扫描电镜图象及其衬度

材料检测表征方法之扫描电镜自从1965年第一台商品扫描电镜问世以来，经过40多年的不断改进，扫描电镜的分辨率从第一台的25nm提高到现在的0.01nm，而且大多数扫描电镜都能与X射线波谱仪、X射线能谱仪等组合，成为一种对表面微观世界能够经行全面分析的多功能电子显微仪器。

在材料领域中，扫描电镜技术发挥着极其重要的作用，被广泛应用于各种材料的形态结构、界面状况、损伤机制及材料性能预测等方面的研究。

利用扫描电镜可以直接研究晶体缺陷及其产生过程，可以观察金属材料内部原子的集结方式和它们的真实边界，也可以观察在不同条件下边界移动的方式，还可以检查晶体在表面机械加工中引起的损伤和辐射损伤等。

1、扫描电镜的结构及主要性能扫描电镜可粗略分为镜体和电源电路系统两部分。

镜体部分由电子光学系统、信号收集和显示系统以及真空抽气系统组成。

1.1 电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。

其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。

为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

1.2 信号收集及显示系统检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。

现在普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。

1.3 真空系统真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染，一般情况下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。

1.4 电源系统电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。

2、扫描电镜工作原理扫描电镜由电子枪发射出来的电子束，在加速电压的作用下，经过磁透镜系统汇聚，形成直径为5nm，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。

在末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。

由于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和透射电子等。

扫描电镜图象及其衬度在中国材料显微镜网上看到一篇介绍扫描电镜图像及其衬度的文章，感觉超级的有效。

转过来跟大家一路窗习一下，希望对大家有所帮忙。

1 、扫描电镜像的衬度扫描电镜图象的衬度是信号衬度，它可概念为：按照形成的依据，扫描电镜的衬度可分为形貌衬度，原子序数衬度和电压衬度。

形貌衬度是由于试样表面形貌不同而形成的衬度。

利用对试样表面形貌转变敏感的物理信号如二次电子、背散射电子等作为显象管的调制信号，可以取得形貌衬度像。

其强度是试样表面倾角的函数。

而试样表面微区形貌不同实际上就是各微区表面相对于入射束的倾角不同，因此电子束在试样上扫描时任何二点的形貌不同，表现为信号强度的不同，从而在图像中形成显示形貌的衬度。

二次电子像的衬度是最典型的形貌衬度。

原子序数衬度是由于试样表面物质原子序数（或化学成份）不同而形成的衬度。

利用对试样表面原子序数（或化学成份）转变敏感的物理信号作为显像管的调制信号，可以取得原子序数衬度图像。

背散射电子像、吸收电子像的衬度，都包括有原子序数衬度，而特征X 射线像的衬度是原子序数衬度。

现以背散射电子为例，说明原子序数衬度形成原理。

对于表面滑腻无形貌特征的厚试样，当试样由单一元素组成时，则电子束扫描到试样上各点时产生的信号强度是一致的。

取得的像中不存在衬度。

当试样由原子序数不同的元素组成时，则在不同的元素上方产生不同的信号强度，因此也就产生衬度。

电压衬度是由于试样表面电位不同而形成的衬度。

利用对试样表面电位状态敏感的信号，如二次电子，作为显像管的调制信号，可取得电压衬度像。

2 、背散射电子像背散射电子是由样品反射出来的第一次电子，其主要特点是：能量很高，有相当部份接近入射电子能量E 0 ，在试样中产生的范围大，像的分辨率低。

背散射电子发射系数η =I B /I 0 随原子序数增大而增大。

作用体积随入射束能量增加而增大，但发射系数转变不大。

当试样表面倾角增大时，作用体积改变，且显著增加发射系数。

电镜图像衬度的原理及应用1. 电镜图像衬度的定义电镜图像衬度是通过改变电子束的相位和幅度，来增强样品中激发电子的图像的一种技术。

它分析物体中的相位差，使得低对比度的物体部分得以清晰可见，提供更详细的信息。

2. 电镜图像衬度的原理电子的相位和幅度信息是通过载波电子束与样品中的电子相互作用得到的。

电子束在样品中传播时，与样品中的原子和电子发生相互作用。

相位差会改变入射电子的波前，从而对样品中电子的传播产生影响。

For example: - 圆盘状的器件，在传输电子显微镜中通常会出现相位包结构。

这个包结构出现的原因是因为在平面内，入射电子与样品原子相互作用后，改变了入射电子的相位。

进而使部分入射电子在特定位置上相消，这就导致了衬度的增加。

这种衬度的改变通过调节载波电子束的相位差和幅度差来实现。

衬度的衡量由电子的幅度差决定，幅度差决定了样品中物体的对比度。

3. 电镜图像衬度的应用电镜图像衬度技术在材料科学、生物学和纳米科学等领域有着广泛的应用。

以下是一些具体的应用案例：3.1 纳米材料的缺陷分析通过电子衬度技术，我们可以观察和分析纳米材料中的缺陷。

纳米材料的微小尺寸和复杂表面结构使得使用传统的显微镜观察难以获得足够的细节信息。

电镜图像衬度技术能够提供更清晰、更详细的图像，帮助科学家们研究纳米材料中的缺陷，并进一步改进材料的性能。

3.2 生命科学中的细胞研究在生物学研究中，电子显微镜图像衬度技术可以用于观察细胞的结构和功能。

通过增强低对比度的结构，如细胞器和蛋白质聚集，科学家们可以更好地了解细胞的内部结构和功能，从而为疾病的诊断和治疗提供重要的参考依据。

3.3 材料科学中的表面形貌研究电子显微镜图像衬度技术能够帮助科学家们观察材料表面的形貌。

通过增强图像的衬度，科学家们可以更清晰地观察材料表面的微观结构和纳米尺度的特征。

这对于研究材料的物理性质和表面反应具有重要意义。

3.4 半导体产业中的工艺控制电子显微镜图像衬度技术在半导体产业中也有重要应用。

扫描电镜实验报告姓名：日期：2011年6月2日一、实验目的1、结合扫描电镜（SEM）实物，介绍其基本结构和工作原理，加深对扫描电镜结构及原理的了解。

2、应用SEM扫描观察实验样品的表面形貌。

二、实验仪器JEOL JSM-6490LV型扫描电子显微镜三、实验原理及内容扫描电子显微镜(SEM)的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。

1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。

经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，1956年开始生产商品扫描电镜。

近数十年来，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。

1、扫描电镜的基本结构（如图1所示）1）电子光学系统：电子枪、聚光镜、物镜光阑；2）扫描系统：扫描信号发生器、扫描放大控制器、扫描偏转线圈；3）信号探测放大系统：探测二次电子、背散射电子等信号；4）图像显示和记录系统：早期SEM采用显像管、照相机等，数字式SEM采用电脑系统进行图像显示和记录管理；5）真空系统：真空泵高于10-4Torr，常用机械真空泵、扩散泵、涡轮分子泵；6）电源系统：高压发生装置、高压油箱。

图1 扫描电镜成像原理图1—电子枪；2—镜筒；3—试样室；4—脉冲多道分析器；5—计算机；6—数据储存；7—视频放大器；8—信号处理系统；9—显象管；10—扫描发生器；11—Si （Li ）检测器L —电磁透镜；C —扫描线圈；S —试样；D1—二次电子检测器；D2—背反射电子检测器；SE —二次电子；BSE —背反射电子；SC —试样电流；EBIC —电子感生电流电子枪提供一个稳定的电子源，以形成电子束。

灯丝加热到工作温度后，出射的电子便离开V 型尖端。

由于阴极（灯丝）和阳极间加有1~30KV （一般20KV左图2 自偏压电子枪结构图右）的高压，这些电子则向阳极加速运动。

实验四扫描电镜的结构原理及图像衬度观察一实验目的1 结合扫描电镜实物，介绍其基本结构和工作原理，加深对扫描电镜结构及原理的了解。

2选用合适的样品，通过对表面形貌衬度和原子序数衬度的观察，了解扫描电镜图像衬度原理及其应用。

3 利用二次电子像对断口形貌进行观察。

二实验原理1 扫描电镜基本结构和工作原理扫描电子显微镜利用细聚电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产生各种物理信号．这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号．最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。

扫描电镜具有景深大、图像大体感强、放大倍数范围大连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。

图4-1为扫描电镜结构原理方框图。

扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在1—30kV、实验时可根据被分析样品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV左右。

扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内，（几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。

扫描电镜镜的光光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束．作为使样品产生各种物理信号的激发源。

扫描电镜最常使用的是二电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

图4-1 扫描电镜结构原理方框图扫描电镜的基本结构可分为六大部分，电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统。

这一部分的实验内容可参照教材（材料分析方法），并结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。

主要介绍两种扫描电镜Quanta环境扫描电子显微镜和场发射扫描电镜。

2表面形貌衬度原理及应用二次电子信号主要用于分析样品的表面形貌。

二次电子只能从样品表面层5—10nm 深度范围内被入射电子束激发出来，大于10nm时，虽然入射电子也能使核外电子脱离原子而变成自由电子，但因其能量较低以及平均自由程较短，不能逸出样品表面，最终只能被样品吸收。

说明扫描电镜原子序数衬度的应用1. 扫描电镜的基本概念哎，说到扫描电镜，大家可能会想：“这是什么高大上的玩意儿？”其实，扫描电镜（SEM）就是一种超级厉害的显微镜，它能让我们看到材料的表面细节，甚至比小虫子还小的东西！想象一下，原本在你眼前平淡无奇的材料，经过它一照，哇！居然能看到表面上微小的坑坑洼洼，那感觉简直就像打开了一扇通往微观世界的大门。

这玩意儿的工作原理也不复杂，简单来说，就是用电子束照射样品表面，收集反射回来的电子，然后把这些电子转换成图像。

这样，我们就能看到样品的结构和成分啦。

不过，今天我们要说的重点，不仅仅是扫描电镜本身，更是它里面的“原子序数衬度”这一绝妙应用。

2. 什么是原子序数衬度2.1 原子序数衬度的定义原子序数衬度，听起来像是某种高深的化学术语，其实它的意思就是根据材料中元素的原子序数不同，形成的对比效果。

简单点说，原子序数越高，反射的电子就越多，图像就越亮；反之，原子序数低的材料就显得暗淡无光。

这就像你在夜晚的派对上，身穿亮闪闪的衣服，自然吸引所有人的目光，而穿着普通的衣服，往往就默默无闻了。

2.2 如何利用原子序数衬度那么，咱们怎么利用这个原子序数衬度呢？很简单！通过调节扫描电镜的参数，咱们可以让不同原子序数的材料在同一图像中呈现出不同的亮度，这样就能一眼看出哪些地方是由高原子序数的元素组成，哪些是低原子序数的。

这样做的好处多着呢！可以帮助我们分析材料的成分、了解合金的分布，甚至可以用来观察生物样品的细胞结构。

3. 应用实例3.1 材料科学中的应用在材料科学领域，这种原子序数衬度的应用可谓是“如鱼得水”。

比如说，研究人员在分析金属合金时，可以通过不同亮度的对比，清楚地看到各个成分的分布情况。

想象一下，几种金属混在一起，乍一看像是一锅乱炖，结果通过电镜一照，所有成分都“乖乖”显现出来，分布的规律一目了然，这样的效率，真是让人拍手叫好！3.2 生物样品的观察再来谈谈生物样品。