金属材料扫描电镜观察及分析.ppt
扫描电镜的结构及典型试样形貌观察
扫描电镜的结构及典型试样形貌观察扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是目前应用最广泛的一种表面形貌观察技术。
通过SEM，可以对各种材料的形貌进行高分辨率、高对比度的观察和分析，从而更全面地了解材料的微观结构和性质。
SEM的主要组成部分包括电子枪、电子束轨迹控制系统、光学系统、样品舞台、探测器和显示器等。
SEM的电子枪是形成电子束的核心部件。
它由一个发射体（一般是热阴极）和一个聚焦体组成，通过电子发射和电子束聚焦的机制，将电子束聚焦到非常小的尺寸，以实现高分辨率的成像。
光学系统主要包括扫描线圈和扫描电镜柱。
扫描线圈控制电子束在样品表面扫描运动，而扫描电镜柱则控制电子束的出射角度和位置，以保证电子束能够有效地扫描样品表面，并将所得到的信号转换为图像。
样品舞台是用来固定和定位样品的平台。
在样品舞台上，可以放置不同类型的试样，如金属、陶瓷、生物样品等。
通常，样品需要通过真空冷冻干燥、蒸镀金或碳等处理方式来提高电子束的穿透性和对比度。
探测器是SEM中的重要部件，用于检测从样品表面发射的信号。
常用的探测器有二次电子检测器（SE）和反射电子检测器（BSE）。
二次电子是由于电子束与样品交互作用所产生的，用于观察表面的形貌和纹理。
反射电子则是通过烧蚀物质等特殊技术，将电子束与样品发生散射后的反向电子进行探测，用于观察样品的组织结构和化学成分。
SEM对各种尺度的试样形貌观察具有广泛的应用。
下面以几种典型的试样形貌观察为例进行介绍：1.金属材料的表面形貌观察：SEM可以观察到金属表面的晶粒形貌、晶界、裂纹、孔洞等细微结构，从而分析金属材料的晶体生长、晶界迁移和应力等性质。
2.生物样品的形貌观察：通过SEM可以观察到生物样品的细胞形态、纤维结构、细菌和病毒等微观结构。
这对研究生物学、医学和食品科学等领域具有重要意义。
3.矿石和岩石的形貌观察：SEM可以观察到矿石和岩石的晶体形貌、矿物颗粒的形态和分布等特征，从而分析其成因和性质。
扫描电镜实验报告
扫描电镜实验报告扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种应用广泛的高分辨率显微镜，能够对样品进行表面形貌和微观结构的观测和分析。
本实验旨在通过扫描电镜对不同样品的表面形貌和微观结构进行观察和分析，从而加深对扫描电镜原理和应用的理解。
首先，我们准备了几种不同的样品，包括金属材料、植物组织和昆虫外骨骼等。
在实验过程中，我们首先对样品进行了表面处理，包括金属样品的金属镀膜处理、植物组织的冷冻干燥处理以及昆虫外骨骼的金属喷镀处理，以保证样品在扫描电镜下的观察效果。
接下来，我们将样品放置在扫描电镜的样品台上，并调整好合适的观察条件。
在观察过程中，我们发现扫描电镜能够清晰地显示样品的表面形貌和微观结构，包括金属样品的晶粒结构、植物组织的细胞结构以及昆虫外骨骼的纹理结构等。
通过对这些结构的观察和分析，我们不仅可以直观地了解样品的表面特征，还可以深入地研究样品的微观结构和性质。
在实验中，我们还发现扫描电镜具有较高的分辨率和深度信息，能够对样品进行三维观察和分析。
通过调整扫描电镜的工作参数，我们成功地获得了不同角度和深度的样品图像，进一步揭示了样品的微观结构和表面形貌。
这为我们深入理解样品的微观特征提供了重要的信息和依据。
总的来说，通过本次实验，我们深入了解了扫描电镜的原理和应用，掌握了样品的表面形貌和微观结构的观察方法，提高了对样品性质和特征的认识。
扫描电镜作为一种重要的分析工具，将在材料科学、生物学、医学等领域发挥重要作用，为科学研究和工程应用提供有力支持。
通过本次实验，我们不仅提高了对扫描电镜的认识，还对不同样品的表面形貌和微观结构有了更深入的理解。
扫描电镜的高分辨率和深度信息为我们提供了更多的观察和分析角度，有助于我们更全面地认识样品的特性和性能。
希望通过今后的实践和研究，能够更好地利用扫描电镜这一强大的工具，为科学研究和工程应用做出更多的贡献。
扫描电镜的结构原理及图像衬度观察.
实验四扫描电镜的结构原理及图像衬度观察一实验目的1 结合扫描电镜实物，介绍其基本结构和工作原理，加深对扫描电镜结构及原理的了解。
2选用合适的样品，通过对表面形貌衬度和原子序数衬度的观察，了解扫描电镜图像衬度原理及其应用。
3 利用二次电子像对断口形貌进行观察。
二实验原理1 扫描电镜基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号．这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号．最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像大体感强、放大倍数范围大连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
图4-1为扫描电镜结构原理方框图。
扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1—30kV、实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。
扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内，（几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。
扫描电镜镜的光光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束．作为使样品产生各种物理信号的激发源。
扫描电镜最常使用的是二电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。
图4-1 扫描电镜结构原理方框图扫描电镜的基本结构可分为六大部分，电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统。
这一部分的实验内容可参照教材（材料分析方法），并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。
主要介绍两种扫描电镜Quanta环境扫描电子显微镜和场发射扫描电镜。
2表面形貌衬度原理及应用二次电子信号主要用于分析样品的表面形貌。
二次电子只能从样品表面层5—10nm 深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm时，虽然入射电子也能使核外电子脱离原子而变成自由电子，但因其能量较低以及平均自由程较短，不能逸出样品表面，最终只能被样品吸收。
金属材料检测,扫描电镜SEM测试
金属材料检测，扫描电镜SEM测试扫描电子显微镜(SEM)是一种用于高分辨率微区形貌分析的大型精密仪器，它是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。
目前，扫描电镜已被广泛应用于生命科学、物理学、化学、司法、地球科学、材料学以及工业生产等领域的微观研究。
金属材料检测中SEM主要应用金属及其合金的性能是由微观组织、化学成分和晶体结构来决定的，连续可调的放大倍数等特点使得扫描电镜在断口形貌，微区形貌及定性定量分析，失效分析等方面有着重要作用。
1、微观组织观察光学显微镜可以用来观察常规组织，整体上看到两种或几种相的分配比例，但是由于其放大倍数有限（一般最大放大倍数2000倍），很多组织中的片层结构、针状结构、第二相、共晶体等很难清楚的观测到。
扫描电镜利用其放大倍数大且连续可调的特点，实现了宏观形貌与显微组织同时观测的目的。
2、断口形貌观察景深大的特点使扫描电镜在分析常规实验断口、现场失效断口等方面获得了很好的应用，断口试样无需破坏，无需制样，放入样品仓可直接观察，这些都是光学显微镜、透射电镜等检测仪器所不能比拟的。
首先，宏观观察失效断口，判断断裂源区及裂纹扩展方向；其次利用扫描电镜微观判定断裂源区及扩展区的断裂类型，最后结合失效件的原始情况、生产工艺、用户处理及使用情况、化学成分、金相检测、力学性能检测等得出结论。
扫描电镜具有什么特点？扫描电子显微镜具有景深大、分辨率高、成像直观、立体感强、放大倍数范围宽以及待测样品可在三维空间内进行旋转和倾斜等特点。
另外，扫描电镜具有可测样品种类丰富，几乎不损伤和污染原始样品以及可同时获得形貌、结构、成分和结晶学信息等优点。
扫描电镜可应用在哪些地方？1、金属、陶瓷、矿物、水泥、半导体、纸张、塑料、食品、农作物和化工产品的显微形貌、晶体结构和相组织的观察与分析。
2、各种材料微区化学成分的定量检测。
3、粉末、微粒、纳米样品形态观察和粒度测定。
4、机械零件与工业产品的失效分析。
扫描电镜在金属材料检测中的应用
扫描电镜在金属材料检测中的应用
扫描电镜在金属材料检测中有广泛的应用。
它可以提供高分辨率的显
微镜图像和表面形貌分析，以及相关的元素分析和晶体结构分析。
以下是
扫描电镜在金属材料检测中的几个主要应用：
1.表面缺陷分析：扫描电镜可以检测金属材料表面的微小缺陷和裂纹，以帮助了解表面破坏的机制和处理方法。
2.颗粒分析：扫描电镜可以用于确定金属材料中粒子的形态、大小、
分布和成分，以评估其性能和质量。
3.材料组织分析：扫描电镜可以检测金属材料的晶粒尺寸、晶界、位
错和相分布，以帮助了解材料的性能和制备方法。
4.化学成分分析：扫描电镜可以用于确定金属材料中元素的分布和含量，提供有关材料组成的信息。
总之，扫描电镜在金属材料检测中是一种非常有用的工具，可以提供
有关材料性能和结构的详细信息，帮助制定改进和优化的制备和加工方法。
金属材料失效分析案例PPT
2。2 断口微观检查
断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（10倍）观察， 发现有典型的疲劳断裂特征，即有三个区域组成：疲劳源，疲 劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤维 区，其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图2为疲劳源 和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到贝壳状条纹，这是疲劳 断裂典型特征。进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段 （见图3、4），这些线段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳 定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。此外，还能观察到裂纹的 存在，且从源区向心部发展。在疲劳裂纹扩展区，则能观察到 颗粒状脆性断裂特征（见图5）。断口开裂以穿晶断裂为主，无 沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌。这 说明快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂。
案例 漳平电厂1号机叶片断裂失效分析
1、背景 2 检查、试验
2.1宏观检查 2.2 断口微观检查 2．3化学成分 2．4硬度测试 2．5 冲击试验 2．6 金相检ห้องสมุดไป่ตู้ 3 分析 4 结论
1、背景 漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽 式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月 大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一 个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修
金属材料的显微组织观察
金属材料的显微组织观察xx年xx月xx日CATALOGUE目录•显微组织观察的基本概念•金相学的基本原理•金属材料的显微组织•金属材料显微组织的观察方法•金属材料显微组织的分析技术•金属材料显微组织观察的实践应用01显微组织观察的基本概念显微组织观察是指通过光学显微镜、扫描电子显微镜等设备，观察金属材料的微观组织形貌、结构、相组成等特征的过程。
定义显微组织观察是金属材料研究和质量控制中的重要手段，通过对微观组织的观察和分析，可以揭示材料的力学性能、耐腐蚀性能、加工性能等性质的内在机制，指导材料设计和优化。
重要性定义与重要性显微组织观察的方法利用光学显微镜的透射、反射和偏振等原理，观察金属材料的微观组织形貌、晶粒大小、相组成等。
光学显微镜观察扫描电子显微镜观察能谱分析电子探针分析利用扫描电子显微镜的高分辨率和高倍率特点，观察金属材料的表面形貌、晶界结构、相分布等。
结合扫描电子显微镜，通过能谱仪对金属材料微区进行元素分析，确定材料的化学成分和相组成。
利用电子探针的聚焦电子束对金属材料微区进行成分和结构分析，揭示材料的原子结构和化学键信息。
显微组织观察的应用通过显微组织观察，对金属材料进行分类、鉴别和牌号识别，为材料应用提供基础数据。
材料鉴定与分类对金属材料的失效进行分析，揭示失效原因和机理，提出改进措施，提高材料性能和可靠性。
失效分析通过对制备工艺与显微组织的关系研究，优化工艺条件，控制材料质量，提高生产效率。
工艺优化与控制通过显微组织观察，研究新型金属材料的微观结构与性能关系，指导新材料的设计和研发。
新材料研发02金相学的基本原理1金相学的基本概念23金相学是研究金属和合金的化学组成、显微组织、制备工艺与性能之间关系的科学。
金相学定义金属是元素或单质，而合金是由两种或两种以上的金属或非金属元素组成的混合物。
金属与合金的差异显微组织是指借助显微镜观察到的金属和合金的内部结构，包括晶粒大小、形态，相的分布，以及缺陷等。
扫描电镜-
电子枪的结构
1.阴极:钨丝等 2.栅极:威尔罩 3.阳极
电子枪的工作原理
工作原理:
当灯丝中通以加热电流, 钨丝阴极呈白热状态时, 便发射电子。在阳极加 速电压的作用下，电子 穿过阳极小孔射向荧光 屏出现亮点。栅极加电 压用来控制电子束大小， 改变荧光屏亮度。调节 偏转线圈中电流大小， 可改变磁场强弱，使荧 光屏得到最小的聚焦电 子束斑点。电子束在横 向交变电磁场作用下， 可在荧光屏上来回扫描。
光镜、TEM和SEM的成像原理
扫描电镜的优点
分辨率高
现代最先进的扫描电镜的分辨率已经达到0.5nm左右，钨灯丝扫描电 镜的分辨率一般在3nm左右。
A B C
200nm
500nm
500nm
D
E
0.4n m
D
F
扫描电镜的优点
试样制备简单 跨尺度分析工具
放大倍数连续可调，最低可到4～5倍，有效放大倍数最高可达20-40万倍 （钨灯丝4~10万倍）。
种电磁波辐射。 产生范围：试样的5000Ǻ～5um。
六、俄歇电子
定义：如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来
的能量Δ E不以X射线的形式释放，而是用该
能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二
次电子，这种二次电子叫俄歇电子。
能量：50～1500eV
应用：俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。
内容提要
扫描电镜的基本原理
比较 类别
定义
能量变化
能量大小
方向
数量
弹性背反 被样品中原子 数千到数万 散射角大 于90°， 射电子 核反弹回来的 基本上不 电子伏 入射电子 方向变化 变 入射电子和核 非弹性背 外电子撞击经 反射电子 多次散射后反 弹出样品表面 变化 数十到数千 方向变 电子伏 化
扫描电镜分析
1.1扫描电子显微镜电子光学原理1.1.1瑞利公式利用光学显微系统将细节放大，满足人眼分辨率可以接受的程度，最大分辨率可达到200nm(放大倍数1000倍)。
根据瑞利公式：Δr0=0.61λ/(Nsinα)其中：Δr0为辨率；λ为光源的波长；N为介质的折射率；α为孔径半角，即透镜对物点的张角的一半；N sinα称为数值孔径，常用N.A表示。
根据瑞利公式，提高分辩率的途径有：(1)增大数值孔径(N sinα)，即增大介质折射率N和数值孔径α；(2)减小照明光源波长λ。
在以空气为介质的情况下，光学透镜系统的N.A<1，采用油侵透镜，N.A max=1.35。
因此得：Δrmin=λ／2。
所以提高显微镜分辨率的根本途径是寻求一种波长更短的光源[2]！既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展，人们自然会想到：要想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应该更换波长更短的光源。
随着人们对电磁波的认识，人们了解到：在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米，使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。
1.1.2扫描电镜成像图为扫描电镜原理示意图，由电子枪发射的电子束，经会聚镜、物镜缩小、聚焦，在样品表面形成一定能量和斑点直径的电子束。
在扫描线圈磁场作用下，作用在样品表面上的电子束将按一定时间、空间顺序作光栅或扫描。
电子束从样品中激发的二次电子，由二次电子收集器收集、由加速极加速至闪烁体转变成光信号，此信号经光导管到达光电倍增管再转变成电信号。
该电信号由视频放大器放大，输送到显像管栅极，调制显像管亮度，使之在屏幕上呈现亮暗程度不同的反映表面起伏(形貌)的二次电子像。
由于电子束在样品表面上扫描和显像管中电子束在荧光屏上扫描由同一扫描电路控制，保证了它们之间完全同步，即保证了“物点”和“像点”在时间和空间上的一一对应。
一般称一个像点为一个“图像单元”、一幅扫描图像近100万个图像单元。
正因为如此，才使得SEM不仅显示一般形貌，而且还能将样品局部化学元素、光、电和磁等性质差异以二维图像形式显示出来。
国家标准《金属复合材料覆层厚度的扫描电镜测定方法》-编制说明(预审稿).doc
贵金属复合材料覆层厚度的扫描电镜测定方法（GB/T XXXXX-XXXX）编制说明贵金属复合材料覆层厚度的扫描电镜测定方法（GB/T XXXXX-XXXX）编制说明一、工作简况1.项目概述：通过各种复合技术（电镀，固相复合，化学气相沉积等）制备出的贵金属复合材料不仅性能优良，而且大量的减少了贵金属用量，有效的降低了材料的成本，是未来贵金属材料发展的重要趋势。
近年来贵金属复合材料呈现出器件小型化覆层超薄化的趋势，尤其许多用于军工的高性能产品其覆层厚度不足1μm，在民用方面纳米级覆层、多层覆层的复合材料产品也大量出现。
目前国内有相关标准：GB/T11250.1-89《复合金属覆层厚度的测定——金相法》，该方法由于受可见光分辨率限制已经无法测量亚微米级的覆层，GB/T17722-1999《金覆盖层厚度的扫描电镜测定方法》[1]该标准的覆层厚度测定范围为（0.2~10）μm无法测定厚度低于200nm的覆层厚度，且该标准的截面制备方法无法获得超薄覆层的良好截面导致覆层的测量难以进行，贵金属复合材料行业急需一种新的标准方法来对目前的产品进行有效检验。
近年来随着新技术的出现给以上问题带来了很好的解决方法。
聚焦离子束（Focused Ion Beam，FIB）[2]技术就是一种革命性的技术，在扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）上可集成聚焦离子束系统，并结合气体注入系统（Gas Injection System，GIS）[2]就能够对贵金属复合材料的超薄覆层进行原位的制备与测量。
该标准的主要内容就在于使用聚焦离子束（FIB）来制备超薄贵金属覆层并对其进行测量，但由于贵金属复合材料的覆层厚度种类丰富，不同产品覆层厚度差异大，且由于聚焦离子束不适宜制备较厚的覆层，为了保证该标准的适用范围，标准中依然保留了传统的镶嵌制样方法。
2.任务来源：贵研铂业股份有限公司2016年向上级主管部门提出制定贵金属复合材料覆层厚度的扫描电镜测定方法标准制定计划书。
扫描电镜实验报告
扫描电镜实验报告一、背景介绍扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用于观察材料表面形貌的高分辨率显微镜。
与光学显微镜不同，SEM使用电子束来对样品进行扫描，从而获得样品表面的高清晰度图像。
本文将对扫描电镜实验进行详细描述和分析。
二、实验目的本次实验的目的是研究和观察不同样品的表面形貌及其微观结构。
通过使用扫描电镜，我们可以进一步了解材料的性质和特征，并为后续的研究工作提供有力的支持。
三、实验步骤1. 样品制备：将待观察的样品进行必要的处理，例如切割、研磨、涂覆导电剂等，以保证样品的表面光滑且导电性良好。
2. 装备样品：将处理完成的样品放置在SEM样品台上，固定好并调整角度，确保样品表面垂直于电子束的入射方向。
3. 调整参数：根据不同样品的特性和需求，调整加速电压、放大倍数、探头电流等参数，以获得最佳的图像质量。
4. 扫描观察：打开SEM仪器，开始对样品进行扫描观察。
电子束在样品表面扫描时，与样品表面相互作用，产生二次电子信号，这些信号被探测器接收并转换成图像。
四、实验结果与分析在本次实验中，我们观察了不同样品的表面结构，并获得了一系列高分辨率的SEM图像。
以一块常见的金属材料——铝为例，通过SEM观察，我们可以清晰地看到铝表面的微观结构。
观察结果显示，铝表面呈现出许多沟槽和凸起的特征，这些特征是铝晶粒的显著标记。
SEM图像还揭示了铝表面的晶粒大小和分布情况，有助于我们进一步研究金属的力学性质和形变行为。
同样，我们还观察了纳米颗粒的表面形貌。
SEM图像显示，纳米颗粒具有较大的表面积和丰富的形态结构，这使得纳米颗粒在催化剂、材料科学等领域有着广泛的应用价值。
通过SEM观察，我们可以研究纳米颗粒的大小分布、形状特征以及粒子间的相互作用，为相关研究提供了重要的依据。
五、实验的意义与应用前景扫描电镜作为一种重要的表征工具，在材料科学、生物学、纳米技术等领域具有广泛的应用和重要意义。
扫描电镜在金属材料检测中的应用
扫描电镜在金属材料检测中的应用加工工艺进步，金属材料制造技术几乎每天都在不断进步，有效保证了金属材料的卓越性能。
然而，在质量检测方面，由于过程控制和材料损伤的不可避免，出现了许多问题。
为了解决这些问题，金属材料行业开始考虑使用扫描电镜（SEM）在金属材料检测中的应用。
扫描电镜可以提供高精度的影像，使操作者可以清楚地观察到缺陷的位置，准确诊断缺陷的大小及其类型。
此外，扫描电镜还可以提供多种不同的采样技术，例如原子力显微镜（AFM）、电子能谱（ES）和X射线（XRD），使分析可以从化学、物理和机械方面进行。
金属材料行业使用扫描电镜（SEM）的益处是显而易见的，它可以帮助解决表面缺陷检测和内部缺陷检测，从而改善产品质量管理和制造流程控制。
在表面缺陷检测方面，扫描电镜可以提供非常高精度的成像，可以用于检测微小缺陷，有效抑制任何可能显示在表面的材料缺陷。
扫描电镜可以帮助在金属表面上识别微量的缺陷，从而有利于质量管理。
此外，由于扫描电镜（SEM）可以提供出色的成像，因此可以用于检测金属材料内部缺陷。
通过扫描电镜，我们可以清楚地看到金属材料内部缺陷的位置、形状和大小，这有助于快速准确地诊断问题，从而避免任何可能导致缺陷发展的潜在风险。
另外，扫描电镜还可以用于产品复原，以实现金属材料的准确测量。
通过基于图像的自动测量，可以在几分钟内识别出复杂的被测材料的尺寸和形状，这有助于准确测量金属材料，以确保其质量和可靠性。
最后，扫描电镜可以帮助金属材料行业更加有效地利用生产资源，降低制造成本。
它可以帮助企业更好地控制和检测产品质量，从而提高可靠性，降低损失，减少制造成本。
总之，扫描电镜（SEM）为金属材料行业提供了一种快速准确、高效灵活的技术，有助于更好地控制产品质量，提高质量，降低制造成本，同时提供可靠的制造流程控制解决方案。
因此，扫描电镜在金属材料的检测、分析和测量中的应用受到了金属材料行业的广泛欢迎。
扫描电子显微镜讲稿,配套PPT
了光子，发明扫描电子显微镜，“照”出了微观物质的相。
Q1:为什么电子束能当光源？1、仪器构造及原理扫描电子显微镜主要由电子光学系统、信号收集、检测系统、真空系统组成。
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、物镜光阑、扫描线圈、信号探测器组成。
蔡司Gemini500选用热场发射式电子枪，一般选用钨或六硼化镧作为灯丝，一旦通电加热，无数电子从灯丝表面发射出来，热场发射式电子枪对真空要求较小，但灯丝的寿命有限，需要经常更换；电磁透镜具有汇聚电子束作用，将发射出几十微米的电流汇聚为1nm的电子束；物镜光阑主要用来控制束流，光阑孔径在操作界面可选择，从而调节景深；最后极细的电子束到达扫描线圈，扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描方向以及速度，使电子束进行栅网式扫描，最后电子束与样品表面原子发生碰撞而产生一系列的物理效应，如图3所示产生背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、X射线等，通过信号探测器对这些信息的接受、放大，获得测试样品表面形貌、组成和结构的丰富信息。
Q2:为什么不能测试强磁性的样品？磁性样品可能会改变电子束的汇聚方向而离开样品台，打在透镜上，轻则有可能影响未来设备的成像效果（电子束无法很好聚焦），重则可能打坏透镜。
Q3：扫描电镜为什么在真空环境中工作？电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，空气会使电子束变型，影响成像分辨率。
高能电子与样品作用能获得哪些物理信号？高速运动的电子束轰击样品表面，电子与元素的原子核及外层电子发生单次或多次弹性与非弹性碰撞，有一些电子被反射出样品的表面，其余的渗入样品中，逐渐失去其动能，最后被阻止，并被样品吸收。
在此过程中有99％以上的入射电子能量转变成热能，只有约1％的入射电子能量从样品中激发出各种信号。
今天我们主要来学习背散射电子、二次电子、x射线的产生机理以及应用。
这三个物理信号所产生的作用深度不同，二次电子产生在样品表面5-10nm处，背散射电子产生在样品几十到100nm处，特征X射线则产生在样品表面微米范围处。
扫描电镜SEM简介-PPT版
透射电子
适合作表层轻元素成分分析。
电子束与固体的相互作用
其它信息
入射电子进人样品后，经多次 非弹性散射能量损失殆尽,最后 被样品吸收，即吸收电子。
入射高压电子束
如果被分析的样品很薄．那么 俄歇电子
背散射电子
就会有一部分入射电子穿过薄
样品而成为透射电子。
阴极荧光
二次电子 X射线
半导体样品在入射电子的照射 下，产生电子-空穴对。当电子
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。
电子束与固体的相互作用
二次电子
二次电子是指在入射电子束作用下 被轰击出来并离开样品表面的样品
的核外层电子。
二次电子的能量较低，一般都不超 过50 ev。大多数二次电子只带有几 个电子伏的能量。
入射高压电子束
俄歇电子
电子束与固体的相互作用
SEM的工作原理
电子枪发射电子束（直径50m）。 电压加速、磁透镜系统会聚，形成直径约为5nm的电子束。 电子束在偏转线圈的作用下，在样品表面作光栅状扫描，
激发多种电子信号。 探测器收集信号电子，经过放大、转换，在显示系统上成
像（扫描电子像）。 二次电子的图像信号“动态”地形成三维图像。 扫描电镜图像的放大倍数定义为：
M=L/l L显象管的荧光屏尺寸；l电子束在试样上扫描距离 “光栅扫描，逐点成像”
SEM的结构与工作原理
SEM的主要结构
SEM的结构与工作原理
随着信号的有效作用深度增加，作 用区的范围增加，信号产生的空间 范围也增加，这对于信号的空间分 辨率是不利的。
各种信号的空间分辨率
二次电子：5~10nm =>形貌分析
背散射电子：50~200nm
实验5 扫描电镜及其观察
实验5扫描电镜及其观察一、实验目的和任务1 .了解扫描电镜的基本结构和原理2 .了解扫描电镜试样的制备方法3 .了解二次电子象，被散射电子像和吸收电子像观察记录操作的全过程机及其在形貌组织观察中的应用二、扫描电镜的构造扫描电镜是由电子枪发射并经过聚焦的电子束在样品表面扫描，激发样品产生各种物理信号，经过检测、视频放大和信号处理，在荧光屏上获得能反映样品表面各种特征的扫描图像。
扫描电镜由下列五部分组成，如图1(a )所示。
各部分主要作用简介如下：b )图1扫描电子显微镜构造示意图1. 电子光学系统a ) 第嗥比镜I 備转挾圍、F 偏转珏隆它由电子枪、电磁透镜、光阑、样品室等部件组成，如图1(b)所示。
为了获得较高的信号强度和扫描像，由电子枪发射的扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。
常用的电子枪有三种形式：普通热阴极三极电子枪、六硼化镧阴极电子枪和场发射电子枪，其性能如表1所示。
前两种属于热发射电子枪，后一种则属于冷发射电子枪，也叫场发射电子枪。
由表可以看出场发射电子枪的亮度最高、电子源直径最小，是高分辨本领扫描电镜的理想电子源。
电磁透镜的功能是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，因照射到样品上的电子束斑越小，其分辨率就越高。
扫描电镜通常有三个磁透镜，前两个是强透镜，缩小束斑，第三个透镜是弱透镜，焦距长，便于在样品室和聚光镜之间装入各种信号探测器。
为了降低电子束的发散程度，每级磁透镜都装有光阑；为了消除像散，装有消像散器。
2.扫描系统扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管电子束在荧光屏上的同步扫描信号。
3.信号检测、放大系统样品在入射电子作用下会产生各种物理信号、有二次电子、背散射电子、特征X射线、阴极荧光和透射电子。
不同的物理信号要用不同类型的检测系统。
它大致可分为三大类，即电子检测器、阴极荧光检测器和X射线检测器。
4.真空系统镜筒和样品室处于高真空下，一般不得高于1x10-2Pa,它由机械泵和分子涡轮泵来实现。
扫描电镜的使用演示 (2)
扫描电镜的使用演示一、实验目的1）了解扫描电镜基本结构和工作原理。
2）通过对表面形貌衬度和原子序数衬度的观察，了解扫描电镜图像衬底原理及其应用。
二、扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。
扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。
扫描电镜所需的加速电压一般在1〜30kV，常用的加速电压〜20kV左右。
图像放大倍数在一定范围内（几十倍到几十万倍）可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。
扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。
扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。
三、扫描电镜图像衬度观察1．样品制备扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。
但在有些情况下需对样品进行必要的处理。
1）样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂（乙醇或丙酮）在超声波清洗器中清洗。
2）样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。
清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。
3）对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm为宜。
2．表面形貌衬度观察二次电子信号来自于样品表面层5〜10nm,信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。
因此，二次电子像适合于显示表面形貌衬度。
二次电子像的分辨率较高，一般约在3〜6nm。
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2019-9-5
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实验目的
了解扫描电子显微镜的基本工作原理； 了解扫描电子显微镜的基本操作； 对扫描电子显微镜照片能作基本分析。
2019-9-5
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实验原理
在结构研究中，大量的样品需要在高放大倍数、更多细节的水平上进 行观察和分析。同时，随着样品种类的不断增多（如：低原子序数材料， 不导电材料等），需要扫描电子显微镜提供优异的低加速电压性能，以获 得高质量的真实表面图像。SEM －6460 扫描电子显微镜就是根据这一 要求而设计的。它还提供了低加速电压的背散射电子图象，同时安装了能 谱仪器仪系统，可对材料进行形貌观察、能量散射X 射线分析和二元合金 组成的背散射电子图像分析，其最新应用还包括：计量分析、立体观察、 图像分析与处理、半导体结晶学和缺陷探测等。
置 2 ）取出样品，再sample 窗口中击EVAC 抽真空 3 ）关闭SEM 程序，关计算机，将主机开关旋至off 4 ）关循环水电源
2019-9-5
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五、实验内容 1 、根据扫描电镜原理，了解各部分的功能用途； 2 、根据操作步骤，了解每步操作的的目的和控制的部位： 3 、在教师的指导下进行扫描电镜的基本操作； 4 、对扫描电镜的照片作基本分析。 六、注意事项 1 、扫描电镜既是昂贵的大型精密仪器，又是高压电器，必须注意人
2019-9-5
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扫描电子显微镜组成
扫描电子显微镜主要由 两部分组成：电子光学系统 和信号检测系统。
（一）电子光学系统 电子光学系统根据电子
的波粒二重性，把电子当作 一种波来处理，把发射的电 子流作为一种光源，利用运 动电子在电磁场在会发生偏 转的原理，制成晓以电磁透 镜来控制光路，把电子束会 聚或发散，制成扫描电子显 微镜。扫描电子显微镜的电 子光路及对应的镜筒装置如 右图。
2019-9-5
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扫描电子显微镜组成
电子光学系统的基本组成有：由电子枪、电磁聚光镜、物镜、样品台、 真空系统。
电子枪。电子枪是发射电子的电子源，通常是钨灯丝或六硼化斓灯丝。在高 温加热时，其表层电子活跃，很容易被外加的强电场拉走，飞逸出灯丝表面 而形成电子束流。
聚光镜。电子枪发射的电子流是发散的，必须把它们收集汇聚才能作为一束 光来使用。一般电镜至少有一级聚光镜。电磁透镜实质上是一组线圈，绕在 软铁芯上。通电后产生环形磁场，控制电子的偏转运动，使之会聚或发散。 软铁芯的中心轴孔部分称作极靴，其加工精度将直接影响透镜的球差和像散， 是电镜中最精密的部分。偏移系统的作用是使电子束产生横向偏移，包括用 于形成光栅状扫描的扫描系统，以及使样品上的电子束间断性消隐或截断的 偏转系统。偏转系统可以采用横向静电场，也可采用横向磁场。物镜。物镜 是最靠近样品的透镜，它把电子束会聚成一个非常尖的电子探针，其针尖约 2nm ，在偏转线圈的推动下，此针尖在样品上逐点扫描，从而把样品上的 信息反映出来。
2019-9空-5 气中很快就被氧化烧坏。 谢谢欣赏
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扫描电子显微镜组成
（二）信号检测放大系统 高能电子轰击在样品上，把原子中各层轨道上电子轰出轨道，从
而激发出各种信息，配上适当的探头，便可把这些信息检测出来，经 过系统的放大和处理，便可形成图像和曲线。通常扫描电镜用得最多 的是二次电子探头和X 射线能量谱探头。
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。
样品台。样品台是放置样品的一个机械工作台，可以作x 、y 、z 二个方向 的移动，也可作旋转和倾斜运动。
真空系统。电子必须在高真空条件下才能作线性运动，所以电镜配备有高真
空系统，一般由机械泵和扩散泵二级组成。如真空度不够，一方面电子束在
运动中会碰撞空气分子面产生电离辉光，根本不能形成光路；另方面灯丝在
X 射线能量谱探头。它的功能是完成光一电转换。它的主要元 件是一块硅渗铿半导体，平时保持中性，不带电荷，当样品上 被轰出X 射线光子打在半导体上，便激发产生电子一空穴对， 此电子一空穴对的数量与入射的x 好线光子的能量成正比，大约 每4ev 的能量产生一对电子一空穴对，在半导体的两端分别接 有正负电压，收集这些电子一空穴对的正负电荷，经前置放大 器的放大，形成电脉冲，再经过系统的放大处理，便形成X 射 线光子的能量谱图。
然后关闭仓门 4 ）在sample 窗口中单击EVAC 键抽真空，进stage 窗口，将样品台
移动到合适位置（工作距离为10 ~2O 之间） 5 ）打开高压（通常选择20KV ，导电性差的可适当调低），选择视场，
调焦，适当调节放大倍数和亮度对比度，开始观察 6 ）如需打能谱，则需打开能谱仪电源，进入INCA 程序 2 ．关机步骤 1 ）关高压，进入sample 窗口然后VENT 放气，将样品台移动安全位
不同元素的影响：不同元素外层电子稳定度不一，金属元素外层 电子容易被激发，信号就强，图像就亮；非金属元素原子外层电子 不易被激发，信号就弱，图像就暗。利用此特性，可判别样品中的 夹杂物。
2019-9-5
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实验步骤
1 ．开机步骤 1 ）打开电源（循环水电源、主机电源ON 、计算机电源）, 2 ）双击SEM 图标进入程序，进入sample 窗口，单击VENT 键放气 3 ）将准备好的样品用导电胶粘贴在样品台上，打开样品仓安放样品，
身和设备完全，实验室中严禁乱动乱摸设备。 2 、了解每步操作的目的和控制的部位，在按顺序操作； 3 、操作时要求动作细致准确。201源自-9-5谢谢欣赏10
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2019-9-5
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扫描电子显微镜组成
二次电子探头。它的功能是完成电一光一电转换，主要由栅网， 荧光玻璃和光电倍增管组成。栅网上加有300V 的正电压，以收 集从样品上飞出的二次电子，二次电子穿过栅网后打在荧光玻 璃上，便激发出荧光，此亮度被光电倍增管接收转换成电信号， 输入到前置放大器，再进入系统处理放大，形成计算机显示器 上的亮度信号。
2019-9-5
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扫描电子显微镜组成
（三）扫描电镜图像反差原理
样品表面凹凸的影响：样品表面的凹凸对探头吸收二次 电子有阻挡效应。所以样品上的凸的地方激发的二次电子 能被探头全部接收，信号就 强，图像就亮；面凹的地方 激发的二次电子被四周阻挡， 探头得到的信号弱，反映在 图像上就暗。所以扫描电镜 主要是用于表面形貌观察。