扫描电子显微镜
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜扫描电子显微镜是一种强大的工具，它可以帮助科学家观察到物质的更小的细节和结构。
本文将介绍扫描电子显微镜的原理、应用、发展历程以及未来发展趋势。
原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种利用扫描电子束与物体相互作用而获得形貌和微区组织信息的显微分析仪器。
扫描电子显微镜的工作原理是，将高能电子轰击样品表面，使其表面电子被激发，发射出大量的二次电子。
这些二次电子被探测器接收并转换成负电荷信号，在特定条件下被扫描成像。
应用扫描电子显微镜广泛应用于多个领域，包括材料科学、生命科学、化学和地质学等。
以下是该技术在这些领域中的应用：•材料科学：用于获取材料的形貌、结构以及表面性质等信息。
•生命科学：用于观察细胞、细胞器、细胞表面的超微结构和蛋白质等生物分子的形态和结构。
•化学：用于观察化学反应过程表面形貌、结构的变化以及材料结构的演化过程等。
•地质学：用于研究各种矿物、岩石和地层等，以了解地质演化过程。
发展历程1950年，发明了透射式电子显微镜，但它只能用于真空环境下的样品。
1956年，Helmut Ruska和Max Knoll发明了扫描电子显微镜。
该技术能够在空气中观察样品，并获得更高的象素分辨率。
1965年， Hitachi公司普及了第一台商用扫描电子显微镜S-800。
自此以后，扫描电子显微镜技术得到了快速的发展。
未来发展趋势随着技术的发展，扫描电子显微镜的应用场景不断扩大。
今后，该技术将越来越多地应用于纳米材料和微细加工领域。
同时，随着计算机技术的发展，扫描电子显微镜将会实现更高的自动化和智能化，成为更加强大的工具。
结论扫描电子显微镜是一款横跨多个领域应用的重要科学工具，其在材料科学、生命科学、化学和地质学等领域均有广泛的应用。
虽然该技术已经发展多年，但随着技术和计算机技术的不断进步，扫描电子显微镜将会越来越强大，为人们探索科学世界提供更加强大的支持。
扫描电子显微镜ppt
根据仪器使用手册，进行校准标准操作，确保仪 器达到最佳工作状态。
调整参数
根据样品的性质和观察目的，调整扫描电子显微 镜的参数，如加速电压、工作距离等。
图像获取
图像调整
根据观察效果，调整扫描电子 显微镜的焦距、亮度、对比度 等参数，获取清晰、高质量的
图像。
图像存储
将获取的图像存储在计算机或硬 盘中，以便后续分析。
03
扫描电子显微镜的操作流程
样品准备
1 2
样品选择
选择具有代表性的、适合观察的样品，确保样 品无污染、无损坏、无过热等。
样品处理
根据样品性质，进行干燥、打磨、染色等处理 ，以优化观察效果。
3
样品装载
将处理好的样品放置在扫描电子显微镜的样品 台上，确保位置准确、稳定。
仪器校准
仪器开机
打开扫描电子显微镜的电源，启动控制系统，预 热仪器。
高速扫描技术
采用更快速的扫描方式，提高成像速度，适用于动态过程或高速 运动的样品。
三维重构技术
利用计算机技术和算法，将多个层面的扫描结果进行整合，获得 样品的三维结构信息。
跨学科应用与合作
与其他技术的结合
将扫描电子显微镜与其他分析仪器（如光谱仪、能谱仪等）结合，实现多维 度的综合分析。
跨领域应用
拓展扫描电子显微镜在生物学、医学、材料科学、地质学等领域的应用，促 进跨学科的合作与交流。
电子与样品的相互作用
当高能电子束打到样品表面时，会与样品原子发生相互作用，产生各种散射 和发射的电子、次级电子、俄歇电子等。
信号收集与图像形成
信号收集
在扫描电子显微镜中，通过特殊的探测器来收集各种散射和发射的电子，如次级 电子、反射电子、透射电子等。
扫描电子显微镜简介
工作原理
扫描电镜工作原理图
ChengF
工作方式
扫描电镜中，用来成像的信号主要是 二次电子，其次是背反射电子和吸收 电子，X射线和俄歇电子主要用于成 分分析，其他信号的电子也用一定的 用途。
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工作方式
电子束与固体样品表面作用 时产生的信息
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工作方式
二次电子
二次电子是从表面5－10nm层内发射出来的，能量 小于50eV，它对表面状态形貌非常敏感，能非常 有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试 样表面层，入射电子还没有被多次散射，因此产 生二次电子的面积与入射电子的照射面积基本相 同，二次电子的空间分辨率较高，JSM5610二次电 子分辨率为3nm。
●显示系统一般是把信号经处理输入电脑在显
示器上显示。
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扫描电镜的结构
闪烁体计数器
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扫描电镜的结构
真空系统
真空系统在电子光学仪器中十分重要,这是 因为电子束只能在真空下产生和操纵。对 于扫描电子显微镜来说,通常要求真空度优 于10-3～10-4Pa。任何真空度的下降都会导 致电子束散射加大,电子枪灯丝寿命缩短, 产生虚假的二次电子效应,严重影响成像的 质量。因此,真空系统的质量是衡量扫描电 子显微镜质量的参考指标之一。
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试样制备
试样应有良好的导电性，或至少试样表面 导电性要好。导电性不好的试样，如高分 子材料、陶瓷、生物样等再入射电子的照 射下，表面容易积累电荷严重影响图像质 量。对不导电的试样，必须进行真空镀膜 ，在试样表面蒸镀一层厚约10nm的金属膜 或碳膜，以避免荷电现象。真空镀膜技术 还可以提高表面二次电子发射率，提高图 像衬度。
背反射电子
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。
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。
04
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
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）. SEM与电子探针的功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱仪。
它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子，背散射电子等对样品表面或断口相貌将行观察和分析。
现在SEM都与能谱组合，可以进行成分分析。
所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已经广泛用于材料，冶金，矿物，生物学等领域。
扫描电镜结构原理1．扫描电镜的工作原理及特点2．扫描电镜的工作原理与闭路电视系统相似2.扫描电镜的主要结构主要包括有电子光学系统，扫描系统，信号检测放大系统，图像显示和记录系统，电源和真空系统等透射电镜一般由电子光学系统（照明系统），成像放大系统，电源和真空系统三部分组成扫描电镜扫描电镜图像及衬度1.二次电子象2.背散射电子象二次电子象入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子电离产生的电子，称二次电子。
二次电子能量较低，习惯上把能量小于50ev电子成为二次电子，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。
1.二次电子象二次电子象使表面形貌衬度，它是利对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种象衬度。
因为二次电子信号的主要来处样品表层5-10NM的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，便对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感，二次电子象分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。
凹凸不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探针器很容易全部被收集，所以二次电子象无阴影效应，二次电子易受电场和磁场的影响背散射电子像背散射电子像使指入射电子与样品相互作用之后，再次逸出样品表面的高能电子，其能量接近与入射电子能量。
背射电子大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大的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。
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。
扫描电子显微镜
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扫描电子显微镜
昆虫的扫描电镜照片
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扫描电子显微镜
三氧化钼晶体
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扫描电子显微镜
树枝状晶体
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参考文献
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扫描电镜图象原理
二次电子像
背散射电子像
9
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，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。
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形貌衬度原理
图中为根据上述原理 画出的造成二次电子 形貌衬度的示意图 图中样品B面的倾斜 度最小，二次电子的 产额最少，亮度最低； 反ห้องสมุดไป่ตู้，C面的倾斜度 最大，亮度也最大
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背散射电子像
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。
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镜的观测内容 ——透射电子显微镜
★表面起伏状态所反映的微观结构问题；
★观测颗粒的形状、大小及粒度分布； ★观测样品个各部分电子射散能力的差异； ★晶体结构的鉴定及分析。
如果入射电子把样品表面原子的内层电子撞 出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能 特征X射线 量以电磁辐射的形式放出，就产生特征X射线， 可用于元素分析。 如果入射电子把外层电子打进内层，原 俄歇 子被激发了．为释放能量而电离出次外层电 (Auger)电 子，叫俄歇电子。 子 主要用于轻元素和超轻元素(除H和He)的 分析，称为俄歇电子能谱仪
◆
放大倍数
电镜最大的放大倍数等于肉眼分辨率(约 0.2mm)除以电镜的分辨率0.2nm，因而在106 数量级以上。
衬度
在分析TEM图像时，亮和暗的差别(即衬度， 又称反差)到底与样品的什么特性有关，这点对 解释图像非常重要。
透射电子显微镜的样品处理
对样品的一般要求
1、样品需置于直径为2－3mm的铜制载网上，网上 附有支持膜； 2、样品必须很薄，使电子束能够穿透，一般厚度为 100nm左右； 3、样品应是固体，不能含有水分及挥发物；
应用实例
在26000倍下观测碳酸钙粉末
入射电子穿达到离核很近的地方被反射，没有 背景散射 能量损失；反射角的大小取决于离核的距离和 电子 原来的能量，实际上任何方向都有散射，即形 成背景散射 如果入射电子使试样的原于内电子发生电离， 高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较 阴极荧光 长(在可见光或紫外区)，称为阴极荧光，可用 作光谱分析，但它通常非常微弱
2、因为空气会便电子强烈地散射，所以凡有电子运 行的部分都要求处于高真空，要达到1.33×10－4 Pa或更高。
光学显微镜中的玻璃透镜不能用于电镜，因为 它们没有聚焦成像的能力，是“不透明”的。电流 通过线圈时出现磁力线和南北极。 ◆ 由于电子带电，会与磁力线相互作用，而使电 子束在线圈的下方聚焦。只要改变线圈的励磁电流， 就可以使电镜的放大倍数连续变化。为了使磁场更 集中在线周内部也包有软铁制成的包铁，称为极靴 化，极靴磁透镜磁场被集中在上下极靴间的小空间 内，磁场强度进一步提高。
◆
电镜三要素 分辨率
放大倍数
衬度
分辨率
大孔径角的磁透镜，100KV时，分辨率可达 0.005nm。实际TEM只能达到0.1－0.2nm，这是由于 透镜的固有像差造成的。 ◆ 提高加速电压可以提高分辨率。已有300KV以上 的商品高压(或超高压)电镜，高压不仅提高了分辨率， 而且允许样品有较大的厚度，推迟了样品受电子束损 伤的时间，因而对高分子的研究很有用。但高加速电 压意味着大的物镜，500KV时物镜直径45－50cm。 ◆ 对高分子材料的研究所适合的加速电压，最好在 250KV左右。
透射电镜(TEM)基本原理
Transmissim Electnonic Microscopy
透射电镜基本构造与光学显微镜相似，主要由 光源、物镜和投影镜三部分组成，只不过用电子束代 替光束，用磁透镜代替玻璃透镜。光源由电子枪和一 或两个聚光镜组成，其作用是得到具有确定能量的高 亮度的聚焦电子束。
电子透镜系统 真空系统 供电系统 的透 构射 造电 镜
电镜的成像光路上除了物镜和投影镜外， 还增加了中间镜，即组成了一个三级放大成像 系统。 物镜和投影镜的放大倍数一般为100，中间 镜的放大倍数可调，为0－20。中间镜的物平面 与物镜的像平面重合，在此平面装有一可变的
光阔，称为选区光阑。荧光屏、光学观察放大 镜及照相机等组成观察系统。
电镜构造的 两个特点 1、磁透镜
直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射 透射电子 电子用于透射电镜(TEM)的成像和衍射
◆
如果入射电子撞击样品表面原子的外层电 子，把它激发出来，就形成低能量的二次电子， 在电场的作用下它可呈曲线运动，翻越障碍进 入检测器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成 像。 二次电子 ◆ 二次电子的强度主要与样品表面形貌有关。 二次电子和背景散射电子共同用于扫描电镜 (SEM)的成像。 ◆ 当探针很细，分辨高时，基本收集的是二 次电子而背景电子很少，称为二次电子成像 (SEI)
显微分析技术 电子显微镜
Technology for Microscopy Analysis ----Electron Microscope
一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当 电子的运动方向被改变，称为散射。
弹性散射 散射
电子只改变运动方向而电子的 能量不发生变化
非弹性散射 电子的运动方向和能量都发生变化
4、样品应有足够的强度和稳定性，在电子线照 射下不至于损坏或发生变化；
5、样品及其周围应非常清洁，以免污染而造成
对像质的影响。
Байду номын сангаас 透射电子显微镜的样品处理
样品的一般制备方法
1、粉末样品可将其分散在支持膜上进行观察。
2、直接制成厚度在100－200nn之间的薄膜样品，观 察其形貌及结晶性质。一般有真空蒸发法、溶 液凝固(结晶)法、离子轰击减薄法、超薄切片 法、金届薄片制备法。
电镜的发展历史
▼ 1932年鲁斯卡发明创制了第一台透射电子显微
镜实验装置(TEM)。
▼ 相继问世了扫描透射电子显微镜(STEM)、扫描
电子显微镜(SEM)以及上述产品与X射线分析系 统(EDS、WDS)的结合，即各种不同类型分析 型电子显微镜。
▼ 1986年，宾尼格和罗雷尔先后研制成功扫描隧
道电子显微镜(STM)和原于力电子显微镜(AFM)， 使人类的视野得到进一步的扩展。
成像的影响因素
★电子数目越多．散射越厉害，透射电子就越少，从而
图像就越暗
★样品厚度、原子序数、密度对衬度也有影响，一般有
下列关系： a．样品越厚，图像越暗； b．原于序数越大，图像越暗； c．密度越大，图像越暗 其中，密度的影响最重要，因为高分子的组成中原 于序数差别不大，所以样品排列紧密程度的差别是其反 差的主要来源。