扫描电子显微技术全解
扫描电子显微镜的构造和工作原理
扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过使用聚焦的电子束来替代传统显微镜中使用的光束，从而能够观察到非常小尺寸的物体或细节。
SEM的构造和工作原理如下：构造：1.电子源：SEM使用热电子发射或场致发射的方式产生电子束。
常用的电子源是热丝电子枪，其中一个被称为热阴极的钨丝加热电子产生材料，产生电子束。
2. 电子透镜系统：SEM中有两个电子透镜，分别称为透镜1（即准直透镜）和透镜2（即聚经透镜）。
透镜1和透镜2的作用是使电子束呈现较小的束斑（electron beam spot），从而提高分辨率和放大率。
3. 检测系统：SEM的检测系统包括两个主要部分，即二次电子检测器（Secondary Electron Detector，SED）和回散射电子检测器（Backscattered Electron Detector，BED）。
SED主要用于表面形貌观察，它能够检测到由扫描电子激发的二次电子。
BED则用于分析样品的成分和区分不同物质的特性。
4.微控样品台：SEM中的样品台可以精确调整样品位置，使其与电子束的路径重合，并且可以在不同的方向上转动，以便于观察不同角度的样品。
5.显示和控制系统：SEM使用计算机控制系统来控制电子束的扫描和样品台的移动，并将观察结果显示在计算机屏幕上。
工作原理：1.电子束的生成：SEM中的电子源产生高能电子束。
电子源加热电子发射材料，如钨丝，产生高速电子束。
2.电子透镜系统的聚焦：电子束经过透镜1和透镜2的聚焦，使其呈现出较小的束斑。
3.样品的扫描：样品台上的样品被置于电子束的路径中，并通过微控样品台控制样品的位置和方向。
电子束扫描过样品表面，通过电磁透镜和扫描线圈控制电子束的位置。
4.二次电子和回散射电子的检测：电子束与样品相互作用时，会产生二次电子和回散射电子。
二次电子是由电子束激发样品表面产生的电子，可以用来观察样品的表面形貌。
扫描电子显微镜 1讲解
3．信号检测放大系统
不同的物理信号，要用不同类型的收集系统（探测器）。 二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可采用闪烁
体计数器来进行检测。 闪烁体计数器是由闪烁体、光导管、光电倍增管组成。
具有低噪声、宽频带(10Hz~1MHz)、高增益(106) 等特点 信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子 复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电 倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流 信号经视频放大器放大后就成为调制信号。
主要收集信号是二次电 子（ＳＥ）和背散射电 子（ＢＳＥ）的信号。 (p171)
成像原理：
ebeam
Detector
A 10cm
Amplifier
10cm
A
c-length of CRT scan
x-length of e- beam scan
Beam is scanned over specimen in a raster pattern in synchronization with beam in CRT. Intensity at A on CRT is proportional to signal detected from A on specimen and signal is modulated by amplifier.
T: ~1500oC
Filament
(5-50mm)
E: >10MV/cm
W
W and LaB6(5n来自)Cold- and thermal FEG
（2）电磁透镜（电磁聚光镜）
主要功能：依靠透镜的电 磁场与运动电子的相互作 用将电子枪中交叉斑处形 成的电子源逐渐会聚成为 在样品上扫描的极细的电 子束（电子探针）。
扫描电子显微的技术PPT课件
500~2000 1000~10000 3000~10000 3000~10000
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三、结构原理
• 扫描电镜由电子光学系统、信号接收处理系统、供电 系统、真空系统组成。
• 电子光学系统只有起聚焦作用的会聚透镜，而没有透 射电镜里起放大作用的物镜、中间镜和投影镜。
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三、结构原理
1、仪器分辨本领较高，分辨率可小于5Å。 2、仪器放大倍数变化范围大（一般为10~150000），且连续可
调。 3、观察式样景深大，富有立体感 4、样品制备简单 5、图象质量容易控制
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二、扫描电镜的电子与物质的相互作用
当高能入射电子束轰击样品表面时，由于入射电子束与样品间的相互作用， 有99%以上的入射电子能量转变为电子热能，而余下的1%入射电子能量，将从 样品中激发出各种有用的信息，主要有： • 二次电子：从距样品表面100 Å左右深度范围内激发出来的低能电子
一般情况下,人眼的分辨率为0.1~0.2µm,透射电镜的分辨率为 5~7Å,而扫描电镜二次电子象的分辨率一般为60~100Å。
分辨率高和景深长是扫描电镜的最大特点,可广泛用于断口和侵 蚀样品的表面观察.扫描电镜的景深最大,光学显微镜的景深最小.扫描 电镜的实际分辨率，除与仪器本身有关外，同时还和操作条件、样品 性质、被观察细节的形状以及操作人员的熟练程度等有关。
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五、分辨率和放大倍率
扫描电镜的分辨率有两重意义:对微区成分分析而言, 它是指能分析的最小区域;对成像而言,它是指能分辨两点 之间的最小距离.这两者主要决定于入射束的直径,单并不 直接等于其直径.因为入射束与试样相互作用会使电子束 在样品内的有效激发范围大大超过入射束的直径.
生物大分子的扫描电子显微技术
生物大分子的扫描电子显微技术随着科技不断的进步，科学研究变得越来越深入，人们对于生命机理的研究也愈加深入，发现了很多生命细胞的秘密，其中扫描电子显微技术就是其中一项非常关键的技术。
扫描电子显微技术是目前最常用的分析大分子结构的方法之一，因其在研究高分子物质和生物大分子的结构上，具有很好的解析能力和分辨率，因而被广泛应用于材料科学、生物医学等领域。
一、扫描电子显微技术的基本原理扫描电子显微技术是一种通过电子束与样品表面相互作用产生的信号，以获得图像信息的高分辨率显微技术。
电子束的作用下，样品释放出的次级电子、反射电子等信息得到捕获，然后用反射、散射、吸收等情况来反映样品表面的形貌和构造。
这种技术对于非常细小的生命细胞组织，甚至细胞的亚结构也有非常好的观测效果。
通过将电子束扫描于样品表面，获取大量的反射电子后由计算机对其数据进行处理，能够得到高清晰度、高对比度、三维信息可观测、定量化和准确的图像。
二、扫描电子显微技术的应用1、生物医学在生物医学领域，扫描电子显微技术被广泛应用于生物样本的观察。
在生物细胞和分子结构方面，扫描电子显微技术几乎能以人眼能看到的高度，揭示出很多细节。
比如，用扫描电子显微镜研究细胞表面的微观结构，可以为相关领域的疾病治疗提供基础数据支持。
在组织修复方面，如利用扫描电子显微镜分析肝脏肿瘤的形态与定位、肺部组织病变形态等方面，为临床治疗提供了非常有价值据。
2、材料学在材料科学领域，扫描电子显微技术主要应用于金属、非金属、生物材料等材料的形貌、结构、成分、组织、腐蚀、磨损、热处理等性质的研究。
比如制备刚性材料、无机、生物材料、新能源材料，都离不开扫描电子显微技术的应用。
在材料的高清晰度观察方面，特别是在电路板检查等关键领域，扫描电子显微技术也尤为常用。
三、发展前景当前，一方面是在技术的发展上，另一方面是要在应用上求得更多的突破。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，发展出更先进的扫描电子显微技术已被越来越多的研究学者所关注。
《扫描电子显微镜》课件
欢迎来到本节课，本课程将为您介绍扫描电子显微镜（SEM）的发展历史、 工作原理、应用和操作技巧。
什么是扫描电子显微镜？
SEM是一种高分辨率的显微镜，能够对样品表面进行高清的成像和分析，是 材料科学、生命科学、环境科学和地球物理学等众多领域的研究必备工具。
SEM的工作原理
and applications [J]. Physics Reports, 2020, 891: 1-49. • Zhong B., Liu Y., Xie H., et al. Scanning electron microscopy techniques and
application to biological research [J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2021, 21(3): 1443-1454.
电子束的生成和加速
SEM通过电子枪产生的电子束对样品表面进行 扫描，其中电子束的加速和缩聚使得SEM成像 的分辨率得到极大的提高。
样品表面的扫描和信号的采集
SEM扫描样品表面时需要从表面采集电子和信 号，经过放大和处理后形成图像。
图像的重建和显示
SEM的图像处理软件能够对采集到的信号进行 处理和重建，生成高质量的图像供研究员们进
SEM在地球物理学领域中可以用来 研究矿物形态、结构和物理化学性质
等问题。
SEM的操作注意事项
1 样品制备和处理
SEM样品的制备和处理是研究工作中必不可少的步骤，要保证样品表面平整、干净和稳 定。
2 SEM的操作和调试
SEM的使用经常进行调 试和保养。
生物学和医学
2
属、陶瓷、塑料和高分子等材料的成 分分析、微观结构观察和物理化学性
扫描电子显微镜技术的原理与应用
扫描电子显微镜技术的原理与应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种广泛使用的高分辨率显微镜。
它可以在微观尺度下观察样品的表面形貌和组织结构，其像素大小可达纳米级别，比光学显微镜要好得多。
在本文中，我们将讨论扫描电子显微镜的原理和应用。
一、扫描电子显微镜的原理扫描电子显微镜的原理是使用电子束照射样品，并收集经过样品散射、反射和透射的电子，最终通过电子束与样品交互所产生的信号来生成影像。
1. 电子束的产生和聚焦扫描电子显微镜使用了与电视图像管类似的电子枪来产生电子束。
一个电子枪由阴极、阳极和聚焦环组成。
通过加热阴极，可以产生电子。
这些电子被聚焦环聚集在一起，形成电子束。
2. 样品的制备和载台在扫描电子显微镜中，样品必须制备成非导体或半导体，并且必须被涂上一层导电性物质。
常规的样品制备方法包括金属涂覆、碳涂覆、抛光、薄切片和冷冻切片。
载台是样品固定的地方，通常是由钨或钛制成的。
样品可以通过细长的悬臂臂支撑在载台上，这样可以将样品从离子束或电子束中保护起来。
3. 电子束与样品的交互电子束照射样品后，会与样品的原子和分子产生相互作用。
这些相互作用包括散射、反射和透射。
在样品表面的电子被电子束激发后，它们将从样品中排出，并输送到探测器上。
探测器可以检测到不同能量的电子和不同角度的电子。
这些电子将用于产生显微镜的影像。
4. 影像生成影像的生成从原始信号开始。
原始信号是由样品反射、透射和散射的电子产生的，以及电子束与样品相互作用所产生的次级电子。
次级电子是由于电子束与样品表面相互作用而产生的电子。
次级电子通常与样品表面形貌相关，因此可以用来产生高分辨率的图像。
扫描电子显微镜的成像具有非常高的空间分辨率，可达到亚纳米级别。
它还可以生成非常清晰的表面拓扑图像和物质中各种粒子的组织结构。
二、扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜已广泛应用于各种领域的研究，如材料科学、生物学、地球化学、环境科学、药学、半导体工业、纳米技术等。
扫描电子显微镜详解
12-0引言
• 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或集 成电路的p-n结及器件失效部位的情况。
• 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于 不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结 构形态的动态变化过程（动态观察）。
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12-1 电子束与固体样品作用时产生的信号
2．二次电子
(4)二次电子产额η （二次电子流与入射电子流的比值）与入射电子能量和入射角α （入射束和样品表面法 线的交角）有关,见图12-1-1。
• 在某一能量范围内，二次电子产额都大于1，随着α的增大，二次电子产额曲线的极大值增大，并向高能 方向移动。
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图12-1-1二次电子产额与电子能量和入射角 的关系
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2.电磁透镜
• SEM照射到样品上的电子束直径越小，就相当于 成像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。
• 采用普通热阴极电子枪时，电子束斑直径可达到6nm左右。若采用六硼化钄阴极和场发射电子枪，电子束 直径还可进一步缩小。
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我院的SEM
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3．扫描线圈
• (3)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 用做表面层成分分析。
• 除了上述6种信号外，还有阴极荧光、电子束感生效应等信号，经调制后也可以用于专门的分析。
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12—2 扫描电子显微镜的构造和工作原理
• SEM组成: 1.电子光学系统. 2.信号收集处理、图像显示和记录系统. 3.真空系统 见图12—3.
• 其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动 作保持严格同步(由同一扫描发生器控制)。
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜工作原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并通过感应信号形成显像的仪器。
其工作原理如下：
1. 电子源发射电子束：SEM中有一个电子枪，用于产生高能电子。
电子枪中通常会使用热阴极，通过加热或电子轰击方式将电子从阴极中释放出来。
2. 高能电子束聚焦：释放出来的电子会受到聚焦系统的控制，将电子束聚焦成一个非常细小的束斑。
聚焦系统通常包括透镜或电磁镜等。
3. 电子束扫描：经过聚焦的电子束被定向扫描到样品表面。
样品通常需要先制备成非导电表面或镀上导电层，以便电子束能够顺利地与样品相互作用。
4. 电子-样品相互作用：电子束与样品表面相互作用会产生多种效应，如散射、反射、透射等。
其中最常用的效应是二次电子发射（secondary electron emission）和后向散射电子（backscattered electron）的产生。
5. 信号收集：通过安装在SEM中的多种探测器，可以收集和测量与电子-样品相互作用相关的信号。
常用的探测器包括：二次电子探测器、后向散射电子探测器、X射线能谱仪等。
6. 信号转换和处理：收集到的信号会经过放大、滤波、数字化
等处理，并转化成图像或谱图。
7. 图像显示：最后，处理好的信号通过计算机和显示器进行图像重建和显示，使得研究人员可以观察到样品表面的微观结构和形貌。
扫描电子显微镜通过以上步骤实现样品表面的高分辨率成像，并能提供有关样品表面化学元素的分布信息。
它在材料科学、生物学、纳米学等领域发挥着重要作用。
电子显微技术--扫描电子显微镜
第五章电子显微技术第一节扫描电子显微镜（SEM）一、扫描电镜的结构和基本原理扫描电镜是利用细聚焦的电子束，在样品表面逐点扫描，用探测器收集在电子束作图5-1 KYKY-1000B扫描电镜外貌图用下，样品中产生的电子信号，把信号转换成图像的仪器。
扫描电镜的结构分为电子光学系统，信号收集、图像显示和记录系统，真空系统。
图5-1、图5-2为扫描电镜外型图和主机构造示意图。
（一）光学系统这部分主要由电子枪，电磁透镜，扫描线圈，样品室组成，电子枪提供一个稳定的电子源，形成电子束，一般使用钨丝阴极电子枪，用直径约为0.1mm的钨丝，弯成发夹形，形成半径约为100µm的V型尖端，当灯丝电流通过时，灯丝被加热，达到工图5-2扫描电镜主机结构作温度后便发射电子，在阴极和阳极间加有高压，这些电子则向阳极加速运动，形成电子束。
电子束在高压电场作用下，被加速通过阳极轴心孔进入电磁透镜系统。
该系统由聚光镜和物镜组成，其作用是依靠透镜的电磁场与运动电子相互作用使电子束聚焦将电子枪发射的电子束约10~50µm,压缩成5~20nm，缩小约1/10000。
聚光镜可以改变入射到样品上电子束流的大小，物镜决定电子束束斑的直径。
电子光学系统中存在球差，色差，象散，影响最终图象的质量。
球差的产生是远离光轴轨迹上运动的电子比近轴电子受到的聚焦作用更强。
克服的方法是在电子光学的光轴中加三级固定光阑挡住发散的电子束，光阑通常采用厚度为0﹒05mm的钼片制作，物镜产生的象散器提供一个与物镜不均匀磁场相反的校正磁场，使物镜最终形成一个对称磁场，产生一束细聚焦的电子束。
扫描系统主要包括扫描发生器，扫描线圈和放大倍率变换器，扫描发生器由X扫描发生器和Y扫描发生器组成，产生不同频率的锯齿波信号同步地送入镜筒中的扫描线圈和显示系统CRT中的扫描线圈上。
镜筒的扫描线圈分上、下双偏转扫描装置。
其作用是使电子束正好落在物镜光阑孔中心，并在样品上进行光栅扫描。
扫描电子显微技术全解共57页
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
1、最灵繁的人也看不见自己的有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种利用电子束照射样本表面，通过采集样本散射的次级电子、反射电子、透射电子等生成显微图像的设备。
其原理与传统光学显微镜不同，利用电子束的波粒二象性和电子与物质相互作用的性质来获得高分辨率的图像。
扫描电子显微镜由电子光源、电子光学系统、样本台以及信号检测和图像处理系统等组成。
首先，电子显微镜的电子光源发射出高能电子束，通常通过热丝发射电子的方式。
这些电子束会经过准直和聚焦装置，使其成为一束细且聚焦的电子束。
接下来，样本被放置在扫描电子显微镜的样本台上。
样本表面会与入射电子束相互作用，产生不同的信号。
其中，主要信号包括次级电子（Secondary Electron, SE）、反射电子（Backscattered Electron, BE）以及透射电子（Transmitted Electron, TE）。
次级电子主要由入射电子与样本表面原子的相互作用而产生，其被采集并转化为图像。
反射电子主要是在样本内部物质的相互作用下被散射回来的电子，同样被采集和转化为图像。
透射电子则是透过样本的电子，其传感元件可将其图像化。
这些信号被接收后，经过放大和转换为电子图像信号。
电子图像信号可以通过荧光屏或者光电二极管进行观测和记录。
最后，通过图像处理系统将电子信号转化为高分辨率的图像，该图像具有较高的对比度和分辨率，可以用来观察样本的细微特征。
扫描电子显微镜以其高分辨率和强大的观察能力被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术以及表面科学等领域。
扫描电子显微镜的原理及应用
扫描电子显微镜的原理及应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种使用电子束而不是光束的显微镜，它通过对被测样品表面进行扫描和检测，以获取高分辨率的图像。
SEM具有优秀的分辨率和放大倍数，被广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术、地质学等领域。
SEM的工作原理如下：1. 产生电子束：通过电子枪产生高能电子束，电子枪包括一个热阴极和一根聚焦的阳极。
电子束可以通过区域限制器（aperture）来控制束流的大小。
2.加速电子束：电子束通过电子镜来加速，这是一个由透镜组成的系统。
电子束在电子镜中得到聚焦，束流变窄，成为高能、高分辨率的束流。
3.扫描样品：样品被放置在SEM的样品台上，电子束通过磁场的作用进行X、Y方向扫描。
扫描电子镜的样品台通常也可以进行上下方向的运动，以获得不同深度的图像。
4.接收和检测：当电子束照射在样品表面上时，样品中发生的相互作用将会发射出各种信号，包括二次电子、透射电子、X射线以及退火融合过程产生的光谱信号等。
SEM通过收集并检测这些信号，并将其转化为电信号。
5.构建显像：电信号被转化为亮度信号，并用于构建图像。
SEM可以生成大量的图像类型，包括二次电子图像（SE图像）、透射电子图像（BSE图像）、X射线能谱图（EDS图像）等。
6.分析和测量：SEM可以提供非常详细的样品表面形貌信息，包括形貌、尺寸、形状、纹理等。
还可以使用EDS技术分析样品的化学元素组成。
SEM的应用范围十分广泛：1.材料科学：SEM可以研究材料的微观结构、相变过程、表面形貌以及晶格结构等。
它可以用于分析金属、陶瓷、纤维、塑料等材料的微观结构，从而改进材料的性能和开发新材料。
2.生命科学：SEM非常适合观察生物样品的微观结构，如昆虫、细胞、细菌等。
它可以研究生物样品的组织结构、表面形貌，以及细胞壁、细胞器等微观结构。
3.纳米技术：SEM可以观察和测量纳米级别的颗粒、膜、纳米线、纳米管等纳米材料。
电子显微镜与扫描电子显微镜
电子显微镜与扫描电子显微镜电子显微镜（Electron Microscope，简称EM）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是现代科学研究中常用的高分辨率显微技术。
本文将介绍电子显微镜和扫描电子显微镜的工作原理、技术应用和优势。
一、电子显微镜的工作原理电子显微镜利用电子束的物理性质来实现对样品的高分辨率成像。
其工作原理可以概括为电子束的发射、聚焦、扫描和检测。
1.1 电子束的发射电子显微镜中的电子束由电子枪产生。
电子枪内的发射丝加热后会发射出电子，产生的电子在加速电场的作用下获得高能量，形成高速电子束。
1.2 电子束的聚焦电子束经过准直系统和透镜系统的聚焦，使得电子束的直径变得更小，从而提高成像的分辨率。
1.3 电子束的扫描电子显微镜中的样品通常需要进行扫描，以获取整个样品的显微图像。
电子束通过扫描线圈进行水平和垂直方向的移动，扫描整个样品表面。
1.4 电子束的检测当电子束与样品相互作用时，会产生多种信号。
电子显微镜常用的检测技术包括二次电子检测、透射电子检测和能量散布谱检测等。
二、电子显微镜的技术应用电子显微镜作为高分辨率显微技术，被广泛应用于各个学科领域。
以下是几个典型的应用案例。
2.1 材料科学领域电子显微镜可以对材料的微观结构和形貌进行观察和分析，揭示材料的组织结构、晶体缺陷和界面性质等。
2.2 生物学领域生物学家利用电子显微镜观察细胞和组织的超微结构，研究生物大分子的形态和功能，探索生物体的工作原理。
2.3 医学领域电子显微镜对临床医学和生物医学研究有重要的应用。
它可以帮助医生观察病毒、细菌和组织样本等，辅助医学诊断和疾病治疗。
2.4 纳米技术领域电子显微镜对纳米材料和纳米器件的观察和测试具有重要意义。
它能够揭示纳米结构的形貌和性质，为纳米科技的发展提供有力支持。
三、扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜是电子显微镜的一种改进型式，它主要用于表面形貌的观察和分析。
扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)基础知识 (2005-11-26)
扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)基础知识一、扫描电子显微镜的工作原理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。
二、扫描电镜具有以下的特点(1) 可以观察直径为0 ～30mm的大块试样(在半导体工业可以观察更大直径)，制样方法简单。
(2) 场深大、三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。
(3) 放大倍数变化范围大，一般为15 ～200000 倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。
(4) 具有相当高的分辨率，一般为3.5 ～6nm。
(5) 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。
采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。
(6) 可进行多种功能的分析。
与X 射线谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。
(7) 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。
三、扫描电镜的主要结构1.电子光学系统：电子枪；聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜）；物镜光阑。
扫描电子显微镜SEM和能谱分析技术EDS
扫描电子显微镜SEM和能谱分析技术EDS 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和能谱分析技术（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是一种常用于材料科学和生物科学领域的先进工具，它们相互结合可以提供高分辨率的图像、元素成分分析以及相关属性的定量信息。
SEM是一种利用电子束扫描样品表面并形成二维或三维显微图像的技术。
与传统光学显微镜相比，SEM具有更高的分辨率和放大倍数，可以观察到微米级的细节。
SEM的工作原理是在真空或高真空环境中，通过加速电子束轰击样品表面，激发出一系列相互作用过程产生的信号。
这些信号包括次级电子（SE）和反射电子（BSE）等，它们与样品的形貌和组成有关。
SEM采用特殊的电子透镜和探测器系统，可以将这些信号转化为电子显微图像。
与SEM相结合的EDS能谱分析技术可以提供关于样品元素组成的定性和定量信息。
EDS是一种通过分析样品中X射线的能量和强度，来确定其元素成分的方法。
在SEM中，当电子束与样品相互作用时，会激发样品中的原子内层电子跃迁，产生特定能量的特征X射线。
EDS探测器可以测量这些X射线的能量，通过能量的定量分析，可以确定样品中的元素种类和相对含量。
EDS技术的定量分析需要校正和标定，校正是指校正探测器的能量响应，以准确测量X射线的能量；标定是指使用已知组成和浓度的实验样品进行这些校正和定量分析。
EDS技术对元素的检测范围和限量有一定的限制，对于轻元素的检测灵敏度较低，同时在多元素样品和复杂衬底的情况下，定量分析的精度也会受到影响。
SEM和EDS技术的结合可以提供更为全面和细致的样品分析。
SEM提供了样品的形貌和组织信息，可以观察到样品的微观结构和表面特征。
通过SEM观察到的微观特征，可以帮助解释材料的性能和行为。
而EDS的能谱分析可以提供关于样品成分的定性和定量信息，对材料的组成和标识也具有重要的作用。
生物力学中的扫描电子显微镜技术
生物力学中的扫描电子显微镜技术生物力学是研究生物系统运动和力学特性的学科领域，它在生物医学和生物工程领域有着广泛的应用。
扫描电子显微镜技术是生物力学研究中的重要工具，可以通过高清晰度的图像和三维结构分析，研究生物系统的微观结构和特性，为深入了解生物力学的发展和应用提供了重要的支持。
一、扫描电子显微镜技术的基本原理扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy, SEM）是用来观测材料表面形态和微观结构的显微镜。
扫描电子显微镜具有高分辨率、直接观察细胞的三维形态等优点，可以对材料表面进行高分辨率成像，并可获得相对真实的三维形态信息。
扫描电子显微镜的基本原理是利用高速电子束扫描物体表面时，物体表面会产生反射、放射、散射等现象，对反射的电子进行收集、处理、成像，通过图像处理技术产生高分辨率的图像。
扫描电子显微镜的成像原理是利用特定能量的电子束照射在样品表面，使得样品表面的原子和分子受到电子束的打击后，产生二次电子、反射电子等，这些电子又被二次检测器等装置捕捉到以扩大信号，经过一系列的图像处理方法，最终形成高清晰度的图像。
二、扫描电子显微镜技术在生物力学中的应用1. 细胞和组织结构研究扫描电子显微镜技术在生物力学中广泛应用于细胞和组织结构的研究。
对于生物系统内部和外部的微小结构，一般采用光学显微镜难以观察，而扫描电子显微镜可以通过高精度的成像和图像处理技术，直接观察并记录组织结构的形态和微观结构，为研究生物系统的生理和生化过程提供重要支持。
2. 组织力学性能研究扫描电子显微镜技术可将细胞或组织的形态、结构直接成像，能够为研究组织力学性能提供直接的量化数据。
例如，利用扫描电子显微镜技术直接观察皮肤中皮下脂肪的结构特征，可以计算组织的刚度和水含量，为研究人体肥胖和瘦身提供有用的数据支持。
3. 生物成像和仿真技术扫描电子显微镜技术在生物成像方面有着广泛的应用。
它可以直接拍摄生物组织的表面形态，以及各种细胞结构和生物分子等，得到微观结构的三维信息，并通过图像处理技术加工处理出高分辨率的仿真图像。
扫描电子显微镜的结构与原理
信号的收集与处理
在相互作用过程中产生的二次电子和背反 射电子被信号检测器收集，然后通过一系 列的放大和滤波处理，将信号转换为电信 号。这些电信号再被送入显示系统进行处 理，最终形成可供观察和分析的图像
图像的形成与显示
显示系统通常由一台计算机和显示器组成。 计算机接收到来自信号检测器的电信号后， 将其转换为数字信号，再通过图像处理软件 进行进一步处理。处理后的图像被实时显示 在计算机屏幕上或存储在硬盘中以供后续分 析。用户可以通过调整显微镜的各种参数( 如扫描速度、分辨率等)来优化图像质量
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电子束的产生与聚焦
在扫描电子显微镜中，电子枪产 生电子束，经过加速电压加速后 ，通过一系列电磁透镜将电子束 缩小并聚焦在样品表面。这些透 镜通常由多个电磁线圈组成，通 过调整线圈电流的大小来控制透 镜的焦距，进而改变电子束的大 小和形状
电子束与样品的相互作用
当电子束扫描到样品表面时，会 与样品产生多种相互作用。其中 最主要的是二次电子和背反射电 子的产生。二次电子是样品表面 受到电子束轰击后，从原子中释 放出的低能电子。背反射电子则 是从样品表面反射回的较高能量 的电子。这两种信号都可以用于 形成样品的形貌图像
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我们的目录
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引言
基本结构 工作原理 结论
1
它利用电子束扫描样品表面， 产生多种相互作用，从而获得 样品的形貌、成分、晶体结构
等信息
扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，简称 SEM)是一种用于观察物质表面 微观结构的电子光学仪器 本文将介绍扫描电子显微镜的 基本结构和工作原理
2
扫描电子显微镜主要由 以下几个部分组成
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3.1.2 六硼化镧阴极
（1） 六硼化镧的结构
Байду номын сангаас
它是一种化合物，其中镧原子包含在硼原 子所形成的晶格中。当六硼化镧被加热时， 镧原子能够自由的扩散，通过硼的晶格空 隙去填补表面因蒸发而失去的材料。镧的 作用使六硼化镧有低的功函数。
（2）六硼化镧的优点
2 2 A 40 A / cm K 时，已测量出多晶六硼化 当 c
2.
电源和真空系统
场发射电子枪 (1) 电子光学系统
电磁透镜 光栅和样品室
机械泵
(2) 真 空 系 统
扩散泵 真空管道
阀门（另外还有以液态氮冷却的 冷阱，可以控制样品室的真空度）
高压电源 (3) 电源系统 透镜电流 电子枪电源 真空系统电源
扫描线圈 (4) 扫描系统 扫描信号发生器 放大控制器 相应电子线路
镧的功函数约为 2.4eV。这意味着工作温度约为 1500K时就能获得与普通钨灯丝相同的电流密度。 因而它具有如下优点： （a）、蒸发速率下降，因此与寿命短的发夹式 钨灯丝相比，可预期六硼化镧灯丝工作寿命长。 （b）、从Langmuir公式可以看到这两种电子源如 果阴极电流密度和加速电压相同，但分别工作在 1500K和3000K下，那么，1500K的六硼化镧的亮 度将是3000K的钨灯丝亮度的两倍。
收集器
(5) 信号探测系统 闪烁体光电倍增管 前置放大器
(6) 显示系统
观察用（为了便于调焦，采用尽 可能快的扫描速度） 记录用（为了得到分辨率高的图 像，采用慢的扫描速度）
3.电子枪
3.1 热发射
电子枪提供一个稳定的电子源，以形成电子束。 通常依靠所谓热发射过程从电子源获得这些电子。 在该过程中，足够高的温度使一定百分比的电子 具有充分的能量以克服阴极材料的功函数而从电 子源跑出。
108 Pa 2500K
优点
电子束直径最小、 亮度最高、持续时 间非常长，因此影 像分辨率最优。
缺点
能量散布最小、 需要很高的真空 度、易污染、需 要频闪、电流稳 定性差
HFE
1800K
不需要针尖频闪， 电子能量散布比 不易污染，具有较 冷式大3到5倍， 大能量扩散 影像分辨率差， 通常不常使用
SE（在
钨单晶 上镀ZrO 覆盖层）
106 107 Pa 发射电流大、较大 电子源直径比冷 的发射面、小的能 式大，影像分辨 1800 K
量扩散、较高的电 率比冷式稍差 流密度、良好的电 流稳定性，不易污 染，寿命长。
灯丝或阴极有一个半径约为5到100um的V型尖端。 用钨或六硼化镧做的灯丝其功函数较低。下面将 讨论几种特殊的灯丝。
电子枪灯丝依靠热发射得到的热发射电流密度 J ，用
Richardson定律表示：
JC ACT exp(EW / kT )( A / cm )
2 2
c
T ( K )为发射温度。 式中 AC 为与材料有关的常数，
舌头上的味蕾
金颗粒样品场发射扫描照片
分叉头发的扫描图
1. SEM 基本原理
最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦 后，在加速电压作用下，经过二至三个电磁透镜 所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的 电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫 描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。
（3）六硼化镧的缺点
六硼化镧的化学活性很强，在加热时很 容易与几乎所有的元素形成化合物，仅碳 和铼除外。这种活性意味着阴极仅能在高 真空中工作，因为在压力高于100uPa时，会 形成一种特有的紫色氧化物，影响性能。 另外，由于工业上只能提供六硼化镧的细 小颗粒粉末。因此，为了制成一个有用的 阴极组件，需要大量加工处理。
3.2.2场发射电子枪的分类
阴极材料通常由单晶钨制成，场发射电子 枪可分为三种： （1）冷场发射式（cold （2）热场发射式（heat
field emission，CFE） field emission，HFE） emission，SE）
（3）肖特基发射式（schottky
电子枪 工作条件 分类 CFE
3.2 场发射电子枪
3.2.1 场发射电子枪工作原理
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。 其原理是高压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，致使电子可直接“穿隧”通过此狭窄能 障并离开阴极。
扫描电子显微技术
报告人：宋文娟 导师：熊祖洪 教授
SEM简介
扫描电子显微镜（scanning electron microscope， SEM）,SEM是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。 最常用来观察样品表面行貌（断口等）。它有如 下优点： 1.高的分辨率 2.有较高的放大倍数 3.有很大的景深 4.试样制备简单 5.配有X射线能谱仪装置
由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果 产生了各种信息：二次电子、背散射电子、X射 线、俄歇电子和透射电子等。这些信号被相应的 接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调 制显像管的亮度。经过扫描线圈上的电流是与显 像管相应的亮度一一对应。
电子光学系统 S E M 基 本 结 构 扫描系统 信号检测放大系统 图像显示和记录系统
由Langmuir指出，对于高电压来说，电子束亮度的极大值由 下式给出：
J C eE0
式中 J C 为阴极表面上的电流密度， E0 为加速电压，e为电子电 荷，k为波尔兹曼常数。
kT
3.1.1 钨阴极
钨阴极是一根直径约为0.01cm的钨丝，弯成发夹形，并有一 个半径约为100um的V型尖端。 钨灯丝以热游离式来发射电子。
钨在典型工作温度2700K时，根据Richardson公式计算 出 J c 1.75 A / cm2 ，式中 AC 60 A / cm2 K 2
Ew 4.5eV
由于钨的蒸发，灯丝直径会变小，因此 达到工作温度和灯丝饱和所必须的灯丝电 流也随灯丝的老化而减少。灯丝寿命也随 温度提高而降低。钨灯丝平均寿命约为