扫描电镜和透射电镜在聚合物研究中的应用
扫描电子显微镜在植物中的应用研究进展
电子显微学报Journal of Chinese Electron Microscopy Society第40卷第2期2021年4月Vol. 40, No. 22021-04文章编号:1000-6281 (2021) 02-0197-06扫描电子显微镜在植物中的应用研究进展赵孟良I ，",任延靖1，23(1.青海大学农林科学院，青海西宁810016；2,青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海西宁810016；3.青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海西宁810016)摘 要 扫描电子显微镜(SEM)作为一种行之有效的科研分析工具，可对多种植物材料的表面形貌进行观察研究，具有较广的应用范围。
本文论述了扫描电子显微镜样晶的制备以及在植物花器官、种子表皮、种子形态、叶片 表皮、内含物、病原体以及在植物细胞水平的研究进展，并对今后扫描电子显微镜的应用前景进行了展望，以期为利用SEM 从事植物研究的科研人员提供一定的研究思路。
关键词扫描电子显微镜；植物；应用；研究进展中图分类号：S634.3；Q-3 文献标识码：A doi ： 10. 3969/j.issn. 1000-6281. 2021.02. 016自上世纪60年代中期扫描电子显微镜(scanningelectron microscope , SEM )的出现，极大地促进了人类观察微小物质的能力。
扫描电镜作为一种大型精密仪器，为人类对探寻微观世界的奥秘提供了一种新的 研究手段,与光学显微镜相比,扫描电子显微镜在分辨率、景深及微结构分析具有很大优越性⑴，且具有对样品的损伤小、污染轻等特点。
由于扫描电子显微镜突出的优点，目前发展迅速,应用范围极其广泛。
不仅用于植物学、微生物学、食品科学等农学领域,而且还广泛地应用于 材料、石油、陶瓷和化学等领域。
随着SEM 的普及和发展，其已经从高精端的研究逐渐演变发展成为被广泛应用的测试手段之一，并且在多个领域取得了显著成果。
电镜技术及其应用简介应物91吴青格乐09093022.ppt
• 背散射电子成像原理
入射电子与样品接触时，其中一部分几 乎不损失能量地在样品表面被弹性散射回来， 这部分电子被称为背散射电子 （Backscattered Electron）。
背散射电子的产额随样品的原子序数的 增大而增加，因此成像可以反映样品的元素 分布，及不同相成分区域的轮廓。
BESEM
2.3 环境扫描电镜
原理：电子枪产生的电子束经1~2级聚光镜会聚后均匀照射到 试样上的某一待观察微小区域，入射电子与试样物质相互作用， 由于试样很薄，绝大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试 样区的形貌、组织、结构一一对应。投射出试样的电子经物镜、 中间镜、投影镜的三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上， 荧光屏把电子强度分布转化为人眼可见的光强分布，于是在荧光 屏上显出与试样形貌、组织、结构相应的图像。
2 扫描电子显微镜
•
扫描电子显微镜（Scanning Electron
Microscopes）是继透射电镜之后发展起来
的一种电镜。与之不同的是，SEM是聚焦
电子束在试样表面逐点扫描成像，试样为
块状或粉末颗粒，成像信号为二次电子、
背散射电子或吸收电子。
2.1扫描电镜基本构造
由电子枪发射的能量为5~35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源， 经聚焦缩小后形成具有一定能量、 强度和直径的微细电子束，在扫 描线圈驱动下在试样表面做栅网 式扫描。电子束与试样作用产生 的二次电子的量随试样表面形貌 而变，其产额正比于1/cosθ，二次 电子信号被探测器收集转换成电 讯号，经处理后得到反应试样表 面形貌的二次电子像。
SEM 二次电子
X射线 能谱/波谱
透射电子 TEM
电子显微镜
• 电子显微镜(Electron Microscopes) 利用电磁场偏着电子束、聚焦电子束
扫描电镜SEM
扫描电子显微镜（Scanning Electronic Microscopy, SEM）扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。
扫描电镜的优点是，①有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；②有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。
目前的扫描电镜都配有X 射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它是当今十分有用的科学研究仪器。
电子束与固体样品的相互作用扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。
通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得对是试样表面性貌的观察。
具有高能量的入射电子束与固体样品的原子核及核外电子发生作用后，可产生多种物理信号如下图所示。
电子束和固体样品表面作用时的物理现象一、背射电子背射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背反射电子和非弹性背反射电子。
弹性背反射电子是指倍样品中原子和反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本上没有变化（能量为数千到数万电子伏）。
非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。
非弹性背反射电子的能量范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。
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，如下图所示。
电子束在试样中的散射示意图背反射电子产额和二次电子产额与原子序束的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。
背反射电子的产额随原子序数的增加而增加（右图），所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。
二、二次电子二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。
扫描电镜(SEM)
r ′′ e 2 =− B ( z) ≤ 0 r 8mV
表示电子轨迹的切向变化是向心的，即电子 在磁场中会聚，短磁透镜是正透镜。
用电子光学原理分析短磁透镜的焦距，像 转角，像差和畸变
假设在短磁透镜磁场中电子不改变高 度，只改变斜率，积分得
r '( zb ) r '( za ) e − + = r0 r0 8mV
二次电子特点
入射电子使试样原子电离，较外层电子（价带或导 带电子）克服逸出功回到入射空间，称二次电子。 二次电子能量比较低(小于50eV),仅在试样表面 5nm－10nm的深度内才能逸出表面。二次电子对 试样表面状态非常敏感；二次电子的产额与加速电 压、试样组成等有关。二次电子用于观察表面形貌、 电畴和磁畴等。
样品放入电镜样品室
样品室放气 降低样品台高度，以防旧样品碰坏物镜 极靴 开门，固定样品杯，关门 抽到高真空 10 −3 Pa ，才能进行观测 图像操作
图像获得操作步骤
根据试样性质，选择加速电压，如30千伏。 平移、倾转样品台，先低倍率，后高倍率观 察。 通过调节物镜电流改变物镜焦距，有粗调、 细调和微调旋钮。
手 动 操 作 自 动 操 作
真空系统自动开机操作步骤：
1. 2. 3. 4.
• • •
开：电源、扩散泵冷却水
机械泵、压缩机、变压器及电源总开关
开：真空电源，并按一下“STAND BY”准备开关，此时 红灯亮； 将主机背后真空控制板上的自动、手动开关置于AUTO 自动状态，这时只有扩散泵出气口阀门V2打开和D.P扩 散泵电炉开始加热 30分钟后，再按灭“STAND BY”开关，这是系统就会自 动
扫描电镜中采用的是逐点成像的图像分解法。电子 束在样品上作光栅状扫描的同时，显像管中的电子 束与此作同步扫描。 这样就在荧光屏上显示出样品表面微观形貌。扫描 的区域越小，相同面积荧光屏上显示的图像放大倍 数就越大。
2扫描电镜_带思考题
式中ν 为元素的特征X 射线频率，Z为原子序数， K与σ 均为常数，C为光速。当σ ≈1时， λ 与Z的关系式可写成: 由式可知，组成试样的元素(对应的原子序数Z) 与它产生的特征X 射线波长(λ )有单值关系，即每 一种元素都有一个特定波长的特征X射线与之相对 应， 它不随入射电子的能量而变化。如果用X 射 线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X 射线波 长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类，这 就是定性分析的基本原理。
ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背 散射电子成分像，1000×
ZrO2-Al2O3-SiO2系 耐火材料的背散射 电子像。由于ZrO2 相平均原子序数远 高于Al2O3相和SiO2 相，所以图中白色 相为斜锆石，小的 白色粒状斜锆石与 灰色莫来石混合区 为莫来石－斜锆石 共析体，基体灰色 相为莫来石。
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4. 不损坏试样、分析速度快
现在电子探针均与计算机联机，可以连续自 动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数 据分析，对含10个元素以下的试样定性、定量分 析，新型电子探针在30min左右可以完成，如果 用EDS 进行定性、定量分析，几分种即可完成。 对表面不平的大试样进行元素面分析时，还可以 自动聚焦分析。 电子探针分析过程中一般不损坏试样，试样 分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分 析测试，这对于文物、古陶瓷、古硬币及犯罪证 据等的稀有试样分析尤为重要。
2. 元素分析范围广
电子探针所分析的元素范围一般从硼 (B)——铀(Ｕ)，因为电子探针成份分析是利 用元素的特征X 射线，而氢和氦原子只有K 层电子，不能产生特征X 射线，所以无法进 行电子探针成分分析。锂(Li)和铍(Be)虽然能 产生X 射线，但产生的特征X 射线波长太长， 通常无法进行检测，少数电子探针用大面间 距的皂化膜作为衍射晶体已经可以检测Be元 素。能谱仪的元素分析范围现在也和波谱相 同，分析元素范围从硼(B)——铀(Ｕ)
扫描电镜-
电子枪的结构
1.阴极:钨丝等 2.栅极:威尔罩 3.阳极
电子枪的工作原理
工作原理:
当灯丝中通以加热电流, 钨丝阴极呈白热状态时, 便发射电子。在阳极加 速电压的作用下，电子 穿过阳极小孔射向荧光 屏出现亮点。栅极加电 压用来控制电子束大小， 改变荧光屏亮度。调节 偏转线圈中电流大小， 可改变磁场强弱，使荧 光屏得到最小的聚焦电 子束斑点。电子束在横 向交变电磁场作用下， 可在荧光屏上来回扫描。
光镜、TEM和SEM的成像原理
扫描电镜的优点
分辨率高
现代最先进的扫描电镜的分辨率已经达到0.5nm左右，钨灯丝扫描电 镜的分辨率一般在3nm左右。
A B C
200nm
500nm
500nm
D
E
0.4n m
D
F
扫描电镜的优点
试样制备简单 跨尺度分析工具
放大倍数连续可调，最低可到4～5倍，有效放大倍数最高可达20-40万倍 （钨灯丝4~10万倍）。
种电磁波辐射。 产生范围：试样的5000Ǻ～5um。
六、俄歇电子
定义：如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来
的能量Δ 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，脱离原子变为二
次电子，这种二次电子叫俄歇电子。
能量：50～1500eV
应用：俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。
内容提要
扫描电镜的基本原理
比较 类别
定义
能量变化
能量大小
方向
数量
弹性背反 被样品中原子 数千到数万 散射角大 于90°， 射电子 核反弹回来的 基本上不 电子伏 入射电子 方向变化 变 入射电子和核 非弹性背 外电子撞击经 反射电子 多次散射后反 弹出样品表面 变化 数十到数千 方向变 电子伏 化
扫描电镜和透射电镜的异同-张文强
扫描电镜和透射电镜的异同化学化工学院 15级应用化学 1032011523043 张文强通俗的说扫描电镜是相当与对物体的照相得到的是表面的只是表面的立体三维的图象因为扫描的原理是“感知”那些物提被电子束攻击后发出的此级电子而透射电竟就相当于普通显微镜只是用波长更短的电子束替代了会发生衍射的可见光从而实现了显微是二维的图象会看到表面的图象的同时也看到内层物质就想我们拍的X光片似的内脏骨骼什么的都重叠着显现出来总结就是透射虽然能看见内部但是不立体扫描立体但是不能看见内部只局限与表面最后写论文的时候就用了扫描电镜的图，你说看主要做形貌，凡是需要看物质表面形貌的，都可以用扫描电镜，不过要要注意扫描电镜目前分辨率，看看能否达到实验要求。
两种测试手段的适用情况凡是需要看物质表面形貌的，都可以用扫描电镜，不过最好的扫描电镜目前分辨率在0.5~1nm左右。
如果需要进一步观察表面形貌，需要使用扫描探针显微镜SPM（AFM，STM).如果需要对物质内部晶体或者原子结构进行了解，需要使用TEM. 例如钢铁材料的晶格缺陷,细胞内部的组织变化。
当然很多时候对于nm 材料的形搜索态也使用TEM观察。
区别扫描电镜观察的是样品表面的形态，而透射电镜是观察样品结构形态的。
一般情况下，透射电镜放大倍数更大，真空要求也更高。
扫描电镜可以看比较“大”的样品，最大可以达到直径200mm以上，高度80mm左右，而透射电镜的样品只能放在直径3mm 左右的铜网上进行观察。
一、分析信号(1)扫描电镜扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。
当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。
同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。
原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。
扫描电镜
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00:3察复杂 表面形貌是有益的。如果样品是半导体器 件，在加电情况下，由于表面电位分布不 同也会引起二次电子量的变化，即二次电 子象的反差与表面电位分布有关。这种由 于表面电位分布不同而引起的反差，称为 二次电子象电压反差，利用电压反差效应 研究半导体器件的工作状态（如导通、短 路、开路等）是很有效的。
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上述信息，可以采用不同的检测仪器，将 其转变为放大的电信号，并在显象管荧光 屏上或X－Y记录仪上显示出来，这就是相 关仪器的功能。
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2.2.2 扫描电镜工作原理和结构
工作原理 主要结构
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工作原理
在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，一般经过 三个电磁透镜聚焦后，形成直径为5nm的电子束。末 级透镜（也称物镜，但它不起放大作用，仍是一个会 聚透镜）上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上作 光栅状扫描。
析
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2.1 扫描电镜的发展
目前采用常规的钨灯丝电子枪的二次电子 像分辨率为3.5nm
采用LaB6电子枪的分辨率为2.5nm 采用场发射电子枪的分辨率则为1.5~0.8nm
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2.2 扫描电镜的工作原理
2.2.1电子束与固体样品相互作用
如图所示，将 从样品中激发 出各种有用的 信息，它们包 括：
冷场发射 3-5
温度, ℃
2300
1500
1500
室温
灯丝亮度
1
10
500
1000
电流密度, A/cm2 1.3
25
500
50000
能量扩展, eV