扫描电子显微镜技术SEM
扫描电子显微镜的构造和工作原理
扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过使用聚焦的电子束来替代传统显微镜中使用的光束，从而能够观察到非常小尺寸的物体或细节。
SEM的构造和工作原理如下：构造：1.电子源：SEM使用热电子发射或场致发射的方式产生电子束。
常用的电子源是热丝电子枪，其中一个被称为热阴极的钨丝加热电子产生材料，产生电子束。
2. 电子透镜系统：SEM中有两个电子透镜，分别称为透镜1（即准直透镜）和透镜2（即聚经透镜）。
透镜1和透镜2的作用是使电子束呈现较小的束斑（electron beam spot），从而提高分辨率和放大率。
3. 检测系统：SEM的检测系统包括两个主要部分，即二次电子检测器（Secondary Electron Detector，SED）和回散射电子检测器（Backscattered Electron Detector，BED）。
SED主要用于表面形貌观察，它能够检测到由扫描电子激发的二次电子。
BED则用于分析样品的成分和区分不同物质的特性。
4.微控样品台：SEM中的样品台可以精确调整样品位置，使其与电子束的路径重合，并且可以在不同的方向上转动，以便于观察不同角度的样品。
5.显示和控制系统：SEM使用计算机控制系统来控制电子束的扫描和样品台的移动，并将观察结果显示在计算机屏幕上。
工作原理：1.电子束的生成：SEM中的电子源产生高能电子束。
电子源加热电子发射材料，如钨丝，产生高速电子束。
2.电子透镜系统的聚焦：电子束经过透镜1和透镜2的聚焦，使其呈现出较小的束斑。
3.样品的扫描：样品台上的样品被置于电子束的路径中，并通过微控样品台控制样品的位置和方向。
电子束扫描过样品表面，通过电磁透镜和扫描线圈控制电子束的位置。
4.二次电子和回散射电子的检测：电子束与样品相互作用时，会产生二次电子和回散射电子。
二次电子是由电子束激发样品表面产生的电子，可以用来观察样品的表面形貌。
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。
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
材料分析中的扫描电子显微镜技术
材料分析中的扫描电子显微镜技术材料科学作为一门重要的研究领域，广泛应用于各个行业。
其基本原理是通过对材料的物理性质和结构进行研究，以提高材料的性能和功能。
在材料分析中，扫描电子显微镜（SEM）技术是一种非常重要的工具，能够提供高分辨率和大深度的观察和分析。
扫描电子显微镜是一种应用电子束技术的显微镜，其工作原理是通过聚焦的电子束扫描待观察的材料表面，然后通过探测器捕捉并记录反射的电子束信号。
与传统光学显微镜相比，SEM具有更高的分辨率和更大的深度。
它可以观察到材料的表面形貌、形状和大小，并提供其它有关材料结构和成分的信息。
SEM技术在材料科学中的应用非常广泛。
首先，它可以用来观察和分析材料的表面形貌和结构。
通过SEM观察材料的表面形貌，我们可以了解材料的纹理、孔隙结构和表面粗糙度等特征。
这对于研究材料的界面性质、材料的耐磨性和材料与环境的相互作用具有重要意义。
此外，SEM还可以提供材料的成分分析。
通过利用扫描电子显微镜上的能谱仪，我们可以获取X射线能谱信息，进而分析材料的元素组成和含量。
这对于材料的合成、纯度和混杂物含量的研究非常重要。
同时，SEM技术还可以通过电子束与材料的相互作用，提供对材料电荷分布、晶体结构和缺陷等性质的观察和分析。
扫描电子显微镜技术的应用不仅局限于材料科学领域。
在生物学、医学和环境科学等其他领域，SEM也发挥着重要作用。
在生物学中，SEM可以用来观察和分析生物细胞、组织和微生物的形态特征。
在医学中，SEM可以用于研究病毒、细菌和肿瘤细胞的形态、结构和成分。
在环境科学中，SEM可以用来观察和分析大气颗粒、水质颗粒和土壤颗粒等微观颗粒的形貌和成分，从而帮助我们研究环境中的污染物和微观生物。
尽管SEM技术在材料科学和其他领域中得到广泛应用，但它并非没有一些限制。
首先，SEM技术对样品的制备要求较高，样品需要进行表面处理和真空吸附，以确保电子束的穿透性和样品的稳定性。
此外，SEM分析所需的仪器和设备也相对昂贵，对于一些小型研究实验室来说可能存在一定的经济压力。
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(扫描电子显微镜)的原理
SEM(扫描电子显微镜)的原理
SEM是一种通过高能电子束扫描样品表面并利用其所产生的
信号来形成图像的显微镜。
其原理是利用电子束与样品表面交互所产生的各种信号（如二次电子、反射电子、散射电子、背散射电子等）作为样品表面形貌信息的载体，经过放大和成像后形成对样品表面形貌的图像。
具体来说，SEM的主要原理包括：
1. 高能电子束的产生
SEM使用的电子束通常由热阴极或场发射型阴极产生。
电子
从阴极中发射出来后，经过加速管加速到几千伏至数十万伏的高能电子束。
2. 电子束的聚焦
SEM使用电磁聚焦系统将电子束聚焦到非常小的点上，从而
实现高分辨率成像。
聚焦系统通常由多组圆柱形或双凸透镜组成。
3. 样品表面的交互
高能电子束照射样品表面时，会与样品表面相互作用，产生各种不同的信号。
这些信号包括二次电子、反射电子、散射电子、背散射电子等，它们可以提供关于样品表面形貌、成分和结构的信息。
4. 信号的检测和处理
SEM的检测系统通常由二次电子检测器、反射电子检测器、消旋极检测器等多种类型的检测器组成。
这些检测器负责收集和处理样品表面产生的各种信号，经过放大和成像等处理后，成为最终的SEM图像。
综上所述，SEM主要通过高能电子束和样品表面信号的交互来实现图像的成像和分析。
它能够观察到样品表面微观结构的形貌、成分和表面化学性质等信息，具有广泛的应用价值。
扫描电子显微镜技术的原理与应用
扫描电子显微镜技术的原理与应用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种广泛使用的高分辨率显微镜。
它可以在微观尺度下观察样品的表面形貌和组织结构，其像素大小可达纳米级别，比光学显微镜要好得多。
在本文中，我们将讨论扫描电子显微镜的原理和应用。
一、扫描电子显微镜的原理扫描电子显微镜的原理是使用电子束照射样品，并收集经过样品散射、反射和透射的电子，最终通过电子束与样品交互所产生的信号来生成影像。
1. 电子束的产生和聚焦扫描电子显微镜使用了与电视图像管类似的电子枪来产生电子束。
一个电子枪由阴极、阳极和聚焦环组成。
通过加热阴极，可以产生电子。
这些电子被聚焦环聚集在一起，形成电子束。
2. 样品的制备和载台在扫描电子显微镜中，样品必须制备成非导体或半导体，并且必须被涂上一层导电性物质。
常规的样品制备方法包括金属涂覆、碳涂覆、抛光、薄切片和冷冻切片。
载台是样品固定的地方，通常是由钨或钛制成的。
样品可以通过细长的悬臂臂支撑在载台上，这样可以将样品从离子束或电子束中保护起来。
3. 电子束与样品的交互电子束照射样品后，会与样品的原子和分子产生相互作用。
这些相互作用包括散射、反射和透射。
在样品表面的电子被电子束激发后，它们将从样品中排出，并输送到探测器上。
探测器可以检测到不同能量的电子和不同角度的电子。
这些电子将用于产生显微镜的影像。
4. 影像生成影像的生成从原始信号开始。
原始信号是由样品反射、透射和散射的电子产生的，以及电子束与样品相互作用所产生的次级电子。
次级电子是由于电子束与样品表面相互作用而产生的电子。
次级电子通常与样品表面形貌相关，因此可以用来产生高分辨率的图像。
扫描电子显微镜的成像具有非常高的空间分辨率，可达到亚纳米级别。
它还可以生成非常清晰的表面拓扑图像和物质中各种粒子的组织结构。
二、扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜已广泛应用于各种领域的研究，如材料科学、生物学、地球化学、环境科学、药学、半导体工业、纳米技术等。
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图8 扫描电镜下的花粉图片
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4.2 电镜的分类与特点
4.2.1 电子束与样品的相互作用
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高能电子束与固体物 质间的相互作用是一 个很复杂的过程，所 产生的各类电子信息 是电子显微镜进行成 像的重要依据。
03
4.1.1 电镜照片举例
例2：“泰坦尼克号”铆钉断面形貌
（a）“泰坦尼克号”油轮 （b）铆钉断面的扫描电镜形貌
图2 “泰坦尼克号”油轮铆钉的断面分析
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4.1.1 电镜照片举例
例2：“泰坦尼克号”铆钉断面形貌
“泰坦尼克号” 油轮曾号称“永不沉没之船”， 然而， 在1912 年4月15日该船的首航过程即因为与冰山碰撞而永 沉北大西洋海底。有科学家通过扫描电镜发现，在该油轮 所用的铆钉断面处含有较高比例的有机成份，推测认为这 是导致铆钉在冰冷的海水中发脆，进而导致沉船事故发生 的原因。
电子束在磁场中聚焦示意图
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4.1.2 电镜的发展历史
（3）第一个电子图像的获得 1931年
德国学者Knoll和Ruska 首次获得了放大12倍铜网 的电子图像。证明可用电 子束和磁透镜进行成像。
图5 Hale Waihona Puke 鲁斯卡拍摄的放大12倍铜网电子图像
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4.1.2 电镜的发展历史
（4）第一台透射电镜的诞生 1931-1934年
09
4.1.1 电镜照片举例
由以上四个通俗的例子可以发现，扫描电镜和透射电镜 作为两类最基本的电子显微镜技术，已经渗透于人类生活的 各个领域，是人类探索微观世界的有力工具之一。在此，首 先有必要对电镜的发展历史与现状作一初步的了解。
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4.1.2 电镜的发展历史
（1）波粒二相性理论的提出 1924年
Oatley and McMullan
18
4.1.2 电镜的发展历史
（7） 扫描电镜的发展历程
1965年剑桥大学推出第一台商品扫描电镜。目前其发展方 向是场发射型高分辨扫描电镜和环境扫描电镜。
图7 场发射扫描电镜（左）和环境扫描电镜（右）
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4.1.2 电镜的发展历史
（7） 扫描电镜的发展历程
目前扫描电镜的最高分辨 率可达1-2nm， 最好的高 分辨环境扫描电镜可在气 压为4000Pa下仍保持 2nm 的高分辨率水平。
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4.1.2 电镜的发展历史
（6） 现代透射电镜的发展水平
目前世界上生产透射电镜的厂家主要有：日本电子、日立 和美国菲利普公司。所产的透射电镜可粗略分为：
常规透射电镜：加速电压 100-200 kV; 中压透射电镜：加速电压 300-400 kV； 高压透射电镜：加速电压 1000 kV。
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4.1.2 电镜的发展历史
目录
4.1 电镜的发展历史及现状 4.2 电镜的分类与特点 4.3 扫描电镜的基本原理 4.4 扫描电镜的结构与性能 4.5 扫描电镜实验技术 4.6 扫描电镜的基本应用
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4.1 电镜的发展历史及现状
4.1.1 电镜照片举例
电子显微镜通常可分为扫描电子显微镜和透射电子显 微镜两类，是材料微观分析的重要工具之一，被广泛应用 于材料、化工、医学、生物等各个领域。例如 • • •
01
4.1.1 电镜照片举例
例1：恐龙蛋化石的表面分析
（a) 恐龙蛋数码图片 (b）恐龙蛋扫描电镜图片
图1 恐龙蛋壳的微观形貌
02
4.1.1 电镜照片举例
例1：恐龙蛋化石的表面分析
2008 年，江西赣州发现 15 枚罕见恐龙蛋化石。在肉眼 下，恐龙蛋壳表面光滑，但在扫描电镜下， 其表面却并不 光滑，而是呈凹凸不平状。
05
4.1.1 电镜照片举例
例3 ：“非典”病毒
（a）非典型病毒示意图 （b）非典型病毒的透射电镜图
图3 非典型病毒的透射电镜图片
06
4.1.1 电镜照片举例
例3 ：“非典”病毒
2003年春流行的非典型肺炎由 Sars病毒引起，属管状病 毒。在透射电镜下，“非典”病毒呈不规则形状，直径约 60-220 nm。病毒粒子外包着脂肪膜，膜表面有三种糖蛋白： 刺突糖蛋白、小包膜糖蛋白、膜糖蛋白。
德国学者鲁斯卡等研制成 功世界上第一台透射电子 显微镜，至1934年其分辨 率达到了500 埃。鲁斯卡 因为在电镜光学基础研究 及以上贡献获得了1986年 诺贝尔物理奖。
德国学者鲁斯卡（E. Ruska) 14
4.1.2 电镜的发展历史
（5）第一台商品透射电镜的问世 1939年
德国西门子公司总部
西门子公司于1939年研 制成功世界上第一台商品 透射电镜，分辨率优于 100埃；1954年进一步研 制成功Elmiskop I型透射 电镜 ，分辨率优于10埃。
（6）现代透射电镜的发展水平
随着20世纪90年代纳米 科技的发展，有力推动了 透射电镜的进一步发展， 目前透射电镜晶格分辨率 最高达0.1nm，放大倍率 150万倍。
图6 加速电压可达2000 kv的超高压透射电镜
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4.1.2 电镜的发展历史
（7） 扫描电镜的发展历程
在透射电镜的基础上, 1935 年德国学者诺尔首次提出了 扫描电镜的概念，1952年 剑桥大学Oatley等制作了 第一台扫描电镜。
法国物理学家德布罗意指 出：一切接近于光速运动 的粒子均具有波的性质。 人们由此联想是否可利用 波长更短的电子波代替可 见光成像？
路易• 德布罗意 （1892-1989） 法国物理学家 11
4.1.2 电镜的发展历史
（2）磁透镜聚焦理论的提出 1926年
德国学者 H. Busch 提出 了运动电子在磁场中的运 动理论。他指出：具有轴 对称的磁场对电子束具有 聚焦作用。这为电子显微 镜的发明提供了重要的理 论依据。
07
4.1.1 电镜照片举例
例4 ：单晶硅与多晶硅
（a）单晶硅
（b）多晶硅
图4 单晶硅与多晶硅的高倍率透射电镜形貌
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4.1.1 电镜照片举例
例4 ：单晶硅与多晶硅
硅是集成电路产业的基础，半导体硅工业产品包括单晶硅、 多晶硅、外延片和非晶硅等，其中单晶硅具有完整的点阵晶 体结构，不同的方向具有不同的性质，是一种良好的半导材 料，其纯度要求达到 99.9999% 以上才能满足各类应用要 求。利用高分辨率透射电镜可以监测单晶硅是否具有完善的 晶体结构。