SEM二次电子成像和背散射电子成像
扫描电镜(SEM)是如何检测样品信息的
扫描电镜（SEM）是如何检测样品信息的发布者：飞纳电镜扫描电镜（SEM）是一种用途广泛的科学仪器，它可以根据用户的需求提供样品不同类型的信息。
在这里我们将阐述在扫描电镜（SEM）中产生的不同类型的电子，它们是如何被检测出来的，以及它们可以提供的信息等。
电子显微镜是通过电子束来成像的。
在图1中，您可以看到电子与物质相互作用所产生的各种信号，所有这些不同类型的信号携带着关于样品的不同的有用信息，由电子显微镜的操作人员根据需要选择接收的信号。
例如在透射电镜（TEM）中，正如它的名字所示，检测到的信号是透过样品的电子，会提供样品内部结构的信息。
在扫描电镜（SEM）下，通常需要检测两种类型的信号：背散射电子（BSE）和二次电子（SE）。
图1：电子与物质相互作用区域，产生不同类型的信号背散射电子的成像（BSE）这种类型的电子来源于相互作用体积内的一个宽广区域。
它们是入射电子与物质原子弹性碰撞的结果，这导致了入射电子轨道的变化。
可以把入射电子与物质原子碰撞看作是所谓的“台球”模型，小粒子（入射电子）与较大的粒子（原子）相撞。
较重的原子比轻原子更容易散射电子，从而产生更强的信号（图2），因此背散射电子到达探测器的数量与物质的原子序数成正比。
这种背散射电子（BSE）数量对原子序数的依赖帮助我们区分不同的成分区域，提供了样本成分组成信息的成像。
此外，BSE图像还可以提供关于样品晶相、形貌和磁场等有价值的信息。
图2：a）铝/ 铜样品的SEM图像，b），c）电子束与铝和铜相互作用的简化图解。
铜原子（更高的原子序数）与较轻的铝原子相比，将更多的入射电子散射到探测器上，因此在SEM 图像中看起来更亮。
最常见的BSE探测器是包含p-n结的固态探测器，其工作原理是利用逸出样品后被探测器吸收的背散射电子产生的电子空穴对为基础。
这些电子空穴对的数量取决于背散射电子的能量。
p- n结连接到两个电极上，其中一个电极吸引电子，另一个吸引空穴从而产生电流，电流大小取决于所吸收的背散射电子的数量。
SEM和TEM的区别
SEM和TEM的区别
1、SEM样品收集的有二次电子和背散射电子，二次电子用于表面成像，背散射用于不同平均原子量之间的像，就是电子打在样品上，激发出来的二次电子和背散射电子被收集而成的像. TEM是透射电镜，它可以表征样品的质厚衬度，也可以表征样品的内部晶格结构。
投射电镜的分辨率比扫描电镜要高一些。
2、SEM金相试样即可，TEM则要求试样必须有很薄的薄区，20~40μm。
SEM 样品普通的金相样品就可以拿去做，而TEM样品观察的部分必须减薄到100nm 厚度以下，一般做成直径3mm的片，然后去做离子减薄，或双喷。
SEM对样品唯一的要求就是导电，如果不导电就要喷碳或者喷金；TEM可以直接观察不导电的样品。
以上这两种方法，都要求样品无磁性，要是有磁性会对结果产生一定的影响。
从原理上说SEM是接受二次电子或者是背散射电子
TEM接收的是透射电子
SEM主要观察形貌，图片的立体感强
TEM对于很薄的样品也可以看形貌（景深较小），其主要观测的是衍射电子图和晶格像（高分辨）
简单的说SEM只能观测形貌（当然背散射像也能大概看出轻重元素分布）TEM可以测定结构。
扫描电子显微镜之--二次电子SE背散射电子BSE特征X射线
扫描电子显微镜开展的核心任务，是追求对各种固体材料外表的高分辨形貌观察。
形貌图像采用二次电子信号进展成像，图像分辨率和放大倍数连续可调，大景深，立体感强是其根本特色。
然而实现扫描电镜的商品化，从扫描电镜发明和开展历史上看，自1935年Knoll研究二次发射现象，偶然观察到靶材的形状，到1965年商品化扫描电镜的推出，经历了30年。
这期间对于扫描电镜成像信号的认识和利用是一个不断探索的试验研究过程。
对成像信号进展深入研究，不断改良仪器性能，最后对成像信号理论有了全面认识，改良提升了了关键技术，图像分辨率有了显著提高，扫描电镜才得以以商品化的形式突飞猛进的开展。
通过不断对电子光学电子枪，电磁透镜，以与信号探测与成像信号系统的改良，扫描电镜的分辨率虽然已经达到了很高水平，但距离电子光波的分辨率限度，还有非常大的开展空间。
2010年报道，科学家已经研制出可以用在场发射电子枪上的六硼化镧针尖，据科学家介绍，这有望使得扫描电镜分辨能力有一个飞跃性提高。
如果说对于电子束样品作用区发射信号的本质认识，开展和完善了扫描电镜性能和附属装置和装备。
那么对于扫描电镜电镜应用者，对于不同信号与物质信息相互机制的深入认识，也是非常必要。
扫描电子显微镜分析系统结构一、二次电子与成像机制原理定义：从样品中出射的能量小于50ev的电子。
成因：二次电子是由于高能束电子与弱结合的导带电子相互作用的结果，这个相互作用的过程制造成几个电子伏的能量转移给导带电子，所引起的二次电子能量分布，在3-5ev处有一个数量峰值，当能量增加时，分布陡降。
二次电子的出射深度：5-50nm二次电子产额δ= Ise/Ibeam1)、二次电子的产额与样品外表几何形貌〔电子束入射角度〕关系二次电子逃逸深度d与电子束产生二次电子的路程δ 〔θ〕∝δ 0 /cosθδ 0为θ=0°时二次电子产额，为常数；θ为入射电子与样品外表法线之间的夹角，θ角越大，二次电子产额越高，这说明二次电子对样品外表状态非常敏感。
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(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。
扫描电镜成像原理
扫描电镜成像原理：用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。
成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。
其中二次电子是最主要的成像信号。
由电子枪发射的电子，经过二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。
聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其他物理信号），二次电子发射量随试样表面形貌而变化。
二次电子信号被探测器收集转换成电信号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。
四、色质联用技术优点：结合了色谱分离和定量以及质谱定性分析的优点。
近乎通用的响应，低检出限，化合物结构测定。
1、气相色谱质谱联用气质联用仪是分析仪器中较早实现联用技术的仪器。
在所有联用技术中气质联用GC-MS）发展最完善，应用最广泛。
目前从事有机物分析的实验室几乎够把GCMS作为主要的定性确认手段之一。
气质联用与气相色谱的区别•GC-MS方法的定性参数增加，定性可靠。
•GC-MS检测灵敏度远高于气相的其他检测器。
•GC-MS可采用选择离子分离气相上不能分离的化合物，降低噪音提高信噪比。
•一般经验来说质谱仪器定量不如气相色谱。
但是采用同位素稀释和内标等技术GC-MS可以达到较高精度的定量分析。
谱库检索技术随着计算机的发展，人们将标准电离条件下（EI源，70eV）大量纯化合物的标准质谱图存在计算机内生成质谱谱库。
实际工作中得到的未知物的质谱图可以和谱库中的质谱图按照一定的程序进行比较，将相似度高化合物检出。
这大大优化和减少了人工的工作量。
2、液相色谱质谱联用•真空度匹配：现有商品化的液质联用仪器都设计增加了真空泵的抽速，并采用分段多级抽真空的方法来满足质谱的要求。
•接口技术：HPLC的质量流量比常规质谱所能处理的流量高2-3个数量级如何在不分解的情况下蒸发非挥发性及热不稳定性的物质3、色质联用技术的应用气质联用（GC-MS）的应用领域：气质联用已经成为有机化合物常规检测中的必备工具。
SEM二次电子成像和背散射电子成像
扫描电镜二次电子及背散射电子成像技术扫描电镜成像主要是利用样品表面的微区特征，如形貌、原子序数、化学成分、晶体结构或位向等差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，使阴极射线管荧光屏上不同的区域呈现出不同的亮度，从而获得具有一定衬度的图像，常用的包括主要由二次电子(SE，secondary electron)信号所形成的形貌衬度像和由背散射电子(BSE, backscattered electron)信号所形成的原子序数衬度像。
1. 二次电子(SE)像—形貌衬度二次电子是被入射电子轰击出的原子的核外电子，其主要特点是：(1)能量小于50eV ，在固体样品中的平均自由程只有10～100nm，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，因此基本上未向侧向扩散；(2)二次电子的产额强烈依赖于入射束与试样表面法线间的夹角a , a大的面发射的二次电子多，反之则少。
根据上述特点，二次电子像主要是反映样品表面10 nm左右的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度的形成主要取于样品表面相对于入射电子束的倾角。
如果样品表面光滑平整（无形貌特征），则不形成衬度；而对于表面有一定形貌的样品，其形貌可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数不同，从而产生衬度。
二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，是扫描电镜的主要成像方式，特别适用于粗糙样品表面的形貌观察，在材料及生命科学等领域有着广泛的应用。
2. 背散射电子(BSE)像—原子序数衬度背散射电子是由样品反射出来的初次电子，其主要特点是：(1)能量高，从50eV到接近入射电子的能量，穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围大；(2) 被散射电子发射系数η随原子序数Z的增大而增加，如下图所示。
由以上特点可以看出，背散射电子主要反映样品表面的成分特征，即样品平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，这样就形成原子序数衬度（成分衬度）。
扫描电镜成像原理
扫描电镜成像原理扫描成像原理如下图所示，电子枪1（钨丝枪或LaB6枪或场发射枪等）发射一束电子，这就是电子源，其最少截面的直径为d0，对钨丝枪而言大约为20～50μm （场发射枪大约为10～20nm ) ，这个小束斑经3 和5 两级聚光镜进一步缩小几百倍，最后再经物镜缩小并聚焦在样品面上，这时束斑10 直径最小可到3～6nm （约小于扫描电镜的分辨本领），电子束打在样品上，就产生上节所述的各种信号。
二次电子和背散射电子信号是最常用的两种信号，尤其是二次电子。
信号由接收器取出，经光电倍增器和电子放大器放大后，作为视频信号去调制高分辨显示器的亮度，因此显示器上这一点的亮度与电子束打在样品上那一点的二次电子发射强度相对应。
由于样品上各点形貌等各异，其二次电子发射强度不同，因此显示器屏上对应的点的亮度也不同。
用同一个扫描发生器产生帧扫和行扫信号，同时去控制显示的偏转器和镜筒中的电子束扫描偏转器，使电子束在样品表面上与显示器中电子束在荧光屏上同步进行帧扫和行扫，产生相似于电视机上的扫描光栅。
这两个光栅的尺寸比就是扫描电镜的放倍数。
在显示器屏幕光栅上的图像就是电子束在样品上所扫描区域的放大形貌像。
图像中亮点对应于样品表面上突起部分，暗点表示凹的部分或背向接收器的阴影部分。
由于显示器屏幕上扫描尺寸是固定的，如14in(1in= 25.4mm）显示器的扫描面积是267×200mm2，在放大倍数为十万倍时样品面上的扫描面积为2.67×2 μm2如放大倍数为20 倍时，则为13.35×10mm2。
因此改变电子束扫描偏转器的电流大小，就可改变电子束在样品上的扫描尺寸，从而改变扫描电镜的放大倍数。
扫描电镜的分辨本领一般指的是二次电子像的空间分辨本领，它是在高放大倍数下，人们能从照片中分清两相邻物像的最小距离。
通常是用两物像边缘的最小距离来计算。
但照片放大近十万倍后，边缘轮廓往往不十分清晰敏锐，难以测量准确。
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扫描电镜二次电子及背散射电子成像技术之青柳念文
创作
扫描电镜成像主要是操纵样品概况的微区特征，如形貌、原子序数、化学成分、晶体布局或位向等差别，在电子束作用下发生分歧强度的物理信号，使阴极射线管荧光屏上分歧的区域呈现出分歧的亮度，从而获得具有一定衬度的图像，常常使用的包含主要由二次电子(SE，secondary electron)信号所形成的形貌衬度像和由背散射电子(BSE, backscattered electron)信号所形成的原子序数衬度像. 1. 二次电子(SE)像—形貌衬度
二次电子是被入射电子轰击出的原子的核外电子，其主要特点是：
(1)能量小于 50eV ，在固体样品中的平均自由程只有10～100nm，在这样浅的表层里，入射电子与样品原子只发出有限次数的散射，因此基本上未向侧向分散；
(2)二次电子的产额强烈依赖于入射束与试样概况法线间的夹角a , a大的面发射的二次电子多，反之则少.
根据上述特点，二次电子像主要是反映样品概况10 nm左右的形貌特征，像的衬度是形貌衬度，衬度的形成主要取于样品概况相对于入射电子束的倾角.如果样品概况光滑平整（无形貌特征），则不形成衬度；而对于概况有一定形貌的样品，其形貌可当作由许多分歧倾斜程度的面构成的
凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的分歧部位发射的二次电子数分歧，从而发生衬度.二次电子像分辨率高、无分明阴影效应、场深大、平面感强，是扫描电镜的主要成像方式，特别适用于粗糙样品概况的形貌观察，在资料及生命迷信等范畴有着广泛的应用.
2. 背散射电子(BSE)像—原子序数衬度
背散射电子是由样品反射出来的初次电子，其主要特点是：
(1)能量高，从50eV到接近入射电子的能量，穿透才能比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩大，因此在样品中发生的范围大；
(2) 被散射电子发射系数η随原子序数Z的增大而增加，如下图所示.
由以上特点可以看出，背散射电子主要反映样品概况的成分特征，即样品平均原子序数Z大的部位发生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则发生较少的背散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，这样就形成原子序数衬度（成分衬度）.与二次电子像相比，背散射像的分辨率要低，主要应用于样品概况分歧成分分布情况的观察，比方有机无机混合物、合金等.
如上图所示，在铅/锡合金样品的二次电子图像上，可观察到概况起伏的形貌信息；在被散射电子图像中，可观察到分歧组分的分布情况，在铅(原子序数为82)富集的区域亮度高，而锡(原子序数为50)富集的区域相对较暗.。