第六章 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜的原理和应用扫描电子显微镜是一种利用电子束扫描样品表面并对扫描到的电子信号进行成像的高分辨率显微镜。

与光学显微镜不同，扫描电子显微镜利用电子束通过透镜和场控制技术非常高效地聚焦并成像，以获得超高分辨率的成像效果，以及大量的表面和物质信息。

扫描电子显微镜的原理扫描电子显微镜的核心是电子光源，它利用热发射、光电发射或场致发射等方式产生的电子束，经过一系列的焦距透镜、偏转线圈、探针控制和信号采集系统组成。

扫描电子显微镜的成像原理和传统光学显微镜略有不同。

它不是通过透镜去聚焦光线来成像，而是通过利用电子作用在样品表面的电磁场和电子-物质相互作用来实现的。

扫描电子显微镜利用电子束在样品表面扫描出一个小点，由电子-物质相互作用产生的电子信号被收集并转化成电子图像数据，然后利用计算机对数据进行图像处理，形成高分辨率的显微成像，以及其它相关物化信息。

扫描电子显微镜的应用扫描电子显微镜因其超高分辨率和强大的化学和物理分析功能而广泛应用于许多领域。

在材料科学领域，扫描电子显微镜广泛用于各种材料的表面和微结构分析，包括晶体结构、颗粒形貌、纳米结构、原子局部构型等。

其中，扫描透射电子显微镜（STEM）可以提供比常规扫描电子显微镜更高的结构分辨率，可用于对材料和生物样品的超高分辨率成像和分析。

在生物科学领域，扫描电子显微镜广泛应用于生物样品的形态与结构分析，如细胞器、膜结构、细胞外矩阵等。

同时，扫描电子显微镜也被用于对代谢过程和细胞凋亡等重要生物过程的研究。

在微电子制造和半导体工业中，扫描电子显微镜用于分析芯片表面的纳米结构和性能，以及其他半导体材料和器件的研究和开发。

在环境科学领域，扫描电子显微镜可用于分析环境污染物的化学成分和形态，如粉尘、气溶胶、烟尘等，有助于研究它们的来源、形成机制和生物毒性。

结论扫描电子显微镜是一种高分辨率的显微镜技术，具有广泛的应用前景和重要的科学意义。

不仅能够提高我们对材料、生物样品、半导体和环境的理解，而且也在未来的许多领域中发挥着重要的作用。

电子显微镜与扫描电子显微镜电子显微镜（Transmission Electron Microscope，简称TEM）是利用电子束来对样品进行成像的一种显微镜。

它可以突破光学显微镜的分辨率限制，使得观察到的细微结构更加清晰和精细。

而扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）则是一种利用电子束来扫描样品表面并获取高分辨率图像的显微镜。

电子显微镜是通过将电子束通过透镜系统聚焦到极小的焦点，然后穿过样品并被投影到接收器上，从而观察样品内部的结构。

因为电子的波长比可见光短得多，所以电子显微镜的分辨率比光学显微镜高出数千倍，能够观察到更小尺度的细节。

在电子显微镜中，样品需要被切成极薄的薄片以使电子能够穿透，这也是电子显微镜的一个局限性，不能观察到完整的三维结构。

相比之下，扫描电子显微镜则是通过将电子束在样品表面上进行扫描来获取图像。

SEM能够提供高分辨率的表面拓扑图像，可以观察到样品表面的形貌、结构和成分。

SEM的分辨率通常在纳米级别，适用于对表面形貌和微观结构的观察。

与TEM不同的是，SEM不需要对样品进行薄片处理，对样品的准备要求相对简单，因此更为广泛应用。

除了可以观察样品的表面结构，扫描电子显微镜还可以通过不同的探测器来获取样品的化学成分信息。

例如，通过能谱仪（EDS）可以对样品进行化学成分分析，从而了解样品中各种元素的含量及分布。

而透射电子显微镜通常通过选区电子衍射技术（SAED）来对晶体结构进行分析。

总的来说，电子显微镜与扫描电子显微镜都是现代科学研究中不可或缺的工具，它们的高分辨率、高清晰度和高增强率为科学家们提供了研究微观世界的有效手段。

无论是在材料科学、生命科学、纳米技术还是其他领域，电子显微镜和扫描电子显微镜都扮演着重要的角色，推动着科学研究的进步和发展。

《第六章常见的光学仪器》知识点归纳第六章主要介绍了常见的光学仪器，涵盖了显微镜、望远镜、光谱仪、干涉仪、分光计等。

以下是该章节的知识点归纳：
1.显微镜：
-显微镜通过放大物体的图像来观察微观结构。

-光学显微镜使用透镜来放大物体的图像。

-透射电子显微镜和扫描电子显微镜使用电子束来放大物体的图像。

-相差显微镜和荧光显微镜是常见的光学显微镜。

2.望远镜：
-望远镜用于观察远处的天体。

-折射望远镜使用透镜将入射光线折射来放大图像。

-反射望远镜使用反射镜将入射光线反射来放大图像。

-天文望远镜和光学望远镜是常见的望远镜类型。

3.光谱仪：
-光谱仪用于分析物质的光谱特征。

-分光仪通过将入射光分散成不同波长的光束来进行光谱分析。

-分光光度计通过测量不同波长光的吸收或发射来定量分析物质。

-红外光谱仪和紫外-可见光谱仪是常见的光谱仪。

4.干涉仪：
-干涉仪用于测量光的干涉现象。

-杨氏双缝干涉实验是干涉仪的基本原理。

-干涉仪可以用来测量波长、折射率、薄膜厚度等。

-迈克尔逊干涉仪和迪克逊干涉仪是常见的干涉仪。

5.分光计：
-分光计用于测量和分析光线的色散性质。

-分光计通过将入射光线经过光栅或棱镜分散来进行测量。

-分光计可以用来测量物质的光谱特性、波长、频率等。

-分光光度计和偏振分光计是常见的分光计。

以上是第六章常见的光学仪器的知识点归纳。

通过学习这些仪器，我们可以更好地了解光学原理，应用于不同领域的科学研究和实验中。

扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope)基础知识一、扫描电子显微镜的工作原理扫描电镜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。

由电子枪发射的能量为5 ～35keV 的电子，以其交叉斑作为电子源，经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（以及其它物理信号），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讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束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。

二、扫描电镜具有以下的特点(1) 可以观察直径为0 ～30mm的大块试样(在半导体工业可以观察更大直径)，制样方法简单。

(2) 场深大、三百倍于光学显微镜，适用于粗糙表面和断口的分析观察；图像富有立体感、真实感、易于识别和解释。

(3) 放大倍数变化范围大，一般为15 ～200000 倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。

(4) 具有相当高的分辨率，一般为3.5 ～6nm。

(5) 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像反差的宽容度，使图像各部分亮暗适中。

采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数的图像或不同形式的图像。

(6) 可进行多种功能的分析。

与X 射线谱仪配接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧光图像和进行阴极荧光光谱分析等。

(7) 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化等。

三、扫描电镜的主要结构1.电子光学系统：电子枪；聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜）；物镜光阑。

扫描电子显微镜原理
扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）利用
电子束与样品交互作用来获取样品表面形貌和成分信息。

其工作原理涉及电子束的发射、聚焦、扫描以及信号的检测和放大。

首先，SEM内部的电子枪会通过电子发射材料（如钨丝）发
射出电子束。

然后，用来加速电子束的电场将其加速至高能，通常为几千至几十万电子伏。

电子束通过一系列电磁透镜进行聚焦，以减小电子束的直径。

接下来，样品被放置在一个可移动的样品台上。

样品通常需要被涂覆上导电性物质，以允许电子束在其表面上散射并与样品相互作用。

一旦样品准备完毕，样品台会移动，将其表面逐点扫描，使电子束与样品表面不断交互。

当电子束与样品表面相互作用时，会发生多种物理过程，如电子与样品原子之间的散射、逸出二次电子的产生以及不同能量的电子的反射。

这些过程产生的不同信号可用于分析样品的特征。

SEM内部的倍增器可以检测到被散射的电子或逸出二次电子。

这些信号会被转化为电信号并放大。

然后，电子信号会根据扫描的位置被编码并通过计算机或图像处理器进行处理。

最终，这些处理后的信号将被转化为图像，在显微镜显示器上呈现给操作者。

通过调整SEM的操作参数，如电子束的能量、聚焦以及扫描
参数，可以得到不同分辨率和深度的样品图像。

SEM广泛应用于材料科学、生物学、纳米技术等领域。

第六章扫描电子显微镜中南大学第六章扫描电子显微镜材料科学与工程学院艾延龄 E-mail: ylai@第一节电子束与固体样品相互作用背散射电子俄歇电子当高能电子束轰击样品表面时，由于入特征X射线二次电子射电子束与样品间的阴极荧光相互作用， 99 %以上吸收电子试样的入射电子能量将转变成热能，其余约 1 nA 束感生效应 %的入射电子能量，将从样品中激发出各透射电子种有用的信息，它们包括：电子束与固体样品作用时产生的信号1、背散射电子是指被固体样品原子反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。

它来自样品表层几百纳米的深度范围，其能量很高，弹性背散射电子能量近似于入射电子能量。

背散射电子产额随原子序数的增加而增加，不仅能用作形貌分析，也可用来显示原子序数衬度，定性地用作成份分析。

2、二次电子二次电子是被入射电子轰击出来并离开样品表面的核外电子，它来自于样品于距表面5~10nm深度范围，能量为0~50eV(往往只有几个电子伏特)。

二次电子对样品表面形貌十分敏感，因此非常适合于表面形貌分析。

产额与原子序数之间没有明显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分析。

3、吸收电子入射电子经多次非弹性散射能量损失殆尽，最后残存在样品中。

若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。

若逸出表面的背散射电子和二次电子数量越少，则吸收电子信号越大，因此吸收电子成像的衬度恰好与二次电子和背散射电子的图像衬度相反，吸收电子能产生原子序数衬度。

4、透射电子当样品足够薄时，那么就会有一部分入射电子透过样品成为为透射电子，这种扫描透射操作模式的透射电子中除了有能量和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，其中有些遭受特征能量损失△E的非弹性散射电子(即特征能量损失电子)和分析区域的成分有关，因此可用于微区成分分析。

5、特征X射线样品中原子受入射电子激发后，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，即特征 X 射线，其发射深度可达几个微米范围。