扫描电子显微镜SEM
扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)
二次电子能够产生样品表面放大的形貌像，这个像是在样品被扫描时按时序建立起来的，即使用逐点成像的方法获得放大像。
扫描电子显微镜（SEM）
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扫描电镜的优点：有较高的放大倍数，20-200000倍之间连续可调；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；试样制备简单，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形貌的观察和微区成分分析（即SEM-EDS），因此它是当今十分重要的科学研究仪器之一。
扫描电子显微镜（SEM）工作原理
透射电子显微镜（TEM）：
透射电子显微镜可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。
1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。
扫描电子显微镜下，细胞（粉色、蓝色）上培养出来的新冠病毒（黄色）
学习感悟：生命科学的发展离不开技术，显微镜的发明推动了生命科学的发展。要观察病毒就需要特殊的显微镜。
扫描电子显微镜（SEM）：
扫描电子显微镜是1965年发明的主要用于细胞生物学研究电子显微镜，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子。
扫描电子显微镜及能谱仪SEM
扫描电子显微镜及能谱仪SEM扫描电子显微镜及能谱仪SEM扫描电子显微镜及能谱仪SEM是一种强大的实验仪器，它能够帮助我们开启微观世界的大门，从而深入了解物质在最基本层面的性质和结构。
本文将在以下几个方面对SEM及其应用进行介绍。
一、扫描电子显微镜SEM的原理扫描电子显微镜SEM是一种采用电子束的显微镜，通过高能电子束与样品相互作用，透过扫描线圈产生扫描信号，实现对样品表面形貌的观察和获取高清晰度的图像。
SEM和光学显微镜有很大的不同，光学显微镜是使用光来观察物质的显微镜，而SEM则是使用电子来观察物质。
扫描电子显微镜SEM的工作原理主要分为以下三个步骤：1、获得高能电子束：扫描电子显微镜SEM内部有个电子枪，电子枪发射出的电子经过加速器的加速器和聚焦极的聚焦，成为高能电子束。
2、扫描样品表面：高能电子束射向样品表面，样品表面反弹回来的电子信号被SEM仪器捕获。
3、产生扫描信号：把从样品表面反弹回来的电子信号进行放大，形成显微图像。
二、能谱仪的原理能谱仪是SEM中的重要组成部分，它可以检测电子在样品中的反应和监测样品中所含的化学元素，以及相应元素的含量。
能谱仪的工作原理是通过检测样品产生的X射线来分析样品组成，电子束与样品相互作用，产生一系列的X射线能量峰值。
每个元素都有不同能级的电子，其X射线产生的能量也分别对应不同的峰值。
因此，通过表征能谱仪所发现的不同X射线能量峰的位置和强度，可以确定样品中所含元素。
三、SEM的应用1、矿物学SEM被广泛应用于矿物学研究中，因为它能够提供很高的图像分辨率。
将样品与高能电子束相互作用可使样品表面反射的电子被收集，从而形成高分辨率的矿物学图像。
2、材料科学在材料科学中，SEM被用于表面形貌研究以及微观结构解析。
通过SEM可以获取材料的内部结构和力学特性，为材料研发和工业应用提供了有力支持。
3、医学SEM在医学领域也有极为重要的应用，例如用于人体组织医学研究。
SEM可以提供高质量且精细的人体组织图像，进一步促进了医学领域的研究和治疗。
扫描电镜sem
扫描电镜（SEM）简介扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束对样品表面进行扫描的显微镜。
相比传统的光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度视野，使得它成为材料科学、生命科学和物理科学等领域中常用的研究工具。
SEM通过利用电子多次反射，将样品表面的形貌细节放大数千倍，可以观察到微观结构，比如表面形态、粗糙度、纳米级颗粒等。
SEM通常需要真空环境下操作，因为电子束在大气压下很快会失去能量而无法达到高分辨率。
工作原理SEM的工作原理可以简单地分为以下几步：1.电子发射：SEM中，通过热发射或场发射的方式产生电子束。
这些电子被加速器加速，形成高速的电子流。
电子束的能量通常在10-30 keV之间。
2.样品照射：电子束通过一个聚焦系统照射到样品表面。
电子束与样品原子发生相互作用，从而产生各种现象，比如电子散射、透射和反射。
3.信号检测：样品与电子束发生相互作用后，产生的信号会被探测器捕获。
常见的SEM信号检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器。
这些探测器可以测量电子信号的强度和性质。
4.信号处理和图像生成：SEM通过对探测到的信号进行处理和放大，生成图像。
这些图像可以显示出样品表面的微观结构和形貌。
应用领域SEM在许多科学领域中都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：材料科学SEM可以用于研究材料的结构和形态。
它可以观察微观缺陷、晶体结构、纳米颗粒等材料细节。
这对于材料工程师来说非常重要，可以帮助他们改进材料的性能和开发新的材料。
生命科学SEM可以用于观察生物样品的微观结构。
比如，它可以观察细胞的形态、细胞器的分布和细胞表面的纹理。
这对于生物学家来说非常重要，可以帮助他们了解生物体的结构和功能。
纳米科学SEM在纳米科学领域中也有广泛的应用。
通过SEM可以对纳米材料进行表面形貌和结构的观察。
它可以显示出纳米结构的细节，帮助科学家研究纳米颗粒的组装、层析和相互作用等现象。
SEM扫描电子显微镜
线扫描分析：
电子探针
将谱仪〔波、能〕固定在所要测量的某一元素特征X射线信 号〔波长或能量〕的位置，把电子束沿着指定的方向作直线轨 迹扫描，便可得到这一元素沿直线的浓度分布状况。转变位置 可得到另一元素的浓度分布状况。
面扫描分析〔X射线成像〕：
电子束在样品外表作光栅扫描，将谱仪〔波、能〕固定在 所要测量的某一元素特征X射线信号〔波长或能量〕的位置，此 时，在荧光屏上得到该元素的面分布图像。转变位置可得到另 一元素的浓度分布状况。也是用X射线调制图像的方法。
征X射线，分析特征X射线的波长〔或能量〕可知元素种类； 分析特征X射线的强度可知元素的含量。
➢ 其镜筒局部构造和SEM一样，检测局部使用X射线谱仪。
电子探针
X射线谱仪是电子探针的信号检测系统，分为: 能量分散谱仪〔EDS〕，简称能谱仪，用来测定X射线特征能量。 波长分散谱仪〔WDS〕，简称波谱仪，用来测定特征X射线波长。
对于纤维材料，用碳胶成束的粘接在样品台上即 可。
样品制备
粉末样品：留意粉末的量，铺开程度和喷金厚度。 粉末的量：用刮刀或牙签挑到双面导电胶〔2mm宽，8mm长〕，
均匀铺开，略压紧，多余的轻叩到废物瓶，或用洗耳球吹， 后者易污染。 铺开程度：粉末假设均匀，很少一点足矣，否则易导致粉末在 观看时剥离外表。喷金集中在外表，下面样品易导电性不佳， 观看比照度差，建议承受分散方式。
定量分析精度不如波谱仪。
电子探针
波谱仪
➢ 波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。 ➢ 依据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过确定晶面间距的晶
体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续地转变θ， 就可以在与X射线入射方向呈2θ的位置上测到不同波长的特征X射线信 号。 ➢ 依据莫塞莱定律可确定被测物质所含有的元素 。
扫描电子显微镜(SEM)简介
完成观察后，关闭扫描电子显微镜主机和计 算机，清理样品台，保持仪器整洁。
注意事项
样品求
确保样品无金属屑、尘埃等杂质，以 免损坏镜体或影响成像质量。
避免过载
避免长时间连续使用仪器，以免造成 仪器过载。
保持清洁
定期清洁扫描电子显微镜的镜头和样 品台，以保持成像清晰。
操作人员要求
操作人员需经过专业培训，了解仪器 原理和操作方法，避免误操作导致仪 器损坏或人员伤害。
操作方式
有些SEM需要手动操作，而有 些型号则具有自动扫描和调整 功能。
适用领域
不同型号的SEM适用于不同的领 域，如材料科学、生物学等，选
择时应考虑实际应用需求。
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SEM的操作与注意事项
操作步骤
01
02
03
开机与预热
首先打开电源，启动计算 机，并打开扫描电子显微 镜主机。预热约30分钟， 确保仪器稳定。
场发射电子源利用强电场作用下的金属尖端产生电子，具有高亮度、低束流的优点， 但需要保持清洁和稳定的尖端环境。
聚光镜
聚光镜是扫描电子显微镜中的重 要组成部分，它的作用是将电子 束汇聚成细束，并传递到样品表
面。
聚光镜通常由两级组成，第一级 聚光镜将电子束汇聚成较大直径 的束流，第二级聚光镜进一步缩
小束流直径，提高成像质量。
生态研究
环境SEM技术可以应用于生态研究中， 例如观察生物膜、土壤结构等，为环 境保护和治理提供有力支持。
THANKS
感谢观看
样品放置
将样品放置在样品台上， 确保样品稳定且无遮挡物。
调整工作距离
根据样品特性，调整工作 距离（WD）至适当位置， 以确保最佳成像效果。
操作步骤
仪器分析SEMTEM
仪器分析SEMTEMSEM（扫描电子显微镜）和TEM（透射电子显微镜）是两种常用的仪器分析方法，用于观察材料的微观结构和成分。
它们都利用电子束与样品的相互作用来获取信息。
下面将分别介绍SEM和TEM的工作原理和应用。
SEM利用高能电子束与样品表面的相互作用来观察样品的表面形貌和成分。
其工作原理如下：电子枪产生的聚焦电子束通过透镜系统形成一个细小的电子束，并聚焦引导到样品表面上。
与样品表面相互作用的电子束导致了反射、散射或吸收，其中部分电子通过接收器收集到形成信号。
这些信号被转换成图像，并在显微镜屏幕上显示出来。
SEM可以提供高分辨率、大深度以及大视场的表面形貌图像，并且可以通过能谱分析系统对样品的元素组成进行表征。
SEM广泛应用于材料科学、生物科学、纳米科学等领域。
在材料科学中，SEM可以用于观察材料的晶体形态、纹理、表面缺陷等。
在生物科学中，SEM可以用于观察细胞、组织和生物材料的形貌和结构。
在纳米科学中，SEM可以用于研究纳米材料的形貌、尺寸和形状。
此外，SEM还可以用于分析样品的成分和化学组成。
相比之下，TEM是一种通过透射电子束与样品相互作用来观察材料的内部结构和成分的方法。
其工作原理如下：电子枪产生的电子束经过透镜系统形成一个细小的电子束，并聚焦到样品上。
样品上的一部分电子透过样品，并通过设备上的透射电子探测器来检测。
这些透射电子被转换成图像，并在显微镜屏幕上显示出来。
TEM具有高分辨率的优点，可以提供关于样品内部结构和成分的详细信息。
TEM广泛应用于材料科学、生物科学、纳米科学等领域。
在材料科学中，TEM可以用于观察材料的晶格结构、晶界、层状结构等。
在生物科学中，TEM可以用于观察细胞、组织和病毒等的内部结构。
在纳米科学中，TEM可以用于观察纳米材料的结构、尺寸和形貌。
此外，TEM还可以用于分析样品的成分和化学组成。
综上所述，SEM和TEM是常用的仪器分析方法，用于观察材料的微观结构和成分。
sem扫描电镜
景深
景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。 扫描电镜的物镜采用小孔视角、长焦距，可以获得很大的景深 。 扫描电镜的景深为比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深 大10 倍。 由于景深大，扫描电镜图像的立体感强，形态逼真。对于表面粗糙的端口试 样来讲，光学显微镜因景深小无能为力，透射电镜对样品要求苛刻，即使用 复型样品也难免出现假像，且景深也较扫描电镜为小，因此用扫描电镜观察 分析断口试样具有其它分析仪器无法比拟的优点。
图5 各种检测器的示意图
图6 信号处理的流程示意图
真空系统和电源系统
真空系统：包括机械泵和扩散泵。 作用：为保证电子光学系统正常工作，提供高的真空度，防止 样品污染，保持灯丝寿命，防止极间放电。 电源系统：包括启动的各种电源（高压、透镜系统、扫描电 圈），检测−放大系统电源，光电倍增管电源，真空系统和成 像系统电源灯。还有稳压、稳流及相应的安全保护电路。
主要内容
SEM的工作原理 SEM的主要结构 SEM的组成部分 SEM的主要性能参数 SEM的优点 应用举例
SEM的工作原理
电子枪发射电子束（直径50μm）。电压加速、磁透镜系统汇 聚，形成直径约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。 简单概括起来就是“光栅扫描，逐点成像”。
扫描电镜技术在木材工业领域的应用
木质人造板研究 北京林业大学母军等人进行了废弃人造板
炭化产物分析的研究，通过微观扫描电镜观察发现，炭化产物 的微观表面平滑，纹孔开放，沉积物减少。
扫描电子显微镜(SEM)-介绍-原理-结构-应用
探头
扫描发生器 显像管
视频放大器
光电倍增管
试样
光导管
试样台
扫描电子显微镜主要由以下四个部分组成： 1. 电子光学系统：作用是获得扫描电子束，
作为信号的激发源。 2. 信号收集及显示系统：作用是检测样品在
入射电子作用下产生的物理信号 3. 真空系统：用来在真空柱内产生真空 4. 电源系统：作用是提供扫描电镜各部分所
3.3 背散射电子
背散射（backscattered）电子是指入射电子在样 品中受到原子核的卢瑟福散射后被大角度反射，再 从样品上表面射出来的电子，这部分电子用于成像 就叫背散射成像。 背散射分为两大类：弹性背散射和非弹性背散射。 弹性散射不损失能量，只改变方向。非弹性散射不 仅改变方向，还损失能量。从数量上看，弹性背反 射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。背反 射电子的产生范围在100nm-1mm深度。
d4
光电倍增管
d3:扫描系统ຫໍສະໝຸດ 试样光导管d4:试样室
试样台
2.1.1 电子枪
电子枪：钨丝成V形，灯丝中通以加热电流， 当达到足够温度时(一般操作温度为 2700K),发射电子束。在10-6Torr的真空 下，其寿命平均约40—80小时。
电子束 光阑孔
2.1.2 电磁透镜
电磁透镜：透镜系统中所用的透镜都是缩 小透镜，起缩小光斑的作用。缩小透镜 将电子枪发射的直径为30μm左右的电 子束缩小成几十埃，由两个聚光镜和一 个末透镜完成，三个透镜的总缩小率约 为2000~3000倍
03
SEM工作原理
3 扫描电镜成像的物理信号
入射电子轰击样品产生的物理信号
电子束与样品原子间的相互作用是表 现样品形貌和内部结构信息的唯一途 径。入射电子与样品原子中的电子和 原子核会发生弹性碰撞和非弹性碰撞， 所产生各种电子信号和电磁辐射信号 都带有样品原子的信息，从不同角度 反映出了样品的表面形貌、内部结构、 所含元素成分、化学状态等。
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三、透射电子
当样品足够薄时(0.1m)，透过样品的入射电
子即为透射电子，其能量近似于入射电子的能 量。
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四、吸收电子
残存在样品中的入射电子。若在样品和地之间
接入一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品 对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。
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七、阴极荧光
入射电子束轰击发光材料表面时，从样品中激
发出来的可见光或红外光。
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八、感应电动势
入射电子束照射半导体器件的 PN结时，将产生
由于电子束照射而引起的电动势.。
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上述信息，可以采用不同的检测仪器，将其转
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五、俄歇电子
从距样品表面几个 Å深度范围内发射的并具有
特征能量的二次电子，能量在50～1500eV之间。 俄歇电子信号适用于表面化学成份分析。
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六、特征X射线
样品中原子受入射电子激发后，在能级跃迁过
程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电 磁波辐射，其发射深度为0.5~5m范围。
二次电子是被入射电子轰击出来的核外电子，
它来自于样品表面100Å左右(50~500Å)区域，能 量为0～50eV，二次电子产额随原子序数的变 化不明显，主要决定于表面形貌。
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二、背散射电子
是指被固体样品原子反弹 深度范围，其能 量近似于入射电子能量，背散射电子产额随原 子序数的增加而增加，如图。利用背散射电子 作为成象信号不仅能分析形貌特征，也可用来 显示原子序数衬度，定性地进行成份分析。
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由于显象管中的电子束和镜筒中的电子束是同
步扫描的，显象管上各点的亮度是由试样上各 点激发出来的电子信号强度来调制的，即由试 样上任一点所收集来的信号强度与显象管荧光 屏上相应点亮度是一一对应的。 通常所用的扫描电镜图象有二次电子象和背散 射电子象。
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供电系统、真空系统。 结构原理图如图。
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二、扫描电镜与透射电镜的主要区别
1. 扫描电镜电子光学部分只有起聚焦作用的会聚透镜， 而没有透射电镜里起成象放大作用的物镜、中间镜和 投影镜。这些电磁透镜所起的作用在扫描电镜中是用 信号接受处理显示系统来完成的。 2. 扫描电镜的成象过程与透射电镜的成象原理是完全 不同的。透射电镜是利用电磁透镜成象，并一次成象； 扫描电镜的成象不需要成象透镜，它类似于电视显象 过程，其图象按一定时间空间顺序逐点形成，并在镜 体外显象管上显示。
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表5-1 各种信号成象的分辨本领
信号 二次电子 背散射电子 吸收电子 透射电子 感应电动势 阴极荧光 X射线 俄歇电子
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分辨率(nm) 5~10 50~200 100~1000 0.5~10 300~1000 300~1000 100~1000 5~10 HPU-LQ
变为放大的电信号，并在显象管荧光屏上或X －Y记录仪上显示出来，这就是扫描电镜的功 能。
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第二节 扫描电镜结构原理
结构组成 扫描电镜与透射电镜 的主要区别 成象原理
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一、结构组成
组成：电子光学系统、信号接受处理显示系统、
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第三节 主要性能指标
分辨本领与景深 放大倍数及有效放大倍数 主要仪器
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一、分辨本领与景深
扫描电镜的分辨本领有两重含义：
对于微区成份分析而言，它是指能分析的最小区域； 对于成象而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。
两者主要取决于入射电子束的直径，但并不等于直 径，因为入射电子束与试样相互作用会使入射电子 束在试样内的有效激发范围大大超过入射束的直径， 如图。入射电子激发试样内各种信号的发射范围不 同，因此各种信号成象的分辨本领不同（如下表）。
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三、成象原理
在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，一般经过 三个电磁透镜聚焦后，形成直径为0.02~20m的电子 束。末级透镜（也称物镜，但它不起放大作用，仍是 一个会聚透镜）上部的扫描线圈能使电子束在试样表 面上作光栅状扫描。 试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度 取决于试样表面的形貌、受激区域的成份和晶体取向， 置于试样附近的探测器和试样接地之间的高灵敏毫微 安计把激发出来的电子信号接收下来，经信号处理放 大系统后，输送到显象管栅极以调制显象管的亮度。
发射深度(nm) 5~50 100~1000
500~5000 0.5~2
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扫描电镜的景深是指在样品深度方向可能观察
的程度。在电子显微镜和光学显微镜中，扫描 电镜的景深最大，对金属材料的断口分析具有 特殊的优势。
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主要优点：放大倍数大、制样方便、分辨率高、景深 大等 目前广泛应用于材料、生物等研究领域 扫描电子显微镜的成象原理和光学显微镜、透射电子 显微镜均不同，它不是以透镜放大成象，而是以类似 电视摄影显象的方式、用细聚焦电子束在样品表面扫 描时激发产生的某些物理信号来调制成象，近年扫描 电镜多与波谱仪、能谱仪等组合构成用途广泛的多功 能仪器。
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第一节 电子束与固体样品相互作用
如图，当高能电子束轰 击样品表面时，由于入 射电子束与样品间的相 互作用，99％以上的入 射电子能量将转变成热 能，其余约1％的入射电 子能量，将从样品中激 发出各种有用的信息， 它们包括：
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一、二次电子