扫描电镜原理及应用(1)

扫描电镜技术原理及应用摘要: 扫描电镜一种新型的多功能的，用途最为广泛的电子光学仪器。

数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

关键词：扫描电镜;应用1938 年德国的阿登纳制成了第一台扫描电子显微镜，1965 年英国制造出第一台作为商品用的扫描电镜，使扫描电镜进入实用阶段。

近 20 年来，扫描电镜发展迅速，多功能的分析扫描电镜（即扫描电镜带上能谱仪、波谱仪、荧光仪等）既能做超微结构研究，又能做超微结构分析，既能做定性、定量分析、又能做定位分析,具有景深大，图像富有立体感，分辨率高，图像放大倍数高，显像直观，样品制备过程相对简单，可连接EDAX（X-射线能谱分析仪）进行微区成分分析等特点，被广泛应用于生物学、医学、古生物学、地质学、化学、物理、电子学及林业等学科和领域［1-2］。

1扫描电镜的工作原理与技术特点1.1 扫描电镜的工作原理扫描电镜( SEM) 的工作原理是由电子枪发射出来直径为50μm（微米）的电子束，在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径为5nm（纳米）的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，同时同步探测入射电子和研究对象相互作用后从样品表面散射出来的电子和光子，获得相应材料的表面形貌和成分分析［3］。

从材料表面散射出来的二次电子的能量一般低于50 eV，其大多数的能量约在2 ～ 3 eV。

因为二次电子的能量较低，只有样品表面产生的二次电子才能跑出表面，逃逸深度只有几个纳米，这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。

扫描电镜工作原理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像。

1.2 扫描电镜的技术特点［4］扫描电子显微镜测试技术特点主要有:( 1) 聚焦景深大。

扫描电子显微镜的聚焦景深是实体显微镜聚焦景深的50倍，比偏反光显微镜则大500 倍，且不受样品大小与厚度的影响，观察样品时立体感强。

扫描电子显微镜的结构原理和功能用途扫描电镜简介电子源发射的电子束经过电磁透镜的电子光学通路聚焦，电子源的直径被缩小到纳米尺度的电子束斑，与显示器扫描同步的电子光学镜筒中的扫描线圈控制电子束，在样品表面一定微小区域内，逐点逐行扫描。

电子束与样品相互作用，从样品中发射的具有成像反差的信号，由一个适当的图像探测器逐点收集，并将信号经过前置放大器和视频放大器,用调制解调电路调制显示器上相对应显示像素的亮度，形成我们人类观察习惯的，反映样品二维形貌的图像或者其他可以理解的反差机制图像。

由于图像显示器的像素尺寸远远大于电子束斑尺寸，（0.1mm/1nm=100,000倍）而且显示器的像素尺寸小于等于人类肉眼通常的分辨率，这样显示器上的图像相当于把样品上相应的微小区域进行了放大。

通过调节扫描线圈偏转磁场，可以控制电子束在样品表面扫描区域的大小，理论上扫描区域可以无限小，但可以显示的图像有效放大倍数的限度是扫描电镜分辨率的限度。

模拟图像扫描系统：样品上每个像素模拟信号直接调制阴极射线管对应显示像素的亮度，由于生成一幅高质量图像一般需要数秒或者数十秒/帧，所以模拟电镜使用慢余辉显像管终端显示一幅活图像，为了便于在显像管上观察图像，需要暗室，操作者可按照一定规程调整仪器参数，如图像聚焦，移动样品台搜索感兴趣区域，调节放大倍数，亮度对比度，消象散等从而获得最佳的图像质量。

模拟图像输出采用高分辨照相管，用单反相机直接逐点记录在胶片上，然后冲洗相片。

自1985年以来，模拟图像电镜已经被数字电镜取代。

数字图像扫描系统：样品上每个像素发出的成像信号，被图像探测器探测器后，经过前置放大器，和视频放大器放大，直接进行信号数字化，然后存储在图像采集卡的帧存器，形成数字图像数据，图像数据可被电镜操作软件读取，操作者在图形交互界面（GUI)上对图像进行调整控制，并把调整好的数字图像存储在计算机中硬盘中。

模拟控制是控制信号不经过计算机软件,直接由操作台按键旋钮等对执行机构进行控制,属于人工手动控制,控制精度由操作者观察仪表盘的变化决定.例如高压电源,扫描线圈,探测器电源,电子枪控制，磁透镜控制,样品台的运动控制等等。

扫描电镜的工作原理和应用1. 扫描电镜的工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用电子束与样品相互作用来获取图像的仪器。

相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的分辨率和更大的深度感，可以观察到更细微的细节。

扫描电镜的工作原理如下：1.电子发射: 扫描电镜通过热发射或场发射的方式产生高能电子束。

这个电子束经过加速电压，使电子获得足够大的能量。

2.聚焦: 电子束经过一系列的聚焦透镜，使其在样品表面形成一个非常小的聚焦点，以提高分辨率。

3.扫描: 电子束通过控制扫描线圈的方式，沿着样品表面进行扫描。

在每一个扫描点，样品上的电子与电子束发生相互作用。

4.信号检测: 所有与电子束相互作用的信号都被收集和检测，包括次级电子、反射电子、散射电子等。

5.图像生成: 通过扫描电镜的控制系统将所有收集到的信号转换为图像。

这些图像可以显示出样品表面的形貌、结构和组成。

2. 扫描电镜的应用扫描电镜广泛应用于各个领域，包括材料科学、生物学、医学等。

下面列举一些常见的应用：1.纳米材料研究: 扫描电镜可以观察到纳米级别的材料结构和形貌，对于纳米材料的制备和性质研究非常重要。

2.生物学研究: 扫描电镜可以观察生物样品的微观结构，如细胞、细胞器和微生物等。

它可以帮助研究者了解生物体的形态、组织和功能。

3.医学检测: 扫描电镜可以用于医学领域中的病理学研究和临床诊断。

例如，可以观察病毒、细菌、组织断面等微小结构，帮助医生进行疾病诊断和治疗。

4.材料表征: 扫描电镜能够观察材料的粗糙度、晶体结构、颗粒分布等参数，对于材料研究和工程应用具有重要意义。

5.环境科学研究: 扫描电镜可以用于观察和分析大气颗粒物、水中微生物和污染物等的形貌和组成，有助于环境污染的起因和后果研究。

6.艺术文物保护: 扫描电镜可以帮助对文物进行分析，如绘画的颜料、雕塑的材料等。

这对于文物的保护和修复具有重要价值。

第17卷第5期2019年10月实验科学与技术Experiment Science and TechnologyVoL.17No.5Aug.2019扫描电镜的基本原理及应用余凌竹，鲁建（四川大学生物材料工程技术研究中心，四川成都610064）摘要扫描电镜主要用于样品微区形貌、结构及成分的观察和分析。

扫描电镜具有高的分辨率、良好的景深以及简易的操作等优点，使其在材料学、物理学、化学、生物学、考古学、地矿学以及微电子工业等领域有广泛的应用。

该文结合多年的扫描电镜测试经验介绍了扫描电镜的基本原理、构造、优势以及在实际中的应用，为扫描电镜的初学者及从业者全面了解和使用扫描电镜提供一定的帮助。

关键词扫描电镜；基本原理；构造；优势；应用中图分类号TH89文献标志码A doi：10.3969/j.issn,1672-4550.2019.05.019The Fundamental Principles and Applications of ScanningElectron MicroscopyYU Lingzhu and LU Jian(National Engineering Research Center for Biomaterials,Sichuan University,Chengdu610064,China)Abstract The scanning electron microscopy(SEM)is mainly used for the observation and analysis of morphology,structure, and composition of samples.The SEM possesses advantages in resolution,depth of field and ease of operation.It plays an important role and is widely used in materials,physics,chemistry,biology,geology,archaeology,microelectronics industry,etc.Based on our experience of operating the SEM,this paper introduces the fundamental principle,construction,advantages,and applications of the SEM,which is helpful for the SEM learner and operator to grasp and use the SEM.Key words scanning electron microscopy;fundamental principles;constructions;advantages;applications随着现代科学技术的发展，大量的科研工作者将研究的方向集中在了对微观世界的探索。

论述扫描电镜的原理及应用一、扫描电镜的原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种利用电子束与样本相互作用产生的信号来获取样本表面信息的仪器。

它能够提供高分辨率、高深度的表面和形貌信息，成为材料科学、生物科学等领域的重要工具。

扫描电镜的原理主要包括以下几个方面：1. 电子光源扫描电子显微镜是使用高能电子束进行成像的，因此需要一个电子光源。

一般采用热阴极或冷阴极发射电子的电子枪作为电子光源。

电子光源在电子束形成中起到了核心的作用。

2. 准直与聚焦准直与聚焦系统是扫描电镜中的重要组成部分。

它通常由准直系统、导向系统和聚焦系统组成。

准直系统用于控制电子束的方向和角度，导向系统用于控制电子束的位置，而聚焦系统则用于将电子束聚焦到一个细小的区域。

3. 样本与扫描盘样本与扫描盘是扫描电镜中的另外两个重要部分。

样本是待观察的对象，它需要被放置在扫描盘上以便与电子束相互作用。

样本的制备与处理对于扫描电镜成像的质量有着重要的影响。

4. 信号检测与处理扫描电子显微镜中，样本与电子束的相互作用会产生多种信号，如二次电子发射、后向散射电子等。

这些信号需要经过特定的检测器进行捕捉，并经过处理后形成最终的图像。

常用的检测器包括二次电子检测器、信号放大器等。

二、扫描电镜的应用扫描电镜具有很多应用领域，下面列举了几个主要的应用方向：1. 材料科学扫描电镜可以用于对材料表面形貌和结构的观察和分析。

通过扫描电镜的高分辨率成像，可以研究材料的晶体结构、相界面、缺陷等信息。

这对于材料的研发、改进和质量控制具有重要意义。

2. 生物科学生物科学中常常需要观察和研究生物细胞、组织和器官的形态和结构。

扫描电镜能够提供高分辨率、高深度的图像，可用于观察细胞表面的超微结构、细胞器的形态以及细胞间相互作用等情况。

扫描电镜在生物学研究中有着广泛的应用。

3. 纳米技术纳米技术是当今科技领域的一个热点，扫描电镜作为纳米尺度下表面形貌观测的有效手段，在纳米技术研究领域得到了广泛应用。

sem扫描电镜工作原理
SEM（扫描电子显微镜）工作原理是利用电子束扫描样品表
面并测量反射或散射的电子信号。

1. 准备样品：待观察的样品通常需要被先行处理，如固定、切片、涂覆导电涂层等，以便在SEM中获得良好的成像效果。

2. 电子发射和聚焦：SEM中的电子枪产生以高速发射的电子束。

该电子束经过电子透镜的聚焦作用，使得其具有很高的空间分辨率。

3. 样品扫描：样品被固定在一个电子透明的托座上，电子束扫描轨迹由扫描线圈控制。

电子束沿着一系列水平和垂直线扫描，从而覆盖整个样品表面。

4. 相互作用检测：当电子束与样品表面相互作用时，会发生多种现象，包括电子的散射、透射以及次级电子、反射电子的发射等。

这些信号会被探测器捕捉。

5. 信号放大和处理：SEM中的探测器接收到的信号被放大和
处理。

不同的探测器可以检测不同类型的信号，如次级电子探测器可用于成像表面形貌，而反射电子探测器可用于分析样品的晶体结构。

6. 生成图像：SEM内部的计算机将处理后的信号转换为图像，形成类似于电视图像的黑白或彩色显示。

根据扫描的样品区域，可获得高分辨率的二维或三维表面形貌图像。

SEM的工作原理基于电子的波粒二象性，电子具有很短的波长（通常比可见光短得多），因此SEM可以提供更高的空间分辨率，达到纳米级甚至更高级别的成像精度。

扫描电镜工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种高分辨率的显微镜，利用电子束与样品相互作用来获取样品表面形貌和成分信息。

它在材料科学、生物科学、纳米科学等领域具有广泛的应用。

一、扫描电镜的基本原理扫描电镜主要由电子光学系统、扫描系统和检测系统三部分组成。

1. 电子光学系统电子光学系统是扫描电镜的核心部分，它由电子枪、准直系统和透镜系统组成。

电子枪产生高能电子束，准直系统用于将电子束聚焦成细束，透镜系统用于将聚焦的电子束聚焦到样品表面。

2. 扫描系统扫描系统由扫描线圈和样品台组成。

扫描线圈通过控制电子束的扫描轨迹，使其在样品表面上进行扫描。

样品台用于支撑和定位样品。

3. 检测系统检测系统用于探测样品表面反射、散射的电子信号，并将其转化为图像。

常用的检测器包括二次电子检测器和反射电子检测器。

二、扫描电镜的工作过程扫描电镜的工作过程可以分为样品制备、样品加载、参数设置、扫描和图像获取等步骤。

1. 样品制备样品制备是扫描电镜观察的前提，样品需要具备一定的导电性和稳定性。

常用的样品制备方法包括金属镀膜、碳膜覆盖、冷冻断裂、离子切割等。

2. 样品加载样品加载是将待观察的样品放置在样品台上，并通过样品夹具或者导电胶固定。

加载过程需要注意避免样品表面的污染和损伤。

3. 参数设置在进行观察之前，需要设置扫描电镜的工作参数，包括加速电压、放大倍数、扫描速度等。

这些参数的选择会影响到观察的分辨率和深度。

4. 扫描和图像获取设置好参数后，开始进行扫描和图像获取。

电子束在样品表面进行扫描，扫描线圈控制电子束的移动轨迹。

同时，检测器会探测样品表面反射、散射的电子信号，并将其转化为图像。

三、扫描电镜的应用领域扫描电镜在材料科学、生物科学、纳米科学等领域有着广泛的应用。

1. 材料科学扫描电镜可以用于材料表面形貌的观察和分析，例如金属的晶体结构、陶瓷的微观结构等。

同时，扫描电镜还可以用于材料成分的分析，通过能谱仪可以获取样品的元素组成信息。

扫描电镜成像原理随着科技的发展，现代人们对于物质的深度探索达到了前所未有的高峰。

扫描电镜作为一种高级的成像手段，可以在纳米尺度下观测物质，已成为各个领域研究的必备工具。

那么，扫描电镜成像原理究竟是怎样的呢？1. 扫描电镜成像的基本原理扫描电镜在成像时采用的是高分辨率物理成像技术，其基本原理是将电子束发射并聚束照射在样品表面，打在样品表面后的电子会被样品表面的原子壳层吸收，部分能量将激发样品表面原子的电子由原子壳层底层向外跃迁，这样便形成了像样品原子表面外部共振层的信号，这种信号可以被扫描电镜所接收到。

2. 扫描电镜的分类扫描电镜主要分为三种：场发射扫描电镜(FESEM)、透射扫描电镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)。

场发射扫描电镜(FESEM)是在把样品处理好后，利用场致发射钨丝发射出的电子产生高清晰度电磁场，对样品进行成像；透射扫描电镜(TEM)是在把样品处理好后，通过样品中的电子运动方式来生成高分辨率的成像；原子力显微镜(AFM)则是通过扫描样品表面，收集样品表面的反向力，进而实现成像。

3. 扫描电镜成像的影响因素扫描电镜成像的影响因素包括工作距离、倍率、电子束的加速电压以及用于对扫描电镜进行校准和校正的固有噪声等因素。

4. 扫描电镜在生物领域的应用扫描电镜的高分辨率成像技术，在生物领域的应用也是十分广泛的。

例如，可以利用扫描电镜观测细胞表面的微小结构，对霉菌、细菌、寄生虫等微小生物进行研究；通过样品修复技术，也可以观察到生物细胞内部结构的情况，从而有助于研究细胞的生物学化学性质等。

5. 扫描电镜的应用前景随着国家经济的不断进步和科技的不断发展，扫描电镜在各个领域中的应用也将会越来越广泛。

尤其是在新材料领域、新能源领域、生物科学领域和病毒方面的研究中，扫描电镜的应用前景更是十分广阔。

总之，扫描电镜是一项十分基础的物质探测技术，通过高分辨率物理成像技术的应用，我们可以在纳米尺度下观察世界，深入研究其中体现的相互作用机制，让我们更好地掌握物质本质规律，促进科技发展与社会进步。