电流，产生磁场从而使电子束在样品表面上进行扫描。
2.2 扫描模式：扫描电镜可采用逐行扫描或逐点扫描的方式，将电子束沿着样品表面进行扫描。
2.3 扫描速度与分辨率：扫描速度和分辨率之间存在着一定的权衡，较高的扫描速度可获得较低的分辨率，而较低的扫描速度可获得较高的分辨率。
三、信号的检测与放大3.1 二次电子信号：当电子束与样品表面相互作用时，会产生二次电子信号，这些信号携带了样品表面形貌的信息。
3.2 检测器：扫描电镜使用不同类型的检测器来检测二次电子信号，常见的有原子力显微镜（AFM）和光电倍增管（PMT）。
3.3 信号放大：检测到的二次电子信号经过放大处理，以便更好地观察和分析样品的形貌。
四、图像的生成与显示4.1 信号转换：放大后的信号被转换成数字信号，以便进行图像处理和分析。
4.2 图像生成：通过将扫描过程中获取到的信号与扫描位置的信息进行匹配，生成样品的图像。
4.3 图像显示：生成的图像可以通过计算机显示器或打印机进行显示和输出，以供观察和分析。
五、应用领域与发展趋势5.1 应用领域：扫描电镜广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域，用于研究材料的微观结构和表面形貌。
5.2 发展趋势：随着技术的不断进步，扫描电镜的分辨率和图像质量将不断提高，同时也将更加注重对样品的非破坏性观察和三维重建等方面的发展。
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扫描电镜SEM&透射电镜TEM简介1. 光学显微镜以可见光为介质，电子显微镜以电子束为介质，由于电子束波长远较可见光小，故电子显微镜分辨率远比光学显微镜高。
光学显微镜放大倍率最高只有约1500倍，扫描式显微镜可放大到10000倍以上。
2. 根据de Broglie波动理论，电子的波长仅与加速电压有关：λe=h / mv= h / (2qmV)1/2=12.2 / (V)1/2 (Å)在 10 KV 的加速电压之下，电子的波长仅为0.12Å，远低于可见光的4000 - 7000Å，所以电子显微镜分辨率自然比光学显微镜优越许多，但是扫描式电子显微镜的电子束直径大多在50-100Å之间，电子与原子核的弹性散射 (Elastic Scattering) 与非弹性散射(Inelastic Scattering) 的反应体积又会比原有的电子束直径增大，因此一般穿透式电子显微镜的分辨率比扫描式电子显微镜高。
3. 扫描式显微镜有一重要特色是具有超大的景深(depth of field)，约为光学显微镜的300倍，使得扫描式显微镜比光学显微镜更适合观察表面起伏程度较大的样品。
4. 扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪 (Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦 (Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔径 (Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸(Beam Size)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜 (Objective Lens) 聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子 (Secondary Electron) 或背向散射电子 (Backscattered Electron) 成像。
5. 电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布 (Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射 (Field Emission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。
6. 热游离方式电子枪有钨(W)灯丝及六硼化镧(LaB6)灯丝两种，它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(work function)能障而逃离。
对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作，以减少材料的挥发，所以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。
7. 价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离 (Thermionization) 式来发射电子，电子能量散布为 2 eV，钨的功函数约为4.5eV，钨灯丝系一直径约100µm，弯曲成V形的细线，操作温度约2700K，电流密度为1.75A/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小，使用寿命约为40~80小时。
8. 六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用LaB6只要在1500K即可达到，而且亮度更高，因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子能量散布为 1 eV，比钨丝要好。
但因LaB6在加热时活性很强，所以必须在较好的真空环境下操作，因此仪器的购置费用较高。
9. 场发射式电子枪则比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度又分别高出 10 - 100 倍，同时电子能量散布仅为 0.2 - 0.3 eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达 1nm 以下。
10. 场发射电子枪可细分成三种:冷场发射式(cold field emission , FE)，热场发射式(thermal field emission ,TF)，及萧基发射式(Schottky emission ,SE)11. 当在真空中的金属表面受到108V/cm大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来，此过程叫做场发射，其原理是高电场使电子的电位障碍产生 Schottky效应，亦即使能障宽度变窄，高度变低，因此电子可直接"穿隧"通过此狭窄能障并离开阴极。
场发射电子系从很尖锐的阴极尖端所发射出来，因此可得极细而又具高电流密度的电子束，其亮度可达热游离电子枪的数百倍，或甚至千倍。
12. 场发射电子枪所选用的阴极材料必需是高强度材料，以能承受高电场所加诸在阴极尖端的高机械应力，钨即因高强度而成为较佳的阴极材料。
场发射枪通常以上下一组阳极来产生吸取电子、聚焦、及加速电子等功能。
利用阳极的特殊外形所产生的静电场，能对电子产生聚焦效果，所以不再需要韦氏罩或栅极。
第一(上)阳极主要是改变场发射的拔出电压(extraction voltage)，以控制针尖场发射的电流强度，而第二(下)阳极主要是决定加速电压，以将电子加速至所需要的能量。
13. 要从极细的钨针尖场发射电子，金属表面必需完全干净，无任何外来材料的原子或分子在其表面，即使只有一个外来原子落在表面亦会降低电子的场发射，所以场发射电子枪必需保持超高真空度，来防止钨阴极表面累积原子。
由于超高真空设备价格极为高昂，所以一般除非需要高分辨率SEM，否则较少采用场发射电子枪。
14. 冷场发射式最大的优点为电子束直径最小，亮度最高，因此影像分辨率最优。
能量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。
为避免针尖被外来气体吸附，而降低场发射电流，并使发射电流不稳定，冷场发射式电子枪必需在10-10 torr的真空度下操作，虽然如此，还是需要定时短暂加热针尖至2500K(此过程叫做flashing)，以去除所吸附的气体原子。
它的另一缺点是发射的总电流最小。
15. 热场发式电子枪是在1800K温度下操作，避免了大部份的气体分子吸附在针尖表面，所以免除了针尖flashing的需要。
热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。
虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大3~5倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。
16. 萧基发射式的操作温度为1800K，它系在钨(100)单晶上镀ZrO覆盖层，ZrO将功函数从纯钨的4.5eV降至2.8eV，而外加高电场更使电位障壁变窄变低，使得电子很容易以热能的方式跳过能障(并非穿隧效应)，逃出针尖表面，所需真空度约10-8~10-9torr。
其发射电流稳定度佳，而且发射的总电流也大。
而其电子能量散布很小，仅稍逊于冷场发射式电子枪。
其电子源直径比冷式大，所以影像分辨率也比冷场发射式稍差一点。
17. 场发射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速电压15kV时，分辨率可达到1nm，加速电压1kV时，分辨率可达到2.2nm。
一般钨丝型的扫描式电子显微镜仪器上的放大倍率可到200000倍，实际操作时，大部份均在20000倍时影像便不清楚了，但如果样品的表面形貌及导电度合适，最大倍率 650000倍是可以达成的。
18. 由于对真空的要求较高，有些仪器在电子枪及磁透镜部份配备了3组离子泵(ion pump)，在样品室中，配置了2组扩散泵(diffusion pump)，在机体外，以1组机械泵负责粗抽，所以有6组大小不同的真空泵来达成超高真空的要求，另外在样品另有以液态氮冷却的冷阱(cold trap)，协助保持样品室的真空度。
19. 平时操作，若要将样品室真空亦保持在10-8pa(10-10torr)，则抽真空的时间将变长而降低仪器的便利性，更增加仪器购置成本，因此一些仪器设计了阶段式真空(step vacuum)，亦即使电子枪、磁透镜及样品室的真空度依序降低，并分成三个部份来读取真空计读数，如此可将样品保持在真空度10-5pa的环境下即可操作。
平时待机或更换样品时，为防止电子枪污染，皆使用真空阀(gun valve)将电子枪及磁透镜部份与样品室隔离，实际观察时再打开使电子束通过而打击到样品。
20. 场发射式电子枪的电子产生率与真空度有密切的关系，其使用寿命也随真空度变差而急剧缩短，因此在样品制备上必须非常注意水气，或固定用的碳胶或银胶是否烤干，以免在观察的过程中，真空陡然变差而影响灯丝寿命，甚至系统当机。
21. 在电子显微镜中须考虑到的像差(aberration)包括:衍射像差(diffraction aberration)、球面像差(spherical aberration)、散光像差(astigmatism)及波长散布像差(即色散像差，chromatic aberration)。
22. 面像差为物镜中主要缺陷，不易校正，因偏离透镜光轴之电子束偏折较大，其成像点较沿轴电子束成像之高斯成像平面(Gauss image plane)距透镜为近。
23. 散光像差由透镜磁场不对称而来，使电子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同点上。
散光像差一般用散光像差补偿器(stigmator)产生与散光像差大小相同、方向相反的像差校正，目前电子显微镜其聚光镜及物镜各有一组散光像差补偿器。
24. 光圈衍射像差(Aperture diffraction):由于电子束通过小光圈电子束产生衍射现象，使用大光圈可以改善。
25. 色散像差(Chromatic aberration):因通过透镜电子束能量差异，使得电子束聚焦后并不在同一点上。
26. 电子束和样品作用体积(interaction volume)，作用体积约有数个微米(μm)深，其深度大过宽度而形状类似梨子。
此形状乃源于弹性和非弹性碰撞的结果。
低原子量的材料，非弹性碰撞较可能，电子较易穿进材料内部，较少向边侧碰撞，而形成梨子的颈部，当穿透的电子丧失能量变成较低能量时，弹性碰撞较可能，结果电子行进方向偏向侧边而形成较大的梨形区域。
27. 在固定电子能量时，作用体积和原子序成反比，乃因弹性碰撞之截面积和原子序成正比，以致电子较易偏离原来途径而不能深入样品。
28. 电子束能量越大，弹性碰撞截面积越小，电子行走路径倾向直线而可深入样品，作用体积变大。
29. 电子束和样品的作用有两类，一为弹性碰撞，几乎没有损失能量，另一为非弹性碰撞，入射电子束会将部份能量传给样品，而产生二次电子、背向散射电子、俄歇电子、X光、长波电磁放射、电子-空位对等。
这些信号可供SEM运用者有二次电子、背向散射电子、X 光、阴极发光、吸收电子及电子束引起电流(EBIC) 等。
30. 二次电子(Secondary Electrons)：电子束和样品作用，可将传导能带(conduction band)的电子击出，此即为二次电子，其能量约 < 50eV。
由于是低能量电子，所以只有在距离样品表面约50~500Å深度范围内所产生之二次电子，才有机会逃离样品表面而被侦测到。