一
灯丝
、
电
子
光
学
系
聚光镜
统
扫描线圈
物镜
二次电子检测器
二 、 信 号 检 测 系 统
能谱探头
背散射电 子检测器
二次电子检测器和背散射电子检测器的工作原理
二次电子/背散射电 子→捕集器→闪烁 体→电离产生可见 光→光导管→光电 增管→得到放大 的电信号→视频放 大器放大→ 调制 显像管亮度→得到 图像
1.1电子束与固体样品作用时产生 的信号
扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦的非常细 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， 获得对试样表面形貌的观察。
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。
电子束与固体样品作用时产生的信号
1.2 扫描电镜的成像原理
二次电子成像原理
形貌衬度---由于二次电子是从样品表面5-10nm 深度范围内激发出来的，因此二次电子对微区 表面的几何形状十分敏感，影响二次电子图像 衬度的主要因素是表面凹凸形貌造成的衬度。
原子序数衬度--- 原子序数大的地方射出的二次 电子多，图像亮；而原子序数小的地方射出的 二次电子少，图像暗。
光屏是固定的，因此只要减小或增加镜筒中电子束的扫 描幅度就可以相应地增大或减小放大倍数。 JSM5600LV型扫描电镜的放大倍数范围为18-300,000倍。
高真空分辨率
低真空分辨率
2.3 扫描电镜的优点
分辨率高 景深大 放大倍数范围宽 制样简单 对样品损伤小 得到的信息多
3. 运用
形貌衬度 －由于背散射电子是在一个较大的作用 范围内被入射电子激发的，所以用背散射电子信 号进行形貌分析时，其分辨率比二次电子低。
(a)二次电子(SE)像
(b)背散射电子(BSE)像
亚共析钢中铁素体和珠光体的SEM形貌
(a)二次电子(SE)像
(b)背散射电子(BSE)像
半导体器件断口的SEM形貌
电位衬度--- 电位低的地方二次电子少，图像暗； 而电位高的地方二次电子多，图像亮。
二次电子产额与样品表面形貌的关系
实际样品中二次电子的激发示意图
背散射电子成像原理
原子序数衬度－在原子序数Z小 于40的范围内，背散射电子的 产额对原子序数十分敏感。样 品中原子序数较高的区域由于 收集到的背散射电子数量较多， 故屏幕上的图像较亮，而轻元 素区域则较暗，因此可以利用 原子序数造成的衬度变化对各 种金属和合金进行定性的成分 分析。
原子的内层电子被入 射电子束激发或电离 时，处于激发状态的 外层电子向内层跃迁 时释放出的具有特征 能量的X射线
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。 二次电子 ： 二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。 当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的 结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如 果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那 些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面 逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。
2.2 扫描电镜的主要性能
分辨率
分辨率是指图像上可以分辨的两个特征物（颗粒或 区域）之间的最小距离。JSM-5600LV型扫描电镜的分 辨率为：3.5nm(高真空分辨率)和4.5nm(低真空分辨率)。 由于二次电子的逸出深度和广度较小，故二次电子的图 像分辨率最高，图像清晰。
放大倍数
放大倍数是指电子束在显像管上扫描幅度Ac 与试 样上扫描幅度As之比（ Ac / As ）。由于扫描电镜的荧
2. 1 扫描电子显微镜的结构
扫描电镜由电 子光学系统， 信号收集及显 示系统，真空 系统及电源系 统组成。
扫描电子显微镜的原理结构示意图
扫描电镜的仪器构造
SEM--- 仪器型号：JSM-5600LV型 生产厂家：JEOL公司
EDS --- 仪器型号： IE 300 X
生产厂家： Oxford
固体样品表面微区形貌观察； 材料断口形貌及其内部结构分析； 微粒或纤维形状观察及其尺寸分析； 固体样品表面微区成分的定性和半定量
分析。
3.2 电镜断口分析
断裂是工程构件和机械零件失效 形式中最主要、最具危害性的失效。 在对断口形貌的实际观察和研究中， 扫描电镜由于具有放大倍数连续可调、 景深大、立体感强、无需另外制备样 品等优点，从而在断口分析中得到了 广泛的应用。
扫描电子显微镜
Scanning Electron Microscope
分析测试中心
扫描电子显微镜
扫描电子显微镜是利用聚焦电子束在试样上 扫描时，激发的一些物理信号来调制一个同步扫描 的显像管在相应位置的亮度而成像的一种显微镜。 SEM是近几十年来发展起来的一种大型精密电子光 学仪器，它是观察样品微区形貌和结构的有力工 具，在冶金、地质、矿物、高分子、半导体、医学 、生物学等领域有着广泛的应用。
特征X射线 ： 特征X射线试原子的内层电子受到激发以 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。 俄歇电子 ： 如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出 来的能量不是以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，这种二次电子叫做俄歇电子。
扫描电子显微镜的原理结构示意图
一次电子束 交互作用区
从样品表面5-10nm深度 范围内被入射电子激发出 来的，能量小于50eV的 电子
5-10 nm: SE
（二次电子）
入射电子打到样 品表面被样品散 射后向反方向运
50-200nm: BSE
（背散射电子）
行逸出样品表面 的能量高于50ev 的电子
1-5 mm: X-ray
（X-射线）
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形貌的观察和微区成分分 析。
1.扫描电子显微分析的基本原理
1932年德国发明了第一台电子显微镜，并于1986年 获得诺贝尔物理奖。
电子显微镜主要特征： 以电子束代替光镜中的光束作为入射光
电子束的波长由加速电压所决定 例：V=100 kV时，λ=0.0039 nm，此时分辩率为0.002 nm 以电磁透镜代替光镜中的玻璃透镜 电磁透镜的本质是一个透过直流电的线圈所产生的磁 场，电子束受到磁场力的作用而改变其运动方向和速 度，如同光束通过玻璃透镜，最终会聚焦。