扫描电镜工作原理

扫描电镜工作原理

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2023年3月20日发(作者：瓷砖市场)

实验扫描电子显微镜

一、扫描电镜的实验目的与意义

1、了解扫描电镜的近况和在实际中的应用；

2、掌握扫描电镜的基本结构与原理；

3、学习扫描电镜样品的准备与制备方法；

4、学习扫描电镜的基本操作方法并上机完成二次电子像观察记录全过程；

5、了解扫描电镜图片的分析与描述方法。

二、扫描电镜实验步骤

1、介绍扫描电镜基本状况与最新进展（场发射扫描电镜、环境扫描电镜的特点及应用）；

2、结合具体仪器介绍扫描电镜的构造与工作原理；

3、重点介绍扫描电镜样品的准备与制备方法，实验老师演示粉状样品和块状样品的制备方

法，并要求每位同学动手制备样品，掌握扫描电镜粉状样品和块状样品的制备方法；

4、学习扫描电镜的操作过程，掌握观察二次电子像的仪器操作过程，要求每位同学上机操

作，并拍摄2张二次电子像图片，要求图片清晰有代表性；

5、仔细观察和分析实验老师给出的200多张图片，并对某类或某几张图片进行分析或描述

（要求200字以上）。

三、扫描电镜基本状况及特点

1、扫描电镜近况及其进展

扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年已经被提出来了，直到1956年才

开始生产商品扫描电镜。商品扫描电镜的分辨率从第一台的25nm提高到现在的0.8nm，已

经接近于透射电镜的分辨率，现在大多数扫描电镜都能同X射线波谱仪、X射线能谱仪和

自动图像分析仪等组合，使得它是一种对表面微观世界能够进行全面分析的多功能的电子光

学仪器。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在材料学、冶金学、地矿学、生物学、医学以及

地质勘探，机械制造、生产工艺控制、产品质量控制等学科和领域中，促进了各有关学科的

发展。随着纳米材料的出现，原有的钨灯丝扫描电镜由于分辨率低，不能满足纳米材料分析

检测的要求，之后，电镜生产厂家推出了场发射扫描电子显微镜，使扫描电镜的分辨率提高

到了0.8nm。场发射扫描电子显微镜又分为冷场场发射扫描电子显微镜和热场场发射扫描电

子显微镜，它们的共性是分辨率高。热场发射扫描电镜的束流大且稳定，适合进行能谱分析，

但维护成本和要求高；冷场发射扫描电镜的束流小且不稳定，适合于做表面形貌观察，不适

合能谱分析，相对而言维护成本和要求要低一些。环境扫描电镜的特点是对于生物样品、

含水样品、含油样品，既不需要脱水，也不必进行导电处理，可在自然的状态下直接

观察二次电子图像并分析元素成分。

2、扫描电镜的特点

（1）能够直接观察样品表面的微观结构，样品制备过程简单，对样品的形状没有任

何限制，粗糙表面也可以直接观察；

（2）样品在样品室中可动的自由度非常大，可以作三度空间的平移和旋转，这对观

察不规则形状样品的各个区域细节带来了方便；

（3）图象富有立体感。扫描电镜的景深是光学显微镜的数百倍，是透射电镜的数十

倍，故所得到的图象立体感比较强；

（4）放大倍数范围大，从几倍到几十万倍连续可调。分辨率也比较高，介于光学显

微镜和透射电镜之间；

（5）电子束对样品的损伤与污染程度小。由于扫描电镜电子束束流小，且不是固定

一点照射样品表面，而是以光栅扫描方式照射样品，所以对样品的损伤与污染

程度比较小；

（6）在观察样品微观形貌的同时，还可以利用从样品发出的其它物理信号作相应的

分析，如微区成分分析。如果在样品室内安装加热、冷却、弯曲、拉伸等附件，

则可以观察相变、断裂等动态的变化过程。

四、扫描电镜的基本结构与原理

1、扫描电镜的基本结构

扫描电子显微镜由电子光学系统（包括电子枪、电子对中线圈、三级聚光镜、消像散

器和样品室等部件）、扫描系统（包括扫描发生器、扫描线圈和放大倍率选择器等部件）、信

号检测收集与显示系统（包括探测器、放大器和显象管等部件）、真空系统（包括机械泵和

油扩散泵）、电源系统和冷却系统六大部分组成。

图1扫描电镜的构造

电子枪

第一聚光镜

第二聚光镜

物镜

样品

探测器

前置放大器

真空系统

倍数放大器扫描发生器

显示器

2、扫描电镜的工作原理

扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。

从电子枪阴极发出电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜

的会聚作用形成一束很细的电子束，在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面逐行扫描，激

发出二次电子和背散射电子等各种物理信号，被二次电子检测器或背散射电子检测器接收处

理后在显象管上形成衬度图象。二次电子像和背散射电子像反映样品表面微观形貌和成分分

布特征。而利用特征X射线则可以分析样品微区元素组成，这需要配置X射线能谱仪。

扫描电子显微镜主要收集二次电子和背散射电子用于成像，二次电子能量较低，只在样

品表层产生，但其像分辨率高，所以用它来获得纯表面形貌图象；背散射电子能量比较高，

在样品中产生的深度可以达到300纳米，也可以用来显示样品表面形貌，但它对样品表面形

貌的变化不那么敏感，背散射电子产生的数量与元素的原子序数有关，通常用它来获得元素

或相的分布像，此时样品必须先抛光。

五、扫描电镜样品制备

制备合格的扫描电镜样品是能否获得扫描电镜观察预期最佳结果的先决条件，除环境扫

描电镜外，其它扫描电镜的样品必须是固体，且在真空条件下能够保持长时间稳定。对于含

水的样品必须进行干燥，表面被污染的样品要选择合适的溶剂进行清洗。有些样品必须用化

学试剂腐蚀后才能显露显微结构，如金属样品、玻璃样品等。导电性差或不导电的样品，在

电子束作用下会产生电荷聚集，阻挡入射电子束进入样品及样品内电子射出样品表面，造成

图象质量下降，这类样品固定到样品台上后，要在离子溅射仪或真空镀膜仪中喷镀一层厚约

10nm的导电层。

本实验要求学生动手制备粉末样品和块状样品，首先由实验老师详细介绍与学生所学专

业有关的样品的保存与处理方法，如：水泥水化样品到了龄期要终止水化，且以小块状样品

保存；微晶玻璃样品需要经过腐蚀处理后才能观察到微晶；陶瓷等脆性样品最好观察新断口；

复合材料一般可直接观察力学断口；金属样品可以根据具体要求选择观察断口或经过抛光腐

蚀后的表面；有机薄膜、橡胶等较软的样品通过液氮冷冻法可获得良好的断面。然后实验老

师准备制样工具和样品，演示和讲解粉末样品、块状样品的制备方法，之后发给每位同学一

个样品台进行制样，完成后由实验老师验收制备的样品是否合格并收回样品台。

1、常用的制样设备、工具与消耗材料

（1）常用的制样设备主要有镀膜用的离子溅射仪和真空镀膜仪；

（2）常用的制样工具有：剪刀、镊子、吸耳球、斜口钳、锤子等；

（3）常用的制样消耗材料有：导电双面胶、银导电胶、脱脂棉、酒精等。

2、样品的制备方法

（1）粉末样品的制备

粒径在0.01～1毫米的粉末样品，取少量样品均匀洒落在贴有双面胶带的样品台上，用

吸耳球吹去未粘牢的颗粒即可；粒径小于0.01毫米的粉末样品，由于颗粒微小，用双面胶

制样观察效果不佳，可采用悬浮法，用超声波分散后滴在割小的载玻片上，自然干燥即可。

（2）固体块状样品的制备

对于导电的固体样品只要取适合于样品台大小的试样块，注意不要损伤或污染所要观察

的新鲜断面，用导电胶固定在样品台上，可直接放入扫描电镜中观察；对于导电性差或不导

电的样品，采用同样的制样方法，制好的样品须喷镀一层导电层后再放入扫描电镜中观察。

（3）生物样品的制备

样品经取材和适当清洗后进行固定、脱水、临界点干燥或冷冻干燥，用双面胶带纸或导

电银胶固定在样品台上，喷镀导电层即可。

（4）纤维样品的制备

需要按观察要求将化纤、羊毛、棉纱等原丝或编织物横向（轴向）两端用胶带固定或纵

向观察（观察断口或内部），也可以将纤维插进专业的套管或利用医学中常用的包埋法将其

固定。

不导电样品表面需要蒸镀一层导电层，可有效地防止样品荷电，提高试样二次电子的发

射率，减少试样表面的热损伤，增加导电、导热性。用于蒸镀导电层的材料有金、铂、银、

铜、铝、碳等，观察二次电子象常选择金、铂作为蒸镀导电层的材料，这是因为金、铂易蒸

镀，膜厚易控制，二次电子发射率高，导电膜化学性能稳定。对于用背散射电子信号观察原

子序数衬度像的样品需要进行抛光，不导电的样品还须在其表面喷碳（因镀金层吸收背散射

电子过大，影响背散射电子信号观察）。

六、实验过程

1、扫描电镜的启动（开机）

（1）打开总电源，接通循环水；

（2）打开主机稳压电源开关，确认电压准确、稳定；

（3）打开主机，真空系统开始工作，打开计算机运行；

（4）约20分钟仪器自动抽高真空，真空度达到后，点击电子枪加高压，进入工作状态；

（5）通过计算机可以进行样品台的移动，改变放大倍数、聚焦、象散、对比度、亮度等调

整，直到获得满意的图像；

（6）对于满意的图像可以进行存盘或打印；

（7）若需进行X射线能谱分析，需要提前2小时加入液氮，并使探测器进入工作状态；

（8）打开能谱部分的计算机进行谱收集和相应的分析；

（9）需观察背散射电子像时，工作距离调整为15mm，然后插入背散射电子探测器，用完

后随时抽出。

2、更换样品

（1）关闭电子枪高压，调整样品台回到中心位置；

（2）打开放气阀，使空气进入样品室；

（3）打开样品室,从样品台架上取出样品台；

（4）更换样品后关上样品室门，使真空系统开始工作,重复开机1.4～1.6。

3、关机

（1）关闭电子枪高压，调整样品台回到中心位置；

（2）关闭扫描电镜操作界面,关闭计算机；

（3）关闭主机电源，扫描电镜停止工作；

（4）等待20分钟后关闭循环水；

（5）关闭总电源。

七、扫描电镜的分析过程

以实验室现有的扫描电镜为例，具体讲解扫描电镜的操作。本实验的实验设备是日本电子

JSM-5610LV扫描电子显微镜（仪器分辨率3.5nm；放大倍数范围18X～300,000X。）。

图2高岭土颗粒形貌图3陶瓷断口形貌

图4多孔陶瓷断口形貌图5水泥石断口形貌

图6氧化锌晶体形貌图7镀膜碳纤维表面形貌

图8土壤表面的苔藓形貌图9鹅绒的杈枝状纤维形貌

二次电子是扫描电镜最常用的物理信号，它对样品的表面特征反映最灵敏，分辨率高，

常用它来表征样品的微观形貌。扫描电子显微镜与其它近代测试技术相结合用来研究材料的

结构形态、相组成与材料的生产工艺、性能之间的关系，寻找改进材质的途径和研究预见性

的新材料。在普通陶瓷研究方面，发现作为普通陶瓷原料之一的高岭土，其扫描电子显微结

构主要有片状（图2）、管状和柱状三种形态。陶瓷材料在烧结过程中形成的显微结构，在

很大程度上由原料粉体的特性，如颗粒形状、颗粒度、团聚状态等决定的，这些特性可以借

助扫描电镜直观地进行观察与分析。陶瓷生产的工艺条件、显微结构与制品的性能三者具有

紧密的相互关系，研究陶瓷的显微结构，可以推断工艺条件的变化，一定的显微结构又反映

出陶瓷性能的优劣。图3是陶瓷的断口形貌，可以明显观察到陶瓷晶体的大小、形状、均匀

程度、断裂方式、孔结构等微观特征。图4是多孔陶瓷的断口形貌，可以观察到孔的大小、

形态，分布是否均匀等微观特征。图5是水泥水化样品的二次电子像，可以清楚地看到水泥

水化产物的微观形态，片状的为氢氧化钙，针棒状的为钙矾石，团絮状的为C-S-H凝胶。图

6和图7分别是氧化锌晶体和碳纤维表面镀层的二次电子象。图8是贫瘠潮湿土壤表面的苔

藓形貌；图9是加工处理后的鹅绒形貌，反映出鹅绒的长纤维杈枝状微观形貌特征。

八、习题

1.电子束入射固体样品表面会激发哪些信号?扫描电镜常用的信号有哪几个?样品表面形

貌像常用哪个信号？

2、说明背散射电子原子序数衬度形成原理．并说明在分析样品中的作用。

3.不导电样品的表面为什么要蒸镀一层导电层？蒸镀导电层常用的材料有哪些？观察样

品表面形貌像常蒸镀何种材料的导电层？