扫描电镜的分辨率
扫描电镜
1.扫描电子显微镜的成像原理：与透射电镜完全不同，它不用电磁透镜放大成像。
而是以类似电视摄影显像的方式。
利用细聚焦高能电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。
扫描电子显微镜的特点：①高分辨率：普通钨灯丝扫描电镜其二次电子像的分辨率达3～4nm；而场发射扫描电镜可达1～2nm。
②高放大倍数：10倍～50万连续可调，原位放大。
③高景深：适合于粗糙表面及断口形貌的显微分析。
④多功能：可与其它分析仪器相组合，能在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。
2电子束与固体样品作用高能入射电子束轰击固体样品，与样品物质中的原子核、核外电子相互作用，而发生散射和吸收。
原子对电子散射：也分弹性散射与非弹性散射。
1)、弹性散射：入射电子与原子核的相互作用。
2). 非弹性散射：入射电子与原子中核外电子作用。
入射电子能量传给原子而发生变化，并引起原子结构变化，产生各种电子激发或辐射。
3)吸收：入射电子在固体中散射比X 射线强得多，固体对电子的“吸收”强烈。
吸收表现：随着激发次数增多，入射电子动能逐渐减小，引起强度衰减，直到耗尽，最终被固体吸收（束缚）。
电子束与固体样品作用时产生的信号1)．背散射电子：指被固体样品中原子核反弹回的一部分入射电子。
含弹性的和非弹性的①弹性背散射电子：指被样品物质中原子核反弹回来，散射角>90o的部分入射电子，其能量基本无损失，只改变方向。
特点：能量高，能达数千～数万电子伏。
②非弹性背散射电子：入射电子和核外电子相互作用，不仅方向改变、能量有不同程度损失，经多次散射后仍能回表面（散射角> 90o ）的电子。
背散射电子特点：能量：从数十eV～数千eV很宽。
数量：弹性的远比非弹性的所占份额多。
来源：样品表层几百nm深度。
产额：随原子序数Z增大而增多。
2)．二次电子：指被入射电子击出，并离开样品表面的样品物质核外电子。
二次电子特点：①大多（90％）是来自样品原子外层的价电子。
扫描电镜讲义
x-射线波谱：光电倍增管
瞬间只接收一能量（波长）的x-射线，简称波谱
金
W、Si的波谱线扫描结果
断面背散射电子象和C、W、Si的波谱象 W
C
Si
SEM的新附件： EBSD 技术
（电子背散射衍射技术）
EBSD系统附件的构成
EBSD分析系统的构成
SEM所获得的EBSD花样
冷轧铝箔在再结晶初期的EBSD分析结果
(上图) 晶粒取向图（彩图） (下图) [111]方向极图
荷兰FEI公司 Sirion 扫描电子显微镜
日本电子 JSM-6700F 扫描电子显微镜
扫描电子显微镜的结构示意图
扫描电子显微镜的扫描成象方式
象电视的工作方式一样
扫描电子显微镜探测的三种主要分析模式
* 电子： 二次电子(SE) 背散射电子 (BE)(以及俄歇电子)
* x-射线： 特征x-射线
0.1m
* 不能分析化学成分
扫描电子显微镜解决问题的方法
* 用波长较短的电子束为光源 (25kV时，波长 =0.007nm )，分辨率可达 5nm，放大倍数
10-100000 * 扫描方式导致长物距
数十 m （1000 时） 不再要求金相准备
* 以电子束诱发原子内层电子跃迁，产生一定波长 的特征x-射线，测量其能量或波长分布，将微 区图象分析与成分分析相结合
(以及x-射线连续谱)
* 以及其他信号
如样品电流、电子磁场 偏转、通道花样、感生 电流、阴极荧光等
扫描电镜检测国际标准
扫描电镜检测国际标准扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的表面形貌和成分分析仪器，广泛应用于材料科学、生物科学、化学科学等领域。
扫描电镜检测国际标准是指对扫描电镜的性能、操作规范以及检测结果的要求和规定。
本文将介绍扫描电镜检测国际标准的相关内容。
首先，扫描电镜检测国际标准主要包括以下几个方面的内容：仪器性能指标、操作规范、样品制备要求以及结果评定等。
一、仪器性能指标扫描电镜的性能指标主要包括分辨率、放大倍数、加速电压、探针电流、成像方式等。
分辨率是指扫描电镜对样品表面微细结构的分辨能力，一般以纳米级别为标准。
放大倍数是指扫描电镜对样品进行放大的倍数，一般要求在数千倍至数十万倍之间。
加速电压和探针电流是指扫描电镜的工作电压和探针束的电流大小，不同的样品和分析目的需要选择不同的参数。
成像方式是指扫描电镜的成像模式，常见的有二次电子成像（SEI）和反射电子成像（BEI）等。
二、操作规范扫描电镜的操作规范主要包括仪器的开机与关机步骤、样品的安装与卸载方法、参数设置与调整等。
在使用扫描电镜之前，需要确保仪器处于正常工作状态，并进行相关的预热和真空泵抽气等操作。
样品安装时需要注意避免污染和损坏，同时要根据不同的样品类型和分析目的进行参数设置和调整，以获得最佳的成像效果。
三、样品制备要求样品制备是扫描电镜检测中非常重要的一步，对于不同类型的样品需要采取不同的制备方法。
常见的样品制备方法包括金属涂覆、冷冻切片、离子切割等。
金属涂覆是为了提高样品的导电性和减少电荷积累而进行的处理，冷冻切片是为了观察生物样品内部结构而进行的处理，离子切割则是为了获得样品横截面而进行的处理。
在样品制备过程中需要注意避免污染和损坏，并根据不同的制备方法进行相应的操作。
四、结果评定扫描电镜检测结果的评定主要包括图像质量评价和成分分析评价两个方面。
图像质量评价是指对扫描电镜图像的清晰度、对比度、噪声等进行评估，以确定图像是否满足分析要求。
电磁透镜和像差哪些因素会影响扫描电镜的分辨率
电磁透镜和像差：哪些因素会影响扫描电镜的分辨率?发布者：飞纳电镜分辨率是扫描电镜（SEM）最重要的参数之一。
分辨率越好，可以看到的特征尺寸越小。
分辨率的好坏往往取决于聚焦在样品上的电子束斑的直径（即束斑尺寸）。
在非理想电子光学系统中，束斑尺寸会因像差而变大。
什么是电子光学系统中的像差？它们如何影响束斑尺寸？在这篇博客中，将回答这些问题并进行深入的分析。
一个非常简单的电子光学系统的例子在之前的博客中，谈到了镜筒和透镜组。
通常，镜筒由一组透镜组成，这些透镜具有约束电子束并将电子聚焦于样品表面的功能。
样品上的束斑尺寸决定了电子显微镜的分辨率。
但是，束斑尺寸是如何定义的呢？看看最简单的电子光学系统，如图1所示。
图1：最简单的电子光学系统由一个位于顶部的电子光源及聚焦电子束到样品表面的透镜组成。
在这个系统中，我们知道电子源与透镜之间的距离（物距）和透镜与样品之间的距离（像距）。
像距通常也称为工作距离，它随样品高度的变化而变化。
像距与物距的比值给出了电子光学系统的放大倍数。
对束斑尺寸的第一份贡献来自电子发射源的缩聚，加上电子源的确有一个尺寸，它并不是无限小的。
电子源的贡献尺寸- d source是由电子源的大小乘以电子光学系统的放大倍数：d source = M·S source其中M为放大倍数，S source为电子源大小。
因此，如果一个虚拟大小为50 nm的电子源和一个电子光学系统，其中像距离是物距的一半，电子源贡献的探针尺寸是25 nm。
这意味着，即使对于没有像差的理想透镜系统，最小的束斑尺寸是25nm。
电子光学系统中的像差实际上，透镜并不理想，这就会带来像差。
像差的存在，使得样品上的探针变得模糊，尺寸增大。
在电子光学系统中，束斑尺寸受球差和色差的影响。
当光束中内部和外部的光没有聚焦在同一平面上时，就会产生球差。
在图2的例子中，外部光线1聚焦在离透镜较近的平面（平面1）上，而内部光线（光线3）聚焦在较低的平面（平面3）上。
扫描电镜 标准
扫描电镜标准
扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种用于观察和分析样品表面形貌、结构和成分的显微镜技术。
以下是扫描电镜的一些关键标准和特点：
1. 分辨率：扫描电镜的分辨率是指能够分辨的最小物体细节的能力。
通常以纳米（nm）为单位表示，较高的分辨率可以提供更精细的图像。
2. 放大倍数：扫描电镜可以提供从几倍到几十万倍的放大倍数，使研究人员能够观察到样品的微观结构。
3. 电子束源：扫描电镜使用电子束作为照明源，电子束的能量和束流强度会影响图像的质量和分辨率。
4. 样品制备：样品通常需要进行适当的制备，如切割、抛光、镀金等，以确保其表面能够反射电子束并产生良好的图像。
5. 探测器：扫描电镜配备多种探测器，如二次电子探测器、背散射电子探测器和X 射线能谱仪等，用于收集不同类型的信号，提供有关样品表面形貌、成分和结构的信息。
6. 操作模式：扫描电镜可以在不同的操作模式下工作，如高真空模式、低真空模式和环境扫描电镜模式，以适应不同类型的样品。
7. 数据分析和处理：扫描电镜通常配备专用的软件用于图像处理、数据分析和测量。
扫描电镜是一种功能强大的显微镜技术，广泛应用于材料科学、生命科学、纳米技术等领域的研究和分析。
扫描电镜的分辨能力适用表征尺度范围
扫描电镜的分辨能力适用表征尺度范围扫描电子显微镜'>显微镜分析系统在工业材料研发制造和应用过程中必不可少，越来越多的事实证明，制约最终产品质量的关键因素往往是材料性能相对落后。
通过现代科学仪器进行材料的分析和表征，控制和提高基础材料的可靠性能以满足工业需要，得到了中国乃至世界业内广泛的共识。
世友创业扫描电镜分析系统项目，由具有十几年的扫描电镜业内经验专业人士承担，为用户提供一流的产品和技术服务，并且为普及扫描电镜知识经验而努力。
在一般人的印象里，都可以看到纳米尺度，可以表征纳米材料。
但在实践应用过程中，电子显微镜分成几类，分辨表征能力有较大差异。
为了广大用户准确了解和使用，特作如下总结。
电子显微镜类别一类透射电子显微镜，这里不作说明。
一类扫描电子显微镜，扫描电子显微镜主要演化分类：场发射大型扫描电子显微镜------------极限分辨率1-亚纳米级六硼化镧电子枪大型扫描电镜--------极限分辨率2nm钨灯丝大型扫描电子显微镜--------极限分辨率3nm小型桌面台式扫描电镜(目前商品化主要是钨灯丝)---极限分辨率20nm假使只关心样品形貌，不考虑其他探测器的性能发挥，各类型扫描电镜在良好状态条件下，分辨能力适用范围。
1、扫描电镜的极限适用表征形貌尺度--结构特征放大到3-6mm ，能看出基本形状和结构特征。
仪器观测条件需要发挥到相对极限。
操作难度高，需要丰富的操作经验。
场发射大型扫描电镜有效表征：20nm-40nm 对应倍数15万-30万倍六硼化镧大型扫描电镜有效表征： 40nm-80nm 对应7.5万-15万倍钨灯丝大型扫描电镜有效表征： 60nm-120nm 对应5万-10万倍小型桌面台式扫描电镜有效表征：400nm-800nm 对应 7500x-15000x2、扫描电镜中等潜能适用表征形貌尺度--结构特征放大到3-6mm，能看出基本形状和结构特征。
仪器观测条件设置在中等水平，操作难度适中，一般经过系统培训可以实现。
一扫描电镜的特点
一．扫描电镜的特点和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特点：(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。
(二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。
(三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。
(四) 景深大，图象富有立体感。
扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。
(五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。
可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。
分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。
(六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。
(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。
二．扫描电镜的结构和工作原理(一) 结构1．镜筒镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。
其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。
2．电子信号的收集与处理系统在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。
在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm 的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。
通常所说的扫描电镜像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。
检测二次电子的检测器(图15(2)的探头是一个闪烁体，当电子打到闪烁体上时，1就在其中产生光，这种光被光导管传送到光电倍增管，光信号即被转变成电流信号，再经前置放大及视频放大，电流信号转变成电压信号，最后被送到显像管的栅极。
3．电子信号的显示与记录系统扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照记录。
显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是长余辉的管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是短余辉的管子。
扫描电镜作用
扫描电镜作用扫描电镜是一种现代化的高分辨率显微镜，主要用于观察微观结构和表面形貌。
它利用了电子的波粒二象性和电磁透镜的原理，通过扫描样品表面，获取到样品上的各种信息，从而得到高清晰度的图像。
首先，扫描电镜可以提供高分辨率的图像。
传统的光学显微镜受限于光的波长，其分辨率通常只能到达几百纳米的水平，而扫描电镜的分辨率可以达到亚纳米级别。
这意味着我们可以看到更小的细节和更精细的结构，帮助我们更好地理解材料和生物样品的微观特征。
其次，扫描电镜还可以提供三维的表面形貌图像。
传统的光学显微镜只能提供二维的图像，无法展示样品的高度和深度信息。
而扫描电镜通过扫描样品表面，利用电子束与表面相互作用的信号，可以获取到样品的三维图像，展示出更为真实和直观的样品形貌。
此外，扫描电镜还可以进行成分分析。
扫描电镜配备有能谱仪器，可以通过检测样品发射的次级电子或荧光X射线来分析样品的成分。
这样我们可以准确地知道样品中不同元素的分布情况，并进一步了解样品的化学成分。
扫描电镜在材料科学、化学、生物学等领域有着广泛的应用。
在材料科学中，可以用于研究金属、半导体、陶瓷等材料的晶体形貌、晶格缺陷、相界面等；在化学中，可以用于观察化学反应的表面变化、催化剂的活性位点等；在生物学中，可以用于观察细胞、细胞器、病毒等微观结构。
然而，扫描电镜的使用也存在一些限制和挑战。
首先，扫描电镜需要对样品进行真空处理，这种处理有时会对样品的结构和形貌造成一定的影响。
其次，扫描电镜通常需要对样品进行复杂的制备，如金属镀膜、冷冻切片等，这对于一些不容易制备的样品可能会存在困难。
最后，扫描电镜的设备和操作也比较昂贵和复杂，需要专业的技术人员进行操作和维护。
总之，扫描电镜是一种非常重要的科学工具，其高分辨率和三维成像能力使其在材料和生物研究中发挥着重要的作用。
随着技术的不断发展，相信扫描电镜会在未来更广泛地应用于各个领域，帮助我们更好地理解和探索微观世界。
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η+δ
也可以写成
1
Ρt（质量厚度）
η=ib/i0：背散射系数；δ：发射系数（二次 电子产额）；α：吸收系数；τ：透射系数
各系数与样品质量 厚度之间的关系
特征X射线 （characteristic X-ray）
特征X射线是样品原子的内层电子受到激发以 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。 特征X射线波长可以莫塞来定律得出。 如果我们用X射线探测器测到了样品微区中存 在某一特征波长（特征能量），就可以判定这 个微区中存在着相应的元素——电子探针。
轻元素样品的分辨率
电子进入轻元素样品 后，作用区域是梨形。 激发的信号能量不同， 信号产生的深度不一 样，横向扩展程度也 不同，采用不同的信 号调制荧光屏亮度， 分辨率必定不一样。
入射电子束
d 1nm 俄歇电子
5~50nm 100nm~1μm
500nm ~5μm
二次电子
背散射电子 特征X射线
连续X射线
由于背散射电子的产额随样品原子序数的增加而 增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅 能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度， 定性地进行成分分析。
二次电子（SE） （secondary electron）
二次电子是指被入射电子轰击出来的样品原子 的核外电子，绝大部分来自价电子。 二次电子的能量为0-50 eV，所以检测器能收集 到的二次电子来自表面以下5-50nm深度的区域。 二次电子产额随原子序数的变化不明显，它主 要决定于表面形貌。即二次电子产额对试样表 面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微 观形貌。
背散射电子 的分辨率
特征X射线 的分辨率
轻元素样品的分辨率
信号 分辨率 （nm） 二次电 子 5~10 背散射 电子 50~200 吸收电子 100~1000 特征 X射线 100~1000 俄歇电子 5~10
可见，图像分析时二次电子信号的分辨率 最高，X射线成像分辨率最低。所以扫描 电镜的分辨率用二次电子像的分辨率表示。
吸收电子 （absorption electron）
入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆 尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后 被样品吸收。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电 流表，就可以测得吸收电子信号。 逸出表面的电子数量增加，则吸收电子数量减少，故吸 收电子像的衬度与二次电子像和背散射电子像是互补的。 二次电子产额不受原子序数影响，则产生背散射电子较 多的部位其吸收电子的数量就较少。因此，吸收电子像 也可以反映原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的 微区成分分析。
透射电子 （transmission electron）
如果样品厚度较小，可能会有一定数量的入射电子能 够穿过薄样品而成为透射电子。 一般金属薄膜样品的厚度在200-500nm左右，在入射 电子穿透样品的过程中将与原子核或核外电子发生有 限次数的弹性或非弹性散射。 因此，样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能 量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同 能量损失的非弹性散射电子。 其中有些待征能量损失E的非弹性散射电子和分析区 域的成分有关，因此，可以用特征能量损失电子配合 电子能量分析器来进行微区成分分析。
d
二次电子 分辨率
原子序 数略小
背散射电 子分辨率
原子序数大
影响分辨率的其它因素
扫描电子显微镜的分辨率除受电子束直径和调 制信号的类型影响外，还受样品原子序数、信 噪比、杂散磁场、机械振动等因素影响。 噪音干扰造成图像模糊； 磁场改变二次电子运动轨迹，降低图像质量； 机械振动引起电子束斑漂移，这些因素的影响 都降低了图像分辨率。
重元素样品的分辨率
电子束射入重元素样品中时， 作用体积为半球状，电子束 进入表面后立即横向扩展。 即使电子束束斑很小，也不 能达到较高的分辨率，此时 二次电子的分辨率和背散射 电子的分辨率差别明显变小。 样品原子序数愈大，电子束 进入样品表面的横向扩展愈 大，分辨率愈低。
入射电子束
入射电子束
d
扫描电镜的分辨率
选自第十二章：扫描电子显微镜 第3节:扫描电子显微镜的主要性能
电子束与固体样品相互 作用时产生的物理信号
背散射电子（BE） （backscattering electron）
背散射电子是指被固体样品中的原子反弹回来的 一部分入射电子。
背散射电子的能量为数千到数万电子伏，产生范 围在100nm到1m深度。
各种电子信号的强度
如果使样品接地保持电中性，那么入 射电子激发固体样品产生的四种电子 信号强度与入射电子强度之间必然满 足以下关系：
系 数
α τ
ib is ia it i0
Байду номын сангаас
i0：入射电子强度； ib ：背散射电子信号强度； is ：二次电子信号强度；ia ：吸收电子信号强度； it ：透射电子信号强度。
分辨率（resolution）
分辨率是扫描电镜主要性能指标。对成分分析 而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言， 它是指能分辨两点之间的最小距离。 这两者主要取决于入射电子束束斑直径，束斑 直径愈小，分辨率愈高。 但分辨率并不直接等于束斑直径，因为入射电 子束与试样相互作用会使电子束在试样内的有 效激发范围大大超过束斑直径。
俄歇电子 （Auger electron）
如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量 E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一 电子打出，这个被电离的电子叫做俄歇电子。 俄歇电子具有样品原子的特征能量值。检测俄歇电子 的能量和强度，可以获得样品化学成分的信息——俄 歇电子能谱仪。 俄歇效应在轻元素（Z<20）中发生的概率较大。俄 歇电子的能量很低，人们能够检测到的只是表面两三 个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇效应应用于表 层轻元素的分析。