东华大学 扫描电镜-sem-和EDS课件

扫描电镜
各种新型的电子显微镜是我们看到另一个美 丽奇妙的世界的窗口
同时获得结构（衍射）、形貌（成象）和成分 （X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子 谱等）信息；
电子束的波长很小，可覆盖从微观到宏观的所有 结构尺度；
高分辨率。
缺点主要是电子穿透能力弱（穿透能力为十分之
一难微；米电量 子级 与） 物扫， 质描电带的镜来作样用品十制分备强和烈实，验致等 使方 结面 果的 分电困 析子探针
➢ “Electron microscopy and analysis”, Peter J. Goodhew, John Humphreys, Richard Beanland. Taylor & Francis, 2001.
人眼的分辩率
人眼能分辩清楚的两个细节间的最小距离： 0.1~0.2 mm
透射电较镜复杂。
俄歇谱仪
扫描探针显微镜与纳米科技
人类仅仅用眼睛和双手认识和改造世界是有限的， 例如：人眼能够直接分辨的最小间隔大约为O.07 mm；人的双手虽然灵巧，但不能对微小物体进 行精确的控制和操纵。但是人类的思想及其创造 性是无限的。当历史发展到二十世纪八十年代， 一种以物理学为基础、集多种现代技术为一体的 新型表面分析仪器——扫描隧道显微镜（STM） 诞生了。STM不仅具有很高的空间分辨率（横向 可达0.1 nm，纵向优于0.01 nm），能直接观 察到物质表面的原子结构；而且还能对原子和分 子进行操纵，从而将人类的主观意愿施加于自然。 可以说STM是人类眼睛和双手的延伸，是人类智 慧的结晶。
以电子束代替光镜中的光束作为入射光 电子束的波长由加速电压所决定 例：V=100 kV时，λ=0.0039 nm，此时分辩率为 0.002 nm
以电磁透镜代替光镜中的玻璃透镜 电磁透镜的本质是一个透过直流电的线圈所产生的磁场， 电子束受到磁场力的作用而改变其运动方向和速度，如同 光束通过玻璃透镜，最终会聚焦。
电磁透镜 电磁透镜
要求真空
要求真空 1.33x10-
5～ 1.33x10-
3Pa
利用样品对电子的反射和 激发形成明暗反差
利用样品对电子的散射和 透射形成明暗反差
电子显微镜的分辨能力以它所能分辨的相邻两点的最小间距来表示
电子显微镜的基本原理
1932年德国发明了第一台电子显微镜，并于1986年获得 诺贝尔物理奖 电子显微镜主要特征：
扫描电子显微镜工作原理及构造
SEM成象特征
构造与主要性能
扫描电子显微镜由电子光学系统(镜筒)、偏转系统、信 号检测放大系统、图像显示和记录系统、电源系统和真 空系统等部分组成
SEM是直接利用样品表面材料的物质性能进 行微观成像的。扫描电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: ①有较高的放大倍数，2020万倍之间连续可调；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 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。
近代测试技术
扫描电子显微镜和X射线能谱仪
参考书
➢ 高分子物理近代研究方法，张俐娜等编，武汉大学出版社， 2003。
➢ 扫描电子显微镜分析技术，杜学礼等编，化学工业出版社， 1986。
➢ 电子显微镜的原理和使用，张宜等编，北京大学出版社， 1983。
➢ “Electron microscopy of thin crystals”, M. A. Hirsch，Krieger Publishing Co. Huntington, 1965.
光学与电子显微镜的区别
显微镜 分辨本领
光源
透镜
真空
成像原理
LM
SEM TEM
200nm 100nm
可见光 （400700）
紫外光
（约 200nm)
玻璃透镜 玻璃透镜
不要求真空 不要求真空
利用样品对光的吸收形成 明暗反差和颜色变化
50 nm 0.1nm
电子束 (3.7 pm)
电子束 (3.7 pm)
我校测试中心-----JEOL扫描电镜 纤维材料改性国家重点实验室-----Hitachi扫描电镜
TEM 透射电子显微镜
透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源， 用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高 放大倍数的电子光学仪器。其主要特点是，测试 的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子 束透过样品。
基于STM的基本原理，随后又发展起来一系列扫 描探针显微镜（SPM）。如：扫描力显微镜 （SFM）、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫 描近场光学显微境（SNOM）等。这些新型显微 技术都是利用探针与样品的不同相互作用来探测
表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化Βιβλιοθήκη Baidu学性质。
扫描电子显微镜
(Scanning Electron Microscopy, SEM)
光学显微镜的分辩率
0.2 μm
微观结构分析基本原理
出射束
入射束
物质
✓ 用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便 带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。
✓ 所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原 子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。
✓ 电子、光子和中子是最常见的束源。
透射电镜的特点及原理
透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源， 用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高 放大倍数的电子光学仪器。其主要特点是，测试 的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子 束透过样品。
以高能电子（50-200 keV）穿透样品，根据样 品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体 样品的衍射方向不同，经过后面的电磁透镜的放 大后，在荧光屏上显示出图象；透射电镜在加速 电压Ep=100 keV下，电子的波长为3.7 pm。
电子与物质的相互作用
第一章微观结构分析基本原理 一、 微观结构分析基本原理
扫描电镜
用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品 相互作用后便带有样品的结构信息，分为吸 收和发射光谱。 所用波长应该与要分析的结构细节相应，例 如要想分析原子排列，必须用波长接近或小
透射电镜 于原子间距的入射束。
电子、光子和中子是最常见的束源。