导图社区 电子显微法（SEM）
详细介绍了电子显微法的发展历史、电子与物质的相互作用、扫描电镜的原理及应用等内容。
汇总了高聚物的常见力学性能指标及测试方法，提供了关于材料力学性能的详细概述和分类。首先，介绍了材料在受到外力作用时的不同响应，包括弹性、塑性、屈服、应变软化、硬化等现象，并给出了相关的定义和公式。详细列出了与材料力学相关的各种术语和定义，如弹性模量、比例极限、弹性极限、塑性形变、拉伸强度等，并对它们进行了分类和解释。
详细介绍了透射电镜的基本原理及其仪器构造、制样等，一张图带你完全了解相关内容，内容实用，收藏学习吧！
社区模板帮助中心，点此进入>>
电费水费思维导图
D服务费结算
材料的力学性能
总平面图知识合集
软件项目流程
一级闭合导线
建筑学建筑材料思维导图
第二章土的物理性质及工程分类
人工智能的运用与历史发展
电池拆解
电子显微法
概述
电子显微分析：是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号，分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。
透射电子显微分析
透射电子显微镜TEM
扫描电子显微分析
扫描电子显微镜SEM
X射线显微分析
电子探针仪EPMA
显微分析发展历史
肉眼（17世纪前）：0.2mm→光学显微镜（17世纪初）：200nm，细胞→电子显微镜（20世纪30年代）：＜0.1nm，原子
眼睛
第一台“光学设备”，＞0.2mm，局限性
光学 显微镜
观察细菌、细胞、材料内部显微组织，分辨率约0.2μm，放大极限2000倍
光源为可见光（400-760nm），分辨率为λ/2
限制分辨率的因素
光的波动性，使得由透镜各部位折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互发生干涉作用而产生衍射现象
埃利斑
因衍射，在像平面上形成一个有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成的衍射花样
光强度84％集中在中央亮斑，常以埃利斑的第一暗环的半径来衡量埃利斑的大小
与光波长λ、放大倍数M成正比
与数值孔径 n·sinα成反比
分辨率极限
当两 Airy 斑中心间距等于第一暗环半径R0，两物点刚能被分辨
瑞利（Rayleigh）分辩两Airy斑像的判据
透镜的分辨本领
增加数值孔径n.sina是有限的，解决办法是减小波长λ
可见光400-760nm
＞0.2μm
紫外线10-400nm
大多物质有强烈吸收
X射线0.05-10nm
无法使其折射聚焦成像
不能做光源
电子 显微镜
理论奠基阶段
1834年法拉第首次提到基本电荷“电的原子”概念
1858年德国盖斯勒发明阴极射线管
1858年普鲁克首次发现阴极射线
1878年瑞利指出光学显微镜分辨本领受到光波衍射的限制，给出了显微镜分辨本领的极限公式
1881年，赫兹对阴极射线的性质进行研究，但没有得出正确结论
1897年汤姆逊确定阴极射线是带负电的粒子束即电子
结束了关于阴极射线本质的争论
1906年诺贝尔物理学奖
1924年法国德布罗意提出微观粒子具有波、粒二象性
电子波长远小于可见光
可作为光源，使高分辨成像成为可能
提高管电压U可降低波长
1926年德国Garbor和Busch建立几何电子光学理论，发现磁场对电子束的聚焦作用，即电磁透镜
1929年斯蒂青提出用扫描微粒子束检测和测量物体
试验研究
1931年德国克诺尔和鲁斯卡（1986年诺贝尔物理学奖）发明了TEM
20世纪30~40年代扫描式、发射式、反射式、电子投射式、场发射式相继在德国提出并实验，透射式优先发展。
1935年克诺尔为研究二次发射现象设计了一台仪器，被认为是第一台SEM
1938年冯.阿登把扫描线圈装入TEM，设计了第一台扫描透射电子显微镜STEM
分辨率50-100nm
1942年美国茨瓦建造了用来检测样品的SEM
用二次电子成像，分辨率只有1μm
从减小束斑尺寸、改善讯噪比等方面进行理论和实际探索
尝试用场发射冷阴极源代替钨丝热发射阴极源
用电子倍增器作为来自样品的二次电子流预放大器
二战后剑桥奥特利在英格兰建造SEM，1952年实现了50nm的分辨率
1956年史密斯用电磁透镜代替静电透镜，并首次加入消像散器
1960年埃弗哈特和索恩利改进了检测器、提高信噪比
1963年采用三个电磁透镜，制造了SEM
真正意义上的第一台商品SEM雏形
商品化阶段
1965年剑桥科学仪器公司制造出世界上第一批商品SEM
1980年，SEM开始加入能谱仪和波谱仪（EDS/WDS)等分析装备
1990年全面进入数字图像时代
SEM的优点
景深长、图像富有立体感
图像的放大倍率可在大范围内连续改变，而且分辨率高
样品制备方法简单，可动范围大，便于观察
样品的辐照损伤及污染程度较小
可实现多功能分析
电子与物质的相互作用
电子与物质的相互作用方式
散射
相干散射
方向改变，能量不变，波长不变
非相干散射
方向改变，能量减小，波长增加
吸收
经多次非相干散射，能量损失殆尽，不再产生其它效应，被样品吸收
透过
穿过薄样品的电子，包含弹性散射和非弹性散射的电子
激发
二次电子、俄歇电子、特征X射线、阴极发光
电子与固体物质作用激发的信息
与入射电子是同一电子
透射电子
无散射（直接穿过）
前向散射电子
弹性散射
非弹性散射
能量几乎不损耗或损耗极少
TEM成像
TEM衍射
微区成分分析
背散射电子
原子核反弹
能量几乎无损失：数千-数万eV
样品和外电子碰撞
能量有不同程度损失：几十-数千eV
特点：
来自样品表层几百纳米深度
产额随样品原子序数增加而增大
信号强度与化学成分有关
弹性散射远多于非弹性散射电子
作用范围比二次电子更大，成像的分辨率相对较低
形貌分析 成分分析
吸收电子
经多次非弹性散射后能量损耗殆尽的电子
强度反比与背散射电子或二次电子信号强度
衬度与背散射电子或二次电子信号调制的图像相反
形貌分析 微区成分分析
与入射电子不是同一电子
二次电子
被入射电子轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子
是一种真空中的自由电子
价电子激发
约90%
芯电子激发
能量较低＜50eV，多数只有几个eV
来自样品表层5~50nm
对样品表面形貌十分敏感
产生二次电子的面积与入射电子的照射面积区别不大
分辨率高，SEM分辨率通常指二次电子分辨率
产额与原子序数间没有明显依赖关系
不能作成分分析
形貌分析
俄歇电子
外层电子回填内层空位后,原子所释放的能量被同层电子吸收,并挣脱了核的束缚成为自由电子,在同层中发生了两次电离,这种第二次电离的电子称为俄歇电子,该现象称俄歇效应
能量很低，平均自由程短，约1nm，表层2~3个原子层发出
表层成分分析
光学信号
特征X射线
入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子
具有特征能量，反映样品成分信息
根据莫塞莱定律，如果我们用x射线探测器测到了样品微区中存在某一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素
成分分析
阴极发光
价电子被激发到高能级或能带中，被激发的材料同时产生了弛豫发光
波长可能是可见、紫外或红外
根据强度进行元素成分分析
对杂质和缺陷十分敏感
鉴定样品中杂质和缺陷的分布情况
相互作用体积与信号产生的深度和广度
相互作用体积
多次散射后电子在各个方向散射概率相等（漫散射），相互作用不限于电子入射方向，而是有一定的体积范围
形状和大小与入射电子的能量、试样原子序数、电子入射方向有关
轻元素呈梨形
重元素呈半球形
能量 增加只改变作用体积大小，形状基本不变
倾斜入射时，在靠近试样表面处横向尺寸增加
形状和大小决定了各种物理信号产生的深度和广度范围
深度和广度
俄歇电子＜1nm
表面分析
二次电子＜10nm
散射次数少广度与入射电子束直径相差不大
成像分辨率最高
背散射电子＞10nm
充分扩散，广度要比入射电子束直径大
成像分辨率低
X射线 1μm
广度范围较大
SEM
特点
分辨率高；放大倍数变化范围大；景深大、富有立体感；制样简单；形貌、微区成分、结构等综合分析；动态观察等
工作原理
基本过程：电子枪→发出电子→加速→透镜聚焦→扫描线圈光栅状扫描→信号探测器接收和处理→调制成像
成像原理
不用电磁透镜放大成像，而是以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物型信号来调制成像的
不同于TEM的放大成像；逐点逐行扫描成像（光栅扫描，逐点成像）
两种成像模式
二次电子像
能量小，采用闪烁体-光导-光电倍增管接收、传递、放大
主要用于表面形貌的观察
分辨率高
景深大、立体感强
无明显阴影效应
试样中溢出的电子能量较小
背散射电子像
能量高，运动轨迹呈直线，通过施加负偏压使二次电子信息被排斥
既能观察形貌又能反映成分变化
分辨率低
电子束能量较高
同步扫描
扫描电子束和显像管内的成像电子束受控于同一扫描控制电路，利用磁透镜原理使两者在时间和空间上做到一一对应，从而实现同步扫描与成像过程
不同于TEM： ①细聚焦电子束在样品表面扫描；TEM静态； ②加速电压远低于TEM，200V~50kV； ③制样简单
衬度
像的衬度：像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化
SEM衬度
扫描电镜图片上不同像点间的明暗对比程度称为衬度
形貌衬度
原子序数衬度
二次电子像的衬度
样品表面形貌差别（表面微区相对于入射电子束的倾角不同）而形成的衬度
（1）分辨率高 （2）景深大，立体感强 （3）主要反应形貌衬度
通常SEM所指的分辨率，就是指二次电子像的分辨率
分辨率高、景深大的原因：①二次电子能量小，轨迹可弯曲，检测器的有效收集立体角增大，信号强度提高；②同一像素点二次电子取样区远小于背散射电子，在相同大小微观区域可以分割排列更多像素，分辨率高。
成分衬度
影响较小
电压衬度
某些样品表面可能处于不同的电位，这些局部电位将影响二次电子的轨迹和强度，造成样品正偏压处的二次电子不易逸出，图像较暗；负偏压处的电子易被推出，图像较亮
磁衬度（第一类）
由于一定规律的二次电子可能会受到样品表面外延磁场的偏转而形成某种衬度，表现为条纹形
背散射电子像的衬度
由于样品表面物质原子序数（或化学成分）差别而形成的的衬度
重元素区域在图像上是亮区，而轻元素在图像上是暗区
粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖
作用体积大、无法收集背反射电子，分辨率低，细节被掩盖
磁衬度（第二类）
背散射电子显示的磁衬度
（1）分辩率低 （2）背散射电子检测效率低，衬度小 （3）主要反应原子序数衬度
当观察原子序数衬度时，需将样品磨平、抛光。
二次电子和背散射电子成像时形貌和原子序数衬度均存在，均对图像衬度有贡献，贡献程度大小不同： 二次电子成像时主要取决于形貌衬度，成分衬度微乎其微； 背散射电子成像时两者均可有重要贡献，并可分别形成形貌像和成分像。
结构
电子 光学 系统
构成：电子枪、聚光镜、物镜、光栏、消像散器和样品室等
作用：产生符合成像要求的扫描电子束并控制其在样品表面进行扫描
电子枪
产生发射电子，经加速后获得高能电子束
性能决定了SEM的质量
要求强度高、直径小
类型
热游离式
利用高温使电子具有足够的能量克服电子枪材料的功函数能障而逃离
温度和功函数是影响发射电流密度的主要因素
一般采用低功函数的材料
直热式
发夹式或针式形状，直接电阻加热发射电子
钨灯丝(W)
能量散布2eV，功函数4.5eV，温度2700K，电流密度1.75A/cm2；寿命40~80h
旁热式
旁热式加热阴极发射电子
六硼化镧(LaB6)
相比W丝，相同电流密度，能量散布1eV，功函数2.4eV，温度1500K；寿命≈500h；要求高真空，费用高
场发射 (FE)
亮度比LaB6高近10倍，电子能量散布仅0.2~0.3eV，分辨率可达＜1nm；
利用强电场在固体表面形成隧道效应将内部电子激发到真空中，获得大功率高密度电子流
高强度阴极材料(W)，极细的针尖，表面必须干净无污染；超高真空，用于高分辨SEM，价格昂贵
冷场
直径小、亮度高、分辨率高、室温；场发射电流低，发射电流不稳定；高真空度，寿命＞2000h
热场
1800K，避免气体在针尖表面吸附，发射电流稳定，真空度较低，亮度与冷场类似，能量散布比冷场大3~5倍，分辨率低，不常使用，寿命1000~2000h
电磁 透镜
聚焦电子束斑
将直径约50μm缩至5nm或更小的斑点，且连续可变
需要几个透镜协同
双透镜系统
双级励磁的三级透镜系统
三级励磁的三级透镜系统（常用）
三级 透镜
前两个为强透镜
使电子束强烈聚集缩小，又称聚光镜
电子束斑直径越细，成像分辨率越高
每级聚光镜都装有光阑
降低电子束的发散程度
末级透镜为弱透镜
汇聚电子束，并将其聚焦于样品表面，又称物镜
焦距较长，保证样品台和透镜间有足够空间；方便安装样品及探测器
像差直接影响成像分辨率
八极式电磁消像散器消除由透镜污染等所产生的像散
扫描线圈
由两个偏转线圈组成，在扫描发生器控制下实现电子束在样品表面做光栅扫描
改变入射束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描
同一扫描发生器控制电子束在样品表面扫描和显像管的扫描
组成
扫描信号发生器；扫描放大控制器；扫描偏转线圈
样品台
可放置体积较大的块状样品；可沿着三维方向移动或旋转；可安装各类附件研究材料动力学行为；可安装各类检测元件实现综合性研究；与外界接线的接线座研究衬度效应等
信号探测处理、成像显示和记录系统
电子检测器（常用）、荧光检测器和X射线检测器三类
电子检测器：闪烁体、光导管、电子倍增管组成
模拟图像；数字图像（现代）
电源及真空系统
高真空保证电子光学系统正常工作
真空度下降
灯丝寿命缩短
极间放点，产生虚假二次电子效应
光阑和样品表面污染加速
严重影响成像质量
真空系统
油扩散泵
10^-5~10^-3Pa
样品和电子光学系统内壁易污染
涡轮分子泵
10^-4Pa以上
噪音和振动大，应用受限
离子泵
10^-7~10^-8Pa高真空
稳压、稳流及相应的安全保护电路等元件组成
性能
分辨率
能分辨的两点或两线间的最小间距
对样品：指能进行分析的最小区域尺度
对图像：指相邻像点能分辨的最小距离
形貌结构类分析仪器最重要的性能指标
仪器整体设计 （束斑大小）
光学系统的设计、高压和透镜电源稳定性、透镜极靴材料的磁性能、材料均匀性、加工精度、无磁化处理等
检测信号种类
二次电子和俄歇电子分辨率高
特征X射线分辨率最低
原子序数
差异可用电子束与样品作用的滴状作用体积解释
轻元素
滴状或梨形
二次电子和俄歇电子逸出于样品浅表层，来不及横向扩散，束斑小
背散射电子能量较高，可以从样品较深部位逸出，横向扩散明显
X射线作用体积显著增大，分辨率最低
SEM的分辨率通常指二次电子像的分辨率
重元素
半球形
电子束进入表面立即横向扩散
二次电子和背散射电子的分辨率之差明显变小
即使束斑很细也很难达到较高分辨率
测定方法
在已知的放大倍数（一般在10万倍）的条件下，把在图像上测到的最小间距除以放大倍数所得数值
放大倍数
Ac：荧光屏上同步扫描的幅度 As：电子束在样品表面扫描的幅度
荧光屏尺寸不变，电子束在样品上的扫描幅度决定放大倍数
景深
指对高低不平样品不同部位同时聚焦成清晰图像的能力范围
β为电子束孔径角，取决于末级磁透镜的光阑直径与工作距离
比光学显微镜大100~500倍，比TEM大10倍
立体感强，形态逼真
SEM的不足
对样品及制样要求极高
必须干净、干燥、不能挥发
仪器真空度下降；污染镜筒、样品室，降低成像性能，损坏探头或电子枪
必须有导电性
电荷累积所形成的电场会使作为成像信号的二次电子发射情况改变，甚至改变电子束方向使图像失真
样品表面做导电涂层或进行低压电荷平衡等措施消除样品表面沉积电荷
样品处理繁琐、复杂
涂层可能影响样品表面形貌、形貌失真等
实验技术
试样要求
块状或粉末状固体，大小要适合样品桩的尺寸
不含水分、不含挥发性成分
烘干易收缩变形的样品可使用临界点干燥设备干燥
表面干净无污染
受污染时可适当清洗并烘干，但不能破坏表面组织结构
新鲜的断口或断面
需要进行适当的侵蚀，使某些结构细节暴露出来
处理后应清洗干净并烘干
磁性样品要去磁
制备
块状导电样
直接通过导电胶将其固定于样品台表面测定
块状非导电样
表面镀膜
避免电荷积累；防止热损伤
粉末样品
无论导电与否均需镀膜处理
涂层样品
类似块状样品
断口
保持断口干净；必要时超声清洗或化学清洗
样品镀膜方法：真空镀膜或离子溅射镀膜法（常用）
优质图像的获得
加速电压
电压大，易聚焦的更细，有利于提高分辨率和信噪比
样品导电性好且不易受电子束损伤
较高加速电压→样品穿透深→材料衬度减小→分辨率提高
电压过高，穿透能力增大，散射电子增多，甚至二次电子被散射出现虚影，分辨率下降
导电性差样
样品易产生充放电效应，使束斑扩大而降低分辨率
表面负电场对入射电子产生排斥作用，改变电子入射角，使图像不稳定而产生位移错动→无法观察样品表面细节
选用低加速电压减小充、放电现象，提高分辨率
透镜电流
束斑尺寸随电流增加而减小，有利于提高分辨率，但不利于改善信噪比
先取中等水平电流
观察倍数不高，质量主要取决于信噪比时→取较小电流
观察倍数高，质量主要取决于分辨率→逐步增大电流
像散修正
消像散器（八面的电磁体）
原理为洛伦兹力的作用，产生一个相反的磁场抵消像散的偏离度
束斑直径和工作距离
需要小的束斑直径和小的工作距离
应用
表面形貌分析；断口分析；；磨损失效分析；磨损颗粒分析；涂层分析等
发展
场发射电子枪
显著提高分辨率
30kV分辨率0.6nm或1kV分辨率2.2nm
低能SEM
加速电压＜5kV
显著减小荷电效应；减轻试样损伤；减轻边缘效应；有利于二次电子发射，提高图像真实性，拓展应用领域
低真空SEM
3kPa左右
不产生荷电效应；可观察含液体样品，避免干燥和高真空损伤；直接观察绝缘体和多孔物质；可观察易挥发、分解放气样；连续观察一些物理化学反应过程；观察高温相变过程
TEM
以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。成像原理与光学显微镜类似。能获得材料化学成份、晶体结构、显微组织的全部信息及其相互间的空间对应关系。
