扫描电子显微镜SEM应用案例介绍
第十章扫描电子显微分析(SEM)
低碳钢纳米化样品在6N载荷下的微观形 貌
表面出现裂纹及剥落坑，这 是因为材料表层在往复摩擦 力作用下的反复变形增大， 导致应变疲劳，裂纹萌生并 扩展，最终剥落，磨损机制 由开始的磨粒磨损转变为疲 劳磨损
氯化亚铜微观形态的观测
一种(上图)抗氧化能力较差(国内)；另一种(下 图)抗氧化能力较强(国外) 两者的微双形态呈明显的不同
5） 应力腐蚀开裂断口 在一定的介质条件和拉应力共同作用下引起的一种
破 坏形式。
产生过程： 腐蚀斑点（裂纹源) 应力作用下 斑点
连接形成裂纹 浸蚀扩展 断裂
断口形貌与疲劳断口相似。 断口特征：腐蚀坑、腐蚀产物及泥状花样。
低碳钢纳米化样品在4N载荷下的微观形 貌
沿滑动方向有梨沟及微观切 削形成的沟槽，表面破坏主 要是金刚石磨头及磨损过程 中脱落的氧化物对样品表面 造成的磨粒磨损造成的。A 区是金刚石磨头未与样品完 全接触而保留下来的原始表 面
颈缩破断
图8－5 韧窝断口微观形貌
扫描电子显微分析（SEM）
韧窝形状： 等轴韧窝 变形抛物线性韧窝
韧窝大小： 微孔生核数量多 微孔生核数量少
韧窝深浅： 塑性大 塑性小
单轴拉伸 剪切或撕裂
韧窝小 韧窝大
韧窝尺寸深 韧窝尺寸浅
扫描电子显微分析（SEM）
2） 解理断口 及准解理断口
原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂（沿 着一定的严格的结晶学平面发生开裂）。
SEM的主要性能
（2）分辨率： ①扫描电子束直径； ②入射电子束在样品中的扩展效应；
SEM的主要性能
③操作方式及其所用的调制信号； ④信号噪音比； ⑤杂散磁场； ⑥机械振动
（3）景深：透镜物平面允许的轴向偏 差定义为透镜的景深，用ΔF(Ff)来表示.
SEM原理及应用实例 PPT
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SEM应用实例1
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SEM应用实例1
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SEM应用实例1
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SEM应用实例1
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SEM应用实例1
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结束
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SEM示意图
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4
SEM特点
• 可以观察直径为10~30mm的大块试样，制样简 单
• 场深大，适用于粗糙表面和断口的分析；试样有 立体感，易于识别
• 放大倍数范围大 • 具有相当的分辨率 • 可以通过电子学方法有效的控制和改善图像质量 • 可进行多种功能的分析 • 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验
SEM原理及应用实例
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主要内容
1
SEM基本原理
2 Sቤተ መጻሕፍቲ ባይዱM分析应用实例
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2
SEM工作原理
扫描电镜是用于检验和分析固体微观结构特的最有 用的仪器之一。与透射电镜的成像方式不同，扫面电 镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。
由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用 下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐 行进行扫描，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、俄歇电子等。这 些物理信号的强度随样品表面特征而变，它们分别被 相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大 后，送到显像管成像，得到样品表面特征图像。
扫描电子显微镜(SEM)原理和应用
SEM2观测样品一
SEM2观测样品二
不同显微镜结果比较
AFM观测样品一
AFM观测样品二
不同尺度金刚石颗粒拉曼光谱研究
16000 14000
Intensity(cnt)
纳米量级金刚石薄膜拉曼谱 微米量级金刚石薄膜拉曼谱
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 300 600 900 1200 1500 1800
Raman Shift(cm-1)
纳米和微米尺寸金刚石薄膜的拉曼光谱
总结
工作总结：
SEM的原理，使用，维护
金相显微镜、SEM、AFM确定样品尺寸
不同尺寸对样品物理性质（拉曼光谱）的影响
工作展望：
拉曼光谱的进一步研究：变温、变磁场 其它测量手段，如XRD、红外光谱等
致谢
乐永康老师
蔡群老师
扫描电子显微镜（SEM）原理和 应用
报告人：张凯 火炎
指导老师：乐永康老师 蔡群老师
Outline
实验动机
SEM的工同显微镜结果对比
不同尺度金刚石颗粒拉曼光谱研究
总结
实验动机
SEM的工作原理
SEM的工作原理： 1、电子束扫描样品
2、在样品表面激发出次级电子
杨新菊老师
岑剡老师
Alignment screw
SEM的调试
LSP MODE、EXP SIZE模式下的观察
FILAMENT control 11 o’clock position
FILAMENT control 1 o’clock position First peak position
FILAMENT control 2 o’clock position Second peak position
SEM应用举例
SEM的应用4. SEM的应用SEM的应用主要表现在粉末颗粒分析、断口分析、高倍金相组织观察与分析和断裂过程的动态研究两方面。
1.粉末颗粒分析¾应用SEM对粉末颗粒的分析主要是通过电镜观察，确定粉末颗粒的外形轮廓、轮廓的清晰度、颗粒尺寸大小和厚薄、粒度分布和聚焦或堆叠状态等。
2.断口分析¾材料断口的微观形貌往往与其化学成分、显微组织、制造工艺及服役条件存在密切联系，所以断口形貌的确定对分析断裂原因常常具有决定性作用。
断口分析¾扫描电镜因其景深大，特别适用于断口分析。
¾新鲜金属断口可直接放入电镜进行观察，既简单又不致在制备过程中引入假象；扫描电镜允许在很宽的倍率范围内连续观察，可以对断口进行低倍(约10倍)大视域观察，并在此基础上确定感兴趣的区域(例如裂纹源)进行高倍观察分析，显示断口形貌的细节特征，揭示断裂机理。
3.高倍金相组织观察与分析在多相结构材料中，特别是在某些共晶材料和复合材料的显微组织和分析方面，由于可以借助于扫描电镜景深大的特点，所以完全可以采用深浸蚀的方法，把基体相溶去一定的深度，使得欲观察和研究的相显露出来，这样就可以在扫描电镜下观察到该相的三维立体的形态，这是光学显微镜和透射电镜无法做到的。
4．断裂过程的动态研究¾有的型号的扫描电镜带有较大拉力的拉伸台装置，这就为研究断裂过程的动态过程提供了很大的方便。
¾在试样拉伸的同时既可以直接观察裂纹的萌生及扩展与材料显微组织之间的关系，又可以连续记录下来，为科学研究提供最直接的证据。
断口观察SEM在断口观察中的应用一. 断裂分类1 从宏观现象上看，断裂可分为脆性断裂和延性断裂。
1.1脆性断裂¾脆性断裂表现为以材料表面、内部的缺陷或微裂纹为源，在较低的应力水平下(通常不超过材料的屈服强度)，在无塑性变形或只有微小塑性变形的情况下裂纹急速扩展。
¾在出现宏观裂纹后裂纹的扩展速度迅速上升到某个极限速度，大约可达声波在该材料中传播速度的三分之一。
第4章-扫描电子显微镜技术SEM
同步扫描原理： 由电子枪发射的高能电子束 经磁透镜聚焦形成扫描电子 束，通过扫描线圈的磁场控 制使扫描电子束在样品表面 按一定规律进行点扫描或光 栅扫描，所产生的电子信息 经传递放大转变成显像管内 的成像电子束。
图29 同步扫描示意图（快速）
45
4.3.4 同步扫描原理
同步扫描原理： 由于扫描电子束和显像管内的成像电子束受控于同一扫
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。
图21 磁透镜聚焦过程示意图
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4.3.1 扫描电子束的形成
点击链接观看动画
扫描电子束的特点：
高能量（40 kev);
直径小（5-10nm）。
反射电子
二次电子
图22 扫描电子束的产生过程
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4.3.2 扫描成像的一般过程
电子枪
荧光屏
磁 透 镜
物 镜
试样
反射电子 扫描控制电路
二次电子
光电放大系统
探测器
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
sem 固体形貌例子
sem 固体形貌例子SEM（扫描电子显微镜）是一种常用的表征固体形貌的仪器，它通过扫描样品表面并测量电子的反射来获得高分辨率的图像。
SEM可用于观察各种固体形貌，包括材料的微观结构、纳米颗粒的形状和大小、生物组织的表面形态等。
以下列举了一些具体的例子，用于说明SEM在不同领域中的应用。
1. 金属材料的晶体形貌：通过SEM可以观察金属材料的晶体形貌，包括晶粒尺寸、晶体取向和晶界分布等。
这对于研究金属材料的力学性能和工艺优化具有重要意义。
2. 矿物学研究：SEM可以用于观察和分析各种矿物的形貌，包括矿石的晶体结构、矿物的颗粒形状和表面特征等。
这对于矿石的勘探和矿石加工有着重要的指导意义。
3. 纳米材料的形貌表征：SEM可以用于观察和测量纳米颗粒的形状、尺寸和分布等。
这对于研究纳米材料的制备工艺和性能调控非常重要。
4. 生物学研究：SEM可以用于观察生物组织的表面形貌，包括细胞的形状、微生物的外形和组织的表面结构等。
这对于生物学研究和医学诊断具有重要意义。
5. 地质学研究：SEM可以用于观察和分析地质样品的形貌，包括岩石的组成、矿物的结构和沉积物的特征等。
这对于地质学的研究和资源勘探具有重要意义。
6. 粉末冶金研究：SEM可以用于观察和分析粉末冶金材料的形貌，包括粉末的形状、尺寸和分布等。
这对于粉末冶金工艺的优化和制备高性能材料具有重要意义。
7. 材料界面的形貌表征：SEM可以用于观察和分析材料界面的形貌，包括金属与陶瓷的界面、纳米材料的界面和涂层的形态等。
这对于材料界面的性能评价和界面工程具有重要意义。
8. 光学器件的形貌表征：SEM可以用于观察和分析光学器件的形貌，包括光学镜片的表面形态、光纤的截面形貌和微透镜的形状等。
这对于光学器件的制备和性能评价具有重要意义。
9. 化学材料的形貌表征：SEM可以用于观察和分析化学材料的形貌，包括聚合物的形态、表面修饰材料的形貌和纳米颗粒的形状等。
这对于化学材料的合成和性能调控具有重要意义。
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SEM应用案例介绍31页PPT
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
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锂电池主要由五部分 构成，正极材料、负 极材料、电解液、隔 膜和包装材料。
阳极材料
阳极材料
阴极材料
扫描电镜在工业中的应用
食品科学
油品过滤网
鱼尾骨
油品过滤网
食品科学中的应用
借助SEM放大过滤网，观看表面杂质，由EDS辅助微观分析其成分。
食品科学中的应用
鱼尾骨
扫描电镜在生命学科中的应用
植物学
02
1号
观看隔膜的 孔隙，分析 隔膜对电解 质离子的透 过性。
2号
扫描电镜在材料学中的应用
亚克力板
Having begun in one line, resolve to fight it out on that line
Your text
表面
断面
00
2018
谢谢
动物学
医学
植物学
生命学科中的应用
05
浮游植物
扫描电镜可观察植物叶表皮、孢子、花粉等的微形态学特征。既能用于认知新事物也能用于分类。更重
要的是在植物污染生态及植物基因工程方面有重大帮助。
生命学科中的应用
动物学
苍蝇复眼结构
应用扫描电镜技术研究动物的超微形态结构，对其分类学、生理学、 病理学等基础学科以及资源利用动物虫害防治等具有重要意义。
光感芯片
连接线
阵所组成。
手机壳导电镀层
半导体工业中的应用
实物
整体效果
断裂情况
导电镀层是印制在手机塑胶壳上，一端插上电子元件，另一端接上开关或主板功能 模块上，所以导电镀层充当线材的作用，应该具有很好的导电性能。
LED灯线
半导体工业中的应用
半导体工业中的应用
芯片灯珠
可测量灯珠直径和高度
扫描电镜在工业中的应用
陶瓷工业
瓷瓶
陶瓷工业中的应用
瓷瓶
陶瓷的表面微观结构
工程陶瓷是新型材料，应用扫描电镜研究工程陶瓷材料的表面与断口形貌的显微结构，可分 析断裂过程与机理，了解试样的晶粒尺寸、内部组织形态分布、致密度及相互结合情况等评定 质量的标准。
扫描电镜在工业中的应用
新能源
锂电池—阳极材料—阴 极材料
锂电池
新能源中的应用
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01
在工业中的应用
在生命学科中的应用
02
在其他基础学科中应用
03
扫描电镜在工业中的应用
半导体工业
01
陶瓷工业 新能源 食品科学
扫描电镜在工业中的应用
半导体工业
CCD摄像头—光感芯片—连接线
手机壳导电镀层
LED灯线
芯片灯珠
半导体工业中的应用
CCD摄像头
实物
CCD使用一种高感光度的半导体
材料制成。CCD 的组成主要是由 一个类似马赛克的网格，聚光镜 片以及垫于最底下的电子线路矩
中等粉（44~150um）
金属中的应用
金属表面腐蚀性分析
金属表面呈片状脱落，脱落后金属 内部结构可清晰观看到为毛刺形状
脱落形状像组织结构形貌 似花瓣
扫描电镜在其他基础学科中的应用
材料学
锂电池—隔膜
亚克力板
扫描电镜在材料学中的应用
隔膜
隔膜作用使电池正、负极分隔开来，防止短路。还具有电解质离子通过的功能
标题一
金属中的应用
铝合金方面的检测
二.铝合金材料失效分析 铝合金磨损失效分析，位错，层错。
三.铝合金析出相的观察
夹杂及析出物均是外界条件变化引起材 料内部组织发生改变
非金属夹杂
晶向组织及析出物
金属中的应用
铁粉
金属矿产品，粉末冶金主要原料，颗粒小于1mm,按粒度分为5等级。
亚筛粉/细粉 （小于44um）
生命学科中的应用
医学
正确的表面形态和化学处理 是植入种植体的关键。
牙齿种植钉
扫描电镜在其他基础学科Leabharlann 的应用金属 新材料03
扫描电镜在其他基础学科中的应用
金属
铝合金方面的检测
铁粉
金属表面腐蚀性分析
金属中的应用
铝合金方面的检测
一.铝合金原材料的分析（颗粒大小和规整程度）
铝粉
铝硅粉1-3um
高纯铝粉1-2um