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
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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。
扫描电子显微镜的原理及应用实验
扫描电子显微镜的原理及应用实验1. 简介扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并获取图像的仪器。
相比传统的光学显微镜，扫描电子显微镜具有更高的分辨率和更大的深度视野，能够观察到更加细微的结构和表面形貌。
2. 原理扫描电子显微镜的工作原理是利用电子束与样品相互作用并产生不同信号的原理。
主要包括以下几个步骤：2.1 电子束产生扫描电子显微镜使用热阴极或场发射阴极产生电子束。
电子束经过聚焦系统的聚焦后，形成一个细小的束斑。
2.2 电子束扫描和探测电子束通过扫描线圈进行水平和垂直方向的扫描。
样品的表面与电子束相互作用，产生多种信号，如二次电子（Secondary Electrons，SE）、反射电子（Backscattered Electrons，BSE）等。
2.3 信号响应与检测不同的信号在显微镜中被收集和检测。
二次电子主要用于获得样品表面拓扑信息，反射电子则用于获取样品的组成成分和晶体结构信息。
2.4 图像重建和显示收集到的信号经过放大、调制、转换等处理后，通过显示器显示出样品的图像。
图像的亮度和对比度可以通过调节各种参数来优化。
3. 应用实验3.1 表面形貌观察利用扫描电子显微镜可以观察到样品表面的形貌特征，例如微观纹理、晶体结构等。
这对于材料科学、地球科学以及生物学等领域的研究具有重要意义。
3.2 粒径测量通过扫描电子显微镜观察样品表面的颗粒，可以进行颗粒的粒径测量。
结合适当的图像处理软件，可以对颗粒的大小、形状等进行分析。
3.3 成分分析通过检测反射电子信号，可以分析样品的成分和元素分布情况。
利用能谱仪，可以进行能谱特征分析，获得样品中元素的种类和含量。
3.4 结构分析扫描电子显微镜可以观察到样品的晶体结构和纹理信息。
结合电子衍射技术，可以进一步分析样品中的晶体结构、晶体取向以及晶界等细节。
3.5 故障分析对于材料科学和工程领域的故障分析，扫描电子显微镜是一种常见且有效的工具。
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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Scanning electron microscope (SEM)
一、SEM简单介绍
SEM是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描 成像。
试样为块状或粉末颗粒，成象信号可以是 二次电子（主要的成象信号）、背散射电 子或吸收电子。
二、SEM系统构造图
电子光学系统
扫描系统同时调节光阑孔径器(xy方向)， 直至图象不移动为止。 ❖ 再在5000~10000倍条件下重复①的操作。
六、操作步骤
1.发叉式热发射钨阴极电子枪 ❖ 高压及灯丝加热
一般情况下，接通仪器主电源后，真空抽气系统自动完成各 步抽气程序，约20一30min之后，镜体达到工作真空(～105Torr)，此时观察“OK”指示灯自动点亮。接通高压，根据观 察目的及试样特点，可在几kv一30kv之间任选。加热灯丝， 边观察发射电流表指针(或显象管亮度)，边顺时针转动灯丝加 热旋钮，直至稳定地达到某一饱和值后(如120μA)，从0～1２ 0μA再反复调两次。 ❖ 发射电流选择
电子束稳定性及灯丝寿命（合轴） ①转动透镜旋钮，改变透镜电源时，只有显象管上亮度
变化，而图象不移动，则合轴效果良好。 ②在约5000倍放大倍数条件下，在显象管图象上选一细 节进行聚焦时，如合轴效果好，图象应不移动。如图象 出现较大移动，需对物镜光阑进行合轴。
2.物镜光阑合轴 ❖ 在1000倍条件下，反复转动物镜聚焦旋钮，使显象管上
SEM and microtome TEM micrographs of microparticle MCM-41samples without defect
SEM micrographs of TWT MCM-41 materials
Lin et al, Science, 273, 765. (1996)
Account Chem Res., 35(11), 927-935, (2002)
SEM Micrographs of MCM-41 Hollow Sphere
Lin et al, Chem. Mater., 12, 3772 (1998)
Organic mesoporous materials
样品的表面形貌
SPS烧结的氧化锌陶瓷(550℃ 2 min)
80-120 nm
纳米碳管
纳米碳管阵列的发展
以热蒸镀法制备的 Si量子点的TEM影像
在GaSb基板以自组成法 制成的量子点SEM影像 直径大小约50nm
C/SiC纳米复合纤维 材料 具有优异机械强度及 导电特性
骨骼是天然的纳米复合材料 其中30%为胶原纤维 剩下的70%是纳米级的 磷酸钙晶体
三. 在金属材料方面的应用
一维氧化锌纳米结构的形貌与合成
ZnO纳米线 (PVD法)
一维氧化锌纳米结构的形貌与合成
ZnO纳米棒
J.-J. Wu, S.-C. Liu, Catalyst-Free Growth and Characterization of ZnO Nanorods, J. Phys. Chem. B 2002, 106, 9546-9551.
一维氧化锌纳米结构的湿化学合成
微乳液法合成ZnO纳米棒
直径约为150 nm
L. Guo, Y. L. Ji, H. B. Xu, P. Simon, and Z. Y. Wu, Regularly Shaped, Single-Crystalline ZnO Nanorods with Wurtzite Structure, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 14864-14865.
八、SEM的应用 1. 在高分子方面的应用
聚丙烯腈（ PAN ）纳米纤维的侧面SEM图
Lin Feng et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41(7), 1221
a
大 自 然c 中 的 现 象
e
b
d 10μm
f 10μm
1mm 10μm 200nm
2. 在催化剂方面的应用
Microphase separation of block copolyemers
❖ Phase separation ❖ Cross-linked lyotropic liquid
crystal (LLC) assemblies ❖ Template synthesis
A. S. Zalusky, et al, J. Am. Chem. Soc. 123, 1519 (2001)
与透射电镜相比，扫描电镜所用发射电流较大，一般为 10~150μA。每次更换灯丝时，可通过改变Ｌ调节发射电流量。 改变阳极与韦氏极间距Ｌ，如减小Ｌ，提高加速电压，可显 著增加发射电流。
3.校正象散与调整聚焦
4.图象拍照
七、SEM用途
几乎可以用在任何试样的表面或断面的研究：
(1)观察小至几十纳米大小的微粒； (2)可观察物质的表面或断面形貌、结晶形态、粒度、表面 粗糙度和凹凸情况等； (3)可观察结晶的表面缺陷、位错和台阶等的方向和种类： (4)弄清结晶的生长轨迹和方向等； (5)一般扫描电镜均配有能谱仪，可以在观察表面形貌的同 时进行选区成分分析；
三、SEM的工作原理
二次电子检测原理图
背散射电子成像原理图
五、SEM的特点
❖ 可观察直径为10~30mm的大试样，试样制作简单。 ❖ 适用于粗糙表面和断口的分析观察；图象有立体感、
真实感、易识别和解释。 ❖ 放大倍数变化范围大（15~200000倍），对多相、
多组成材料便于观察分析。 ❖ 有相当的分辨率，一般3~6nm，最高2nm。 ❖ 可通过电子学方法有效控制和改善图象的质量。 ❖ 可以进行多功能的分析。 ❖ 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验。