材料表面形貌分析方法及其应用
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• 定义：若入射电子能量很高，且样品很薄，则会 有一部分电子穿过样品，这部分入射电子称透射 电子
• 分类：透射电子中除了能量和入射电子相当的弹 性散射电子外，还有不同能量损失的非弹性散射 电子，其中有些电子的能量损失具有特征值，称 为特征能量损失电子
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.6 透射电子
目前，扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 3nm，高性能的场发射枪扫描电子显微镜的分辨率 已达到 1nm 左右，相应的放大倍数可高达60万倍
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.1 散射的概念
样品对入射电子束的作用主要是散射，其中包 括：弹性散射和非弹性散射： 又称弹性碰撞和非弹性碰撞。
第1章 表面形貌分析方法及其应用
蚯蚓,生物学,扫描电子显微镜,一只动物, 无脊椎
第1章 表面形貌分析方法及其应用
细胞在纳米管表面的粘附状态观察
第1章 表面形貌分析方法及其应用
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.1 概述 扫描电子显微镜开始发展于20世纪60年代，随其性
能不断提高和功能逐渐完善，目前在一台扫描电镜 上可同时实现组织形貌、微区成分和晶体结构的同 位分析， 现已成为材料科学等研究领域不可缺少 的分析工具
2. 能量范围：较宽，从几十到几万电子伏特
3. 产额数量：随样品平均原子序数增大而增大， 所 以背散射电子像的衬度可反映对应样品位置的平 均原子序数。
4. 技术应用：背散射电子像主要用于定性分析材料
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.4 二次电子
• 定义：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样 品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子
• 产生过程：这是一种真空中的自由电子。由于原子 核和外层价电子的结合力能很小，因此外层的电 子比较容易和原子脱离，使原子电离。一个能量 很高的入射电子射入样品时，可以产生许多的自 由电子，这些自由电子中90%时来自样品原子外层 的价电子
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.4 二次电子
子
入射电子
变
数千到 散射角大 较 数万电 于90°， 多 子伏 方向变化
非弹性 入射电子和核 变化 数十到 方向变化 较
背散射 外电子撞击经
数千电
少
Baidu Nhomakorabea
电子 多次散射后反
子伏
弹出样品表面
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.3 背散射电子
1. 产生深度：背散射电子产生于样品表层几百纳米 直一微米的深度范围
与光学显微镜相比， 扫描电子显微镜不仅图像分 辨率高，而且景深大，因此在断口分析方面显示出 十分明显的优势
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.1 概述
扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜完全不同， 不是利用电磁透镜聚焦成像， 而是利用细聚焦电 子束在样品表面扫描，用探测器接收被激发的各种 物理信号调制成像
产生范围：产生于样品表层约1微米的深度范围
产额：随样品平均原子序数增大而减小。因为，在 入射电子束强度一定的情况下，对应背散射电子产 额大的区域吸收电子就少，所以吸收电子像也可提 供原子序数衬度
应用：吸收电子像主要也用于定性分析材料的成分
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.6 透射电子
• 特点：特征能量损失电子的能量与样品中元素的 原子序数有对应关系，其强度随对应元素的含量 增大而增大
• 应用：利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失 电子信号，可进行微区成分的定性和定量分析
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.6 电子信号强度的关系
如果使样品接地，上述四种电子信号强度与入
只有动能的交换，粒子的类型及其内部运动状态 并无改变，则这种碰撞称为弹性散射。
除有动能交换外，粒子内部状态在碰撞过程中有 所改变或转化为其他粒子，则称为非弹性散射。 如电子－原子碰撞中所引起的原子电离和激发
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.2 信号的种类
能量：能量较低，一般不超过50eV，大多数均小 于10eV
应用：二次电子一般都是在表层5~10nm深度范围 内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感， 因此，能非常有效的显示样品的表面形貌。但二 次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关 系，所以不能用它来进行成分分析
第1章 表面形貌分析方法及其应用
《材料电子显微分析 技术及应用》
任课教师：魏大庆、饶建存 哈工大分析测试中心 科学园B1栋210室 电话：86417617
第1章 表面形貌分析方法及其应用
a), b), c)分别为 二氧化钛纳米管的 正面，背面和侧面 的扫描电镜图片；
第1章 表面形貌分析方法及其应用
电子显微镜扫描下的花粉粒结构图
a) 背散射电子 b) 吸收电子 c) 透射电子 d) 二次电子 e) 特征X射线 f) 俄歇电子
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.3 背散射电子
当电子束照射样品时，入射电子在样品内遭到衍射 时，会改变方向，甚至损失一部分能量（在非弹性散射 的情况下）。
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号
0.6
产 额 0.4
0.2
背散射电子 二次电子
背散射射 电子产额 和二次电 子产额与 原子序数 Z的关系
0
20
40
60
80 100
原子序数Z
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.5 吸收电子
定义：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射使 其能量消耗殆尽，最后被样品吸收，称吸收电子。
在这种弹 性和非弹性散 射的过程中， 有些入射电子 累积散射角超 过 90 度 ， 并 将 重新从样品表 面逸出。
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.3 背散射电子
比较 类别
定义
能量 能量大 方向 数
变化
小
量
弹性背 被样品中原子 基本
散射电 核反弹回来的 上不
• 分类：透射电子中除了能量和入射电子相当的弹 性散射电子外，还有不同能量损失的非弹性散射 电子，其中有些电子的能量损失具有特征值，称 为特征能量损失电子
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.6 透射电子
目前，扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 3nm，高性能的场发射枪扫描电子显微镜的分辨率 已达到 1nm 左右，相应的放大倍数可高达60万倍
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.1 散射的概念
样品对入射电子束的作用主要是散射，其中包 括：弹性散射和非弹性散射： 又称弹性碰撞和非弹性碰撞。
第1章 表面形貌分析方法及其应用
蚯蚓,生物学,扫描电子显微镜,一只动物, 无脊椎
第1章 表面形貌分析方法及其应用
细胞在纳米管表面的粘附状态观察
第1章 表面形貌分析方法及其应用
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.1 概述 扫描电子显微镜开始发展于20世纪60年代，随其性
能不断提高和功能逐渐完善，目前在一台扫描电镜 上可同时实现组织形貌、微区成分和晶体结构的同 位分析， 现已成为材料科学等研究领域不可缺少 的分析工具
2. 能量范围：较宽，从几十到几万电子伏特
3. 产额数量：随样品平均原子序数增大而增大， 所 以背散射电子像的衬度可反映对应样品位置的平 均原子序数。
4. 技术应用：背散射电子像主要用于定性分析材料
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.4 二次电子
• 定义：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样 品表面的样品原子的核外电子叫做二次电子
• 产生过程：这是一种真空中的自由电子。由于原子 核和外层价电子的结合力能很小，因此外层的电 子比较容易和原子脱离，使原子电离。一个能量 很高的入射电子射入样品时，可以产生许多的自 由电子，这些自由电子中90%时来自样品原子外层 的价电子
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.4 二次电子
子
入射电子
变
数千到 散射角大 较 数万电 于90°， 多 子伏 方向变化
非弹性 入射电子和核 变化 数十到 方向变化 较
背散射 外电子撞击经
数千电
少
Baidu Nhomakorabea
电子 多次散射后反
子伏
弹出样品表面
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.3 背散射电子
1. 产生深度：背散射电子产生于样品表层几百纳米 直一微米的深度范围
与光学显微镜相比， 扫描电子显微镜不仅图像分 辨率高，而且景深大，因此在断口分析方面显示出 十分明显的优势
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.1 概述
扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜完全不同， 不是利用电磁透镜聚焦成像， 而是利用细聚焦电 子束在样品表面扫描，用探测器接收被激发的各种 物理信号调制成像
产生范围：产生于样品表层约1微米的深度范围
产额：随样品平均原子序数增大而减小。因为，在 入射电子束强度一定的情况下，对应背散射电子产 额大的区域吸收电子就少，所以吸收电子像也可提 供原子序数衬度
应用：吸收电子像主要也用于定性分析材料的成分
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.6 透射电子
• 特点：特征能量损失电子的能量与样品中元素的 原子序数有对应关系，其强度随对应元素的含量 增大而增大
• 应用：利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失 电子信号，可进行微区成分的定性和定量分析
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.6 电子信号强度的关系
如果使样品接地，上述四种电子信号强度与入
只有动能的交换，粒子的类型及其内部运动状态 并无改变，则这种碰撞称为弹性散射。
除有动能交换外，粒子内部状态在碰撞过程中有 所改变或转化为其他粒子，则称为非弹性散射。 如电子－原子碰撞中所引起的原子电离和激发
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.2 信号的种类
能量：能量较低，一般不超过50eV，大多数均小 于10eV
应用：二次电子一般都是在表层5~10nm深度范围 内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感， 因此，能非常有效的显示样品的表面形貌。但二 次电子的产额和原子序数之间没有明显的依赖关 系，所以不能用它来进行成分分析
第1章 表面形貌分析方法及其应用
《材料电子显微分析 技术及应用》
任课教师：魏大庆、饶建存 哈工大分析测试中心 科学园B1栋210室 电话：86417617
第1章 表面形貌分析方法及其应用
a), b), c)分别为 二氧化钛纳米管的 正面，背面和侧面 的扫描电镜图片；
第1章 表面形貌分析方法及其应用
电子显微镜扫描下的花粉粒结构图
a) 背散射电子 b) 吸收电子 c) 透射电子 d) 二次电子 e) 特征X射线 f) 俄歇电子
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.3 背散射电子
当电子束照射样品时，入射电子在样品内遭到衍射 时，会改变方向，甚至损失一部分能量（在非弹性散射 的情况下）。
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号
0.6
产 额 0.4
0.2
背散射电子 二次电子
背散射射 电子产额 和二次电 子产额与 原子序数 Z的关系
0
20
40
60
80 100
原子序数Z
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.5 吸收电子
定义：入射电子进入样品后，经多次非弹性散射使 其能量消耗殆尽，最后被样品吸收，称吸收电子。
在这种弹 性和非弹性散 射的过程中， 有些入射电子 累积散射角超 过 90 度 ， 并 将 重新从样品表 面逸出。
第1章 表面形貌分析方法及其应用
1.2 电子束与样品作用产生的主要信号 1.2.3 背散射电子
比较 类别
定义
能量 能量大 方向 数
变化
小
量
弹性背 被样品中原子 基本
散射电 核反弹回来的 上不