扫描电镜知识
扫描电子显微镜
2023-11-08
目录
• 扫描电子显微镜简介 • 扫描电镜的结构与原理 • 扫描电镜的操作流程 • 扫描电镜的图像特点与解析 • 扫描电镜的最新发展与应用 • 扫描电镜的维护与保养
01
扫描电子显微镜简介
定义与原理
定义
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束扫描样品表面，通过检测样 品发射的次级电子、反射电子等获取表面微观结构信息的电子显微镜。
03
扫描电镜的操作流程
样品的制备
样品选择
选择具有代表性的样品，考虑 其大小、形状、成分和稳定性 等因素，以确保能够准确反映
所需观察的细节。
样品处理
对样品进行预处理，如清洗、干燥 、研磨等，以去除可能干扰观察的 杂质或水分，并确保样品表面平整 、干净。
涂覆导电层
对于非导电样品，需要在其表面涂 覆一层薄而均匀的导电层，如金属 或碳膜，以避免电荷积累和图像畸 变。
扫描控制器
扫描控制器是用来控制扫描线圈的装置，通常由计算机或专 用控制器实现，通过控制线圈电流的幅度和频率来实现电子 束的扫描。
成像系统
信号收集系统
信号收集系统是用来收集样品表面产生的次级电子、反射电子和透射电子等信号 的装置，通常由多个探测器和信号处理电路组成。
成像显示器
成像显示器是用来显示扫描电镜观察到的图像的装置，通常由计算机和高分辨率 显示器实现，通过将收集到的信号转换成图像数据并显示出来，实现样品的可视 化观察。
扫描电镜的图像解析
01
02
03
表面形貌
通过观察样品的表面形貌 ，可以了解样品的粗糙度 、颗粒大小等信息。
扫描电镜分析
扫描电镜分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高精度显微镜，能够以极高的放大倍数观察样品的微观结构和形貌。
通过利用电子束对样品进行扫描，SEM能够提供比光学显微镜更高的分辨率和放大倍数。
本文将介绍扫描电镜的工作原理、应用领域以及其在科研和工业中的重要性。
扫描电镜的工作原理是基于电子的性质和电磁场的作用。
它通过发射高能电子束，并将电子束聚焦到极小的尺寸，然后扫描在样品表面。
当电子束与样品的表面交互作用时，会产生许多信号，包括二次电子、背散射电子、特征X射线等。
这些信号接收后，经过电子学系统的处理和分析，最终形成样品的显微图像。
由于扫描电镜的电子束具有很小的波长，因此它能提供更高的分辨率和放大倍数，可以观察到更加详细的微观结构。
扫描电镜在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中，它可以用来研究材料的表面形貌和微观结构，对材料的组成和纳米尺寸的特征进行分析。
在生物学研究中，扫描电镜可以观察生物细胞、组织和器官的内部结构，对病毒、细菌等微生物进行观察和分析。
在纳米科技领域，扫描电镜可以研究纳米材料的制备和性质，包括纳米颗粒、纳米材料的形貌和尺寸分布等。
此外，扫描电镜在矿物学、工业品质检测、环境科学和考古学等领域也有广泛应用。
在矿物学中，扫描电镜可以对矿石和矿物进行分析，帮助确定它们的成分和结构。
在品质检测中，扫描电镜可以用于检查和验证产品的表面和微观结构，确保产品符合质量标准。
在环境科学中，扫描电镜可以用来研究大气颗粒物、水质中的微生物和化合物等。
在考古学研究中，扫描电镜可以协助鉴定古代人工制品的材质和表面特征，帮助研究人员了解古代文化和技术。
扫描电镜在科学研究和工业生产中具有重要的地位。
它能够提供高分辨率的显微观察，帮助科学家们深入了解材料的微观结构和形貌，从而促进科学研究的发展。
在工业领域，扫描电镜可以用于质量控制和产品改进，确保产品具有良好的性能和质量。
扫描电子显微镜(SEM)
3.2扫描电镜成像的物理信号
• 扫描电镜成像所用的 物理信号是电子束轰 击固体样品而激发产 生的。具有一定能量 的电子，当其入射固 体样品时，将与样品 内原子核和核外电子 发生弹性和非弹性散 射过程,激发固体样品 产生多种物理信号。
入射电子轰击样品产生的物理信号
一、背散射电子 （backscattering electron）
2．分辨率 （resolution）
• 在高能入射电子作 用下，试样表面激 发产生各种物理信 号，用来调制荧光 屏亮度的信号不同， 则分辨率就不同。 • 电子进入样品后,作 用区是一梨形区,激 发的信号产生于不 同深度
入射电子在样品中的扩展
2．分辨率 （resolution）
• 俄歇电子和二次电子因其 本身能量较低以及平均自 由程很短，只能在样品的 浅层表面内逸出。入射电 子束进入浅层表面时，尚 未向横向扩展开来，可以 认为在样品上方检测到的 俄歇电子和二次电子主要 来自直径与扫描束斑相当 的圆柱体内。 • 这两种电子的分辨率就相 当于束斑的直径。
一、背散射电子 （backscattering electron）
• 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽， 从数十电子伏到数千电子伏。 • 从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性 背散射电子所占的份额多。 • 背散射电子的产生范围在1000 Å到1 m深， 由于背散射电子的产额随原子序数的增加 而增加，所以，利用背散射电子作为成像 信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示 原子序数衬度，定性地进行成分分析。
工作原理
扫描电镜的成像原理，和透射电镜 大不相同，它不是用电磁透镜放大成 像，而是逐点逐行扫描成像。 • 由电子枪发射出来的电子束，在加速 电压作用下，经过2-3个电磁透镜聚 焦后，会聚成一个细的电子束。在末 级透镜上边装有扫描线圈，在它的作 用下电子束在样品表面按顺序逐行进 行扫描。 • 高能电子束与样品物质的交互作用 , 激发样品产生各种物理信号，如二次 电子、背散射电子、吸收电子、X射 线、俄歇电子和透射电子等。其强度 随样品表面特征而变化。 • 这些物理信号分别被相应的收集器接 受，经放大器按顺序、成比例地放大 后,送到显像管,调制显像管的亮度。
扫描电镜知识汇总
扫描电镜（SEM）超全知识汇总真空技术扫描电子显微镜，是自上世纪60年代作为商用电镜面世以来迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器，被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造、微电路检查等各个研究领域和工业部门。
如图1所示，是扫描电子显微镜的外观图。
▲图1. 扫描电子显微镜特点制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大、保真度高、有真实的三维效应等，对于导电材料，可直接放入样品室进行分析，对于导电性差或绝缘的样品则需要喷镀导电层。
基本结构从结构上看，如图2所示，扫描电镜主要由七大系统组成，即电子光学系统、信号探测处理和显示系统、图像记录系统、样品室、真空系统、冷却循环水系统、电源供给系统。
电磁透镜：热发射电子需要电磁透镜来成束，所以在用热发射电子枪的扫描电镜上，电磁透镜必不可少。
通常会装配两组：汇聚透镜和物镜，汇聚透镜仅仅用于汇聚电子束，与成象会焦无关；物镜负责将电子束的焦点汇聚到样品表面。
扫描线圈的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，因为它们是由同一扫描发生器控制的。
样品室内除放置样品外，还安置信号探测器。
2、信号探测处理和显示系统电子经过一系列电磁透镜成束后，打到样品上与样品相互作用，会产生二次电子、背散射电子、俄歇电子以及X射线等一系列信号。
所以需要不同的探测器譬如二次电子探测器、X射线能谱分析仪等来区分这些信号以获得所需要的信息。
虽然X射线信号不能用于成象，但习惯上，仍然将X射线分析系统划分到成象系统中。
有些探测器造价昂贵，比如Robinsons式背散射电子探测器，这时，可以使用二次电子探测器代替，但需要设定一个偏压电场以筛除二次电子。
3、真空系统真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。
真空柱是一个密封的柱形容器。
真空泵用来在真空柱内产生真空。
有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类，机械泵加油扩散泵的组合可以满足配置钨灯丝枪的扫描电镜的真空要求，但对于装置了场致发射枪或六硼化镧及六硼化铈枪的扫描电镜,则需要机械泵加涡轮分子泵的组合。
扫描电镜工作原理科普
扫描电镜工作原理科普扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束来观察材料表面形貌和获得微观结构图像的仪器。
与传统的光学显微镜相比，扫描电镜能够提供更高的分辨率和更大的放大倍数，因此在材料科学、生物学、纳米技术等领域被广泛应用。
下面将从工作原理、构成和应用角度对扫描电镜进行科普。
一、工作原理：扫描电镜的工作原理主要是利用电子的特性来实现高分辨率成像。
其基本原理可以概括为以下几个步骤：1.电子束的产生：扫描电镜中使用的是电子束而非光线，电子束通过热发射、场致发射等方式产生。
2.电子束的聚焦：电子束通过聚焦系统进行聚焦，使其能够更准确地照射到样品表面。
3.电子束的扫描：电子束通过扫描系统进行规律的扫描，以便覆盖样品表面的各个区域。
4.电子束与样品的相互作用：电子束照射到样品表面时，会与样品中的电子、原子发生相互作用，产生散射、透射、反射等现象。
5.信号的采集：根据与样品相互作用产生的信号，通过相应的探测器进行采集。
6.图像的生成：通过采集到的信号，经过信号处理和图像重构，最终生成样品的形貌图像。
二、构成：扫描电镜由以下几部分组成：1.电子枪：用于产生电子束的装置，通常采用热阴极或场致发射阴极。
2.聚焦系统：用于将电子束进行准确的聚焦，以便更好地照射到样品表面。
3.扫描系统：用于对样品表面进行规律的扫描，以便获取样品的整体形貌图像。
4.样品台：用于固定和导热样品，通常具有多种移动方式，以适应不同样品的观察需要。
5.检测器：用于采集样品与电子束相互作用所产生的信号，常用的检测器有二次电子检测器和反射电子检测器等。
6.显示和控制系统：用于显示图像、实时调节仪器参数以及采集和处理数据等。
三、应用：扫描电镜在科学研究、工业材料分析和教学实验等领域具有广泛的应用。
其主要应用如下：1.材料科学：扫描电镜可以用于研究材料的表面形貌、结构和成分，对于纳米材料、金属和非金属材料等的表面缺陷、晶体结构以及纳米结构等进行观察和分析。
扫描电镜分析 (2)
扫描电镜分析引言扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束来观察和分析材料的表面形貌和组成。
相比传统光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更好的分辨率，能够提供更详细的信息和更全面的材料表征。
本文将介绍扫描电镜分析的基本原理、操作步骤和应用领域。
扫描电镜分析的基本原理扫描电镜利用电子束与样品表面的相互作用生成图像，采用场发射电子源作为电子束的发射源。
电子束从电子源中发射出来后被加速，在经过透镜系统的聚焦作用下，聚焦在样品表面上。
样品表面的电子与电子束发生相互作用，包括散射、逸出等过程。
逸出的电子被收集和放大，转换成电信号，通过不同的检测器获得样品表面的形貌和组成信息。
扫描电镜分析的操作步骤1.准备样品：将待观察的样品切割、打磨，使其表面平整，去除杂质。
如果样品是不导电的，需要进行导电处理，如镀一层金属薄膜。
2.真空系统准备：将样品放置在扫描电镜的样品台上，通过真空系统排除气体，以保证电子束的传输。
3.调试扫描电镜参数：根据样品的性质和分析需求，设置电子束的加速电压、电子枪的亮度、放大倍数等参数。
4.扫描电镜观察：启动扫描电镜的电子束，将电子束聚焦在样品表面，利用扫描线圈扫描样品表面，收集和放大逸出的电子信号，生成图像。
5.图像分析：通过软件分析图像，测量样品表面的形貌和组成，获取相关的形态参数和元素成分信息。
扫描电镜分析的应用领域扫描电镜广泛应用于材料科学、生物学、化学等领域的研究和分析。
具体应用包括： - 材料表面形貌分析：扫描电镜能够提供高分辨率的材料表面形貌信息，用于评价材料的纹理、晶格形貌等。
- 生物样品观察：扫描电镜可以观察生物样品的微观结构，包括细胞形态、器官结构等，对生物学研究有重要意义。
- 纳米材料研究：扫描电镜在纳米材料的研究中得到广泛运用，能够观察和分析纳米颗粒的大小、形状、分布等特征。
- 化学成分分析：扫描电镜结合能谱仪可以进行化学成分分析，通过测量逸出电子的能谱来确定材料的元素成分。
扫描电镜学习
δ＝Is / I0
δ＝1
E’
Emax 1000
E’’
入射电子能量
二次电子产额与入射电子能量的关系
第33页/共93页
2000
❖ 入射电子能量较低时，δ随束能E增加而增加；在 高束能区，δ随E增加而降低。
❖ 当入射电子能量开始增加时，激发出来的二次电 子数增加；同时，电子进入到试样内的深度增加， 深部区域产生的低能二次电子在向表面运行过程 中被吸收。由于这两种因素影响，入射电子能量 与δ之间的曲线上出现极大值，即在低能区，电 子能量的增加主要提供更多的二次电子激发，高 能区主要增加入射电子的穿透深度。
电子束 正偏压＋250～500V
二次电子检测器 收集二次电子
电子束
负偏压－50V
背散射电子检测器 排斥二次电子
二次电子运动轨迹
背散射电子运动轨迹
二次电子和背散射电子的运动轨 迹
第40页/共93页
三、背散射电子像衬度及特点
背散射电子是被固体样品原子反射回来的一部 分
入射电 的深
子
，
信
号
主要来自样
品η表＝面I5B0/0I～0 1
扫描放大器
❖ 扫描电子显微镜的原 理示意图
观察和照相
• 由热阴极电子枪发射出的电子在电磁作用下加 速，经过2、3个电磁透镜的作用，在样品表面 聚焦成为极细的电子束（最小直径为1～ 10nm）。该细电子束在末透镜上方的双偏转 线圈作用下，在样品表面扫描。
• 被加速的电子束与样品相互作用，激发样品产 生各种物理信号，其强度随样品表面特征而变。
100～ 1000
100～ 1000
5～10
第24页/共93页
扫描电子显微镜的分辩率通常就是指二次电子 像
扫描电镜
扫描电镜扫描电镜是一种现代科学研究中常用的一种工具，它能够以极高的分辨率和放大倍数观察样品中的微观结构，对于材料科学、生物学、药物研发等领域都具有重要的意义。
下面本文将介绍扫描电镜的基本原理、工作方式以及其应用领域。
扫描电镜是一种利用电子束代替光线的显微镜，它的基本原理是利用电子的波粒二象性，通过控制电子束的聚焦和偏转，对样品进行扫描式的观察。
相比传统光学显微镜，扫描电镜可以提供更高的放大倍数和更高的分辨率，能够观察到更细微的细节结构。
扫描电镜的工作方式是将电子束从电子枪中发射出来，经过放大和聚焦后，通过磁场的控制进行偏转，最后聚焦到样品的表面。
在样品表面，电子束与样品之间会发生相互作用，产生一系列的信号，包括二次电子、反射电子、散射电子等。
这些信号经过收集和放大后，通过探头传感器转化为电信号，并经过计算机处理后得到图像。
扫描电镜有许多不同类型，其中常见的是场发射扫描电镜（FE-SEM）和透射电镜（TEM）。
场发射扫描电镜主要用于观察样品表面的形貌和结构，其分辨率可以达到纳米级别。
透射电镜则主要用于观察样品内部的结构，能够提供更高的分辨率，可以观察到原子水平的细节。
扫描电镜在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中，扫描电镜可以观察材料表面的微观结构和晶体形貌，帮助研究人员了解材料的性质和特性。
在生物学中，扫描电镜可以观察细胞的形态和结构，研究细胞的功能和组织的构成。
在药物研发中，扫描电镜可以观察药物微粒的形状和尺寸，帮助优化药物的制备工艺和提高药效。
除了以上应用领域，扫描电镜还广泛应用于材料质量控制、环境监测、纳米科学等领域。
随着技术的不断进步，扫描电镜的分辨率和性能也在不断提高，为科学研究提供了更强有力的工具。
总之，扫描电镜作为一种重要的科学研究工具，具有极高的分辨率和放大倍数，可以观察到微观结构的细节，帮助研究人员深入了解材料和生物体的特性和结构。
它在材料科学、生物学、药物研发等领域发挥着重要作用，并有着广泛的应用前景。
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电子探针和扫描电镜用WDS 或EDS的定性和定量分析时，就是利 用电子束轰击试样所产生的特征X 射线。每一个元素都有一个特征 X 射线波长与之对应，不同元素分析时用不同线系，轻元素用Ka 线系，中等原子序数元素用Ka 或La 线系，一些重元素常用Ma 线 系。入射到试样表面的电子束能量，必须超过相应元素的相应壳层 电子的临界激发能Ve，电子束加速电压V0＝（2—3）×Ve时，产 生的特征X 射线强度较高，根据所分析的元素不同，V0通常用10 kV－30kV。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面，用 X 射线能谱仪或波谱仪，测量电子与试样相互作用所产生的特征X 射线的 波长与强度， 从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用 二次电子或背散射电子等信息进行形貌观察。
是现代固体材料显微分析(微区成份、 形貌和结构分析)的最有用仪器， 应用十分广泛。电子探针和扫描电镜都是用计算机控制分析过程和进行数 据处理，并可进行彩色图像处理和图像分析工作，所以是一种现代化的大 型综合分析仪。据2003 年不完全统计，国内各种型号的电子探针和扫描电 镜超过2000 台，分布在各个领域。
背散射电子
背散射电子是指入射电子与样品相 互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次 逸出样品表面的高能电子，其能量接近 于入射电子能量( E。)。背射电子的产 额随样品的原子序数增大而增加，所以 背散射电子信号的强度与样品的化学组 成有关，即与组成样品的各元素平均原 子序数有关
Z i ci zi
阴极发光
阴极发光是指晶体物质在高能电子的照射 下，发射出可见光、红外或紫外光的现象。例 如半导体和一些氧化物、矿物等，在电子束照 射下均能发出不同颜色的光，用电子探针的同 轴光学显微镜可以直接进行可见光观察，还可 以用分光光度计进行分光和检测其强度来进行 元素分析。
阴极发光现象和发光能力、波长等均与材 料内"激活剂"种类和含量有关。这些"激活剂" 可以是由于物质中元素的非化学计量而产生的 某种元素的过剩或晶格空位等晶体缺陷。
分析试样中的杂质元素
阴极发光应用示例
阴极发光效应对试样中少量元素分布非常敏感，可以作为电子探针微 区分析的一个补充。例如耐火材料中的氧化铝通常为粉红色，ZrO2为兰色。 锗酸铋(BGO)晶体中的Al2O3为兰色，BGO 晶体也为兰色。 钨(W)中掺入 少量小颗粒氧化钍时，用电子探针检测不出钍的特征X 射线，但从发出的 兰荧光(用电子探针的同轴光学显微镜观察)可以确定氧化钍的存在。从阴 极发光的强度差异还可以判断一些矿物及半导体中杂质原子分布的不均匀 性。中国科学院上海硅酸盐研究所曾用阴极发光方法发现白金坩埚中有残 存的BGO 和Al2O3小颗粒，这是BGO 晶体生长过程中引起坩埚泄漏的主要 原因之一。
产生阴极发光的示意图
当晶体中掺入杂
质原子时，一般会在
满带与导带的能量间
隔中产生局部化的能
级G和A[图 (a)]，
这可能是属于这些激
活原子本身的能级，
也可能是在激活原子的微扰下主体原子的能级。在基态时，G 能级被电子所占据，
A能级是空的。在激发态则相反[图 (b)]。 试样在入射电子的激发下产生大量自由
透射电子
各种信息的作用深度
从图中可以看出， 俄歇电子的穿透 深度最小，一般 穿透深度小于 1nm，二次电子 小于10nm。
二次电子
入射电子与样品相互作用后，使样 品原子较外层电子（价带或导带电子） 电离产生的电子，称二次电子。二次电 子能量比较低，习惯上把能量小于50eV 电子统称为二次电子。二次电子能量低， 仅在样品表面5nm－10nm的深度内才能 逸出表面，这是二次电子分辨率高的重 要原因之一。
电子与固体试样的交互作用
一束细聚焦的电子束轰击试样表面 时，入射电子与试样的原子核和核外电 子将产生弹性或非弹性散射作用，并激 发出反映试样形貌、结构和组成的各种 信息，有：二次电子、背散射电子、
阴极发光、特征X 射线、俄歇过程和俄 歇电子、吸收电子等。
入射电子 Auger电子
阴极发光
样品
背散射电子 二次电子 X射线
特征X 射线Leabharlann 高能电子入射到试样时，试样中元素的原子内壳层(如K、L 壳层)电子 将被激发到较高能量的外壳层，如L 或M 层，或直接将内壳层电子激发到原 子外，使该原子系统的能量升高——激发态。这种高能量态是不稳定的，原 子较外层电子将迅速跃迁到有空位的内壳层，以填补空位降低原子系统的总 能量，并以特征X 射线或Auger 电子的方式释放出多余的能量。由于入射电 子的能量及分析的元素不同，会产生不同线系的特征X 射线，如K 线系、L 线系、M 线系。如果原子的K 层电子被激发，L3层电子向K层跃迁，所产生 的特征X 射线称Kα 1，M 层电子向K 层跃迁产生的X 射线称Kβ
扫描电镜知识
内容
概述 电子与固体试样的交互作用 扫描电镜 电子探针
概述
电子探针是电子探针X 射线显微分析仪的简称，英文缩写 为EPMA 或EMA (Electronprobe X-ray microanalyser)，扫描电 子显微境英文缩写为SEM（Scanning ElectronMicroscope）。 这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA 都具有SEM 的 图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这 两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。特别是现代 能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）， 也有人写为EDX（Energy Dispersive X-ray Spectrometer）。 EDS与SEM组合时，不但可以进行较准确的成分分析，而且一 般都具有很强的图像分析和图像处理功能。由于EDS 分析速度 快等特点，现在EPMA 通常也与EDS 组合
载流子，满带中的空穴很快就被G 能级上的电子所捕获， 而导带中的电子为A能级
所陷住。这就使AG 中心处于激发态，当电子从A 能级跳回到基态的G 能级时，释
放出的能量可能转变为辐射，即阴极发光[图 (c)]。阴极发光的波长取决于A、G 之
间的能量差，能量差不但与杂质原子有关，也与主体物质有关，所以阴极发光可以
背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为
IZ
2 3
~
3 4
式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。
背散射电子与二次电子 的信号强度与Z的关系
结论
二次电子信号在原序 数Z>20后，其信号强 度随Z变化很小。 用 背散射电子像可以观 察未腐蚀样品的抛光 面元素分布或相分布， 并可确定元素定性、 定量分析点。