扫描电子显微镜技术原理及应用

扫描电子显微镜技术原理及应用

学院：材料学院

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扫描电子显微镜技术原理及应用

摘要：本文阐述了扫描电子显微镜的成像原理,介绍了其功能和特点，以及在材料分析之中的应用。

关键词：扫描电子显微镜；应用；材料分析

引言：扫描电子显微镜是很先进的一种电子光学仪器，它采用细聚焦高压电子束在材料样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像，类似于电视摄影的显像方式，放大倍数远远超过普通光学显微镜，可达到几十万倍甚至更高。

一．扫描电子显微镜的成像原理

扫描电镜成像过程与电视成像过程有很多相似之处，扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程。它与电视一样是由控制电子束偏转的电子系统来完成的，只是在结构和部件上稍有差异而已。在电子扫描中，把电子束从左到右方向的扫描运动叫做行扫描或称作水平扫描，把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。

SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

由电子枪发射的高能电子束，经会聚透镜、物镜缩小和聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。由于二次电子收集极的作用，可将各个方向发射的二级电子汇集起来，再将加速极加速射到闪烁体上，转变成光信号，经过光导管到达光电倍增管，使光信号再转变成电信号。这个电信号又经视频放大器放大并将其输送至显像管的栅极，调制显像管的亮度。因而，在荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。

二．扫描电子显微镜的应用

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，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断裂部位进行连续、系统的观察分析，扫描电子显微断口图像因真实、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。

由于扫描电镜可用多种物理信号对材料样品进行综合分析, 并具有可以直接观察较大

试样、放大倍数范围宽和景深大等特点, 因此, 在科研、工业产品开发、质量管理及生产在

线检查方面发挥着重要的作用。以下从三方面介绍扫描电子显微镜在工程材料领域中的主要用途。

1.材料分析中的应用

实际生产和使用中的种种复杂原因, 零件断裂损坏的现象仍然不断发生, 极大地影响了生产的顺利进行和使用的安全, 甚至造成灾难性事故。为了提高产品质量、保证使用安全, 避免灾难性事故重演, 人们常常借助扫描电镜分析断口的破坏特征、零件内部的结构及缺陷, 从而判断零件损坏的原因。

工程中使用损坏的零件断口清洗后，导电样品可直接进行观察；不导电样品(在真空喷涂仪中沉积碳、金、银等抗腐蚀和二次电子丰富的元素，保证样品具有较好的导电性,，以

防图像畸变。

显微组织及纳米材料方面，扫描电子显微镜也有着很广泛的应用。纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。现在可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的颗粒。

由于纳米材料表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用, 十分活泼, 所以使用纳米金属颗粒粉作催化剂, 可加快化学反应过程。纳米材料的应用非常广泛, 比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点, 但又具有脆性和难以加工等缺点, 纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性, 改善脆性。复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料; 金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒, 可制

成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。

纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分，可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒”。纳米材料的应用非常广泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，纳米陶瓷在一定的程度上也可增加韧性、改善脆性等，新型陶瓷纳米材料如纳米称、纳米天平等亦是重要的应用领域。纳米材料的一切独特性主要源于它的纳米尺寸，因此必须首先确切地知道其尺寸，否则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。纵观当今国内外的研究状况和最新成果,该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等技术，但高分辨率的扫描电子显微镜在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势被大量采用。另外如果将扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜结合起来，还可使普通的扫描电子显微镜升级改造为超高分辨率的扫

描电子显微镜。

纳米材料的一切独特性能主要源于它的超微尺寸, 因此必须首先切确地知道其尺寸, 否

则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。目前该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等技术，但高分辨率的扫描电镜在纳米级别材

料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势,，也被大量采用。

2.在其他领域的应用

电子显微镜还应用在很多的领域。例如医学领域，可以对细菌，病毒处理后进行扫描电镜观察其结构，进而找到克制的药物或治疗手段。

三．发展前景

目前扫描电子显微镜的最主要组合分析功能有:X射线显微分析系统（即能谱仪,EDS），主要用于元素的定性和定量分析，并可分析样品微区的化学成分等信息；电子背散射系统（即结晶学分析系统），主要用于晶体和矿物的研究。随着现代技术的发展，其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现，例如显微热台和冷台系统，主要用于观察和分析材料在加热和冷冻过程中微观结构上的变化；拉伸台系统，主要用于观察和分析材料在受力过程中所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜与其他设备组合而具有的新型分析功能为新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。

参考文献：

[1] 陈世朴. 金属电子显微分析[ M] . 北京: 机械工业出版社, 1982.

[2]张志琨, 崔作林. 纳米技术与纳米材料[ M] . 北京: 国防工业出版社, 2000.