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扫描电镜原理权威发布_扫描电镜原理及应用(2024年12月精准访谈)

内容来源：麦吉窗影视所属栏目：观点更新日期：2024-12-02

扫描电镜原理

一文了解扫描电镜原理及其多领域应用

扫描电镜：揭秘材料微观世界的关键工具扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM），这个听起来有点高大上的名字，其实就是我们用来观察材料表面形貌和成分的“超级放大镜”。下面，我就来给大家科普一下关于SEM的那些事儿。工作原理 𐟚€ SEM的核心就是那束高能电子束，它通过电子枪发射，然后在样品表面逐点扫描。这个过程会激发出二次电子、背散射电子和X射线等信号，这些信号被相应的探测器收集并转换成图像。简单来说，就是电子束“扫”一下样品，样品就会“吐”出一些信息，这些信息再被转化成我们能看到的样子。分辨率和放大倍数 𐟔 SEM的分辨率可以达到纳米级别，这主要取决于电子束的直径、样品的导电性以及表面状态等因素。而它的放大倍数更是从几十倍到几十万倍不等，远高于传统的光学显微镜，简直是放大版的“千里眼”。样品制备 𐟧ꊤ𝿧”蓅M前，样品需要经过一系列的准备工作。首先，样品必须干燥无水，因为SEM需要在高真空环境下工作。其次，样品需要导电，否则电荷积累会影响成像。对于非导电样品，通常需要进行镀膜处理。信号类型 𐟓ናEM可以接收多种信号，比如二次电子（SE）、背散射电子（BSE）和X射线（XRF）。二次电子主要用于形貌分析，背散射电子则与原子序数有关，可以区分不同元素。而X射线则用于能量色散X射线光谱（EDS）分析，可以进行元素定性和定量分析。场发射SEM和环境扫描电镜 𐟌 场发射SEM（FE-SEM）采用场发射电子枪，相比传统的热发射电子枪，具有更高的亮度和更小的电子束直径，从而获得更高的分辨率。而环境扫描电镜（ESEM）则可以在相对较高的压力下工作，允许潮湿或非导电样品的直接观察。应用领域 𐟌 SEM的应用领域非常广泛，包括材料科学、生物学、医学、地质学和刑侦学等。它不仅可以用于研究样品的表面形貌，还能进行断裂分析和缺陷检测等。操作安全 𐟛᯸ 操作SEM需要遵守严格的安全规程，包括穿戴防护服、避免直视电子束以及遵守辐射安全规定等。毕竟，这可是在和电子打交道，安全第一。图像解释 𐟔 SEM图像的解释需要一定的专业知识，以区分不同的信号来源和理解图像中的对比度变化。毕竟，每一张图像背后都是无数次的实验和验证。样品尺寸和形状 𐟓 样品的尺寸和形状需要适合放入SEM的样品室，通常样品尺寸不宜过大，且形状应便于固定。毕竟，空间有限，细节决定成败。动态观察 𐟎劤𘀤𚛓EM设备具备动态观察能力，可以观察样品在不同条件下的变化，如加热、冷却、应力作用等。这就像是给样品拍了个“小电影”，生动又有趣。了解了这些小知识，你是不是对SEM有了更深入的了解呢？无论你是科研人员、工程师还是学生，掌握这些知识都能让你更好地利用SEM进行科学研究和材料分析。

冷冻扫描电镜：揭秘含水样品的微观世界 𐟌Š 冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）是一种革命性的技术，它允许科学家们观察含水样品在冻结状态下的微观结构。传统的扫描电镜要求样品干燥，但许多样品在干燥过程中会发生变化，导致无法观察其真实结构。冷冻扫描电镜技术的出现，解决了这一问题，它能够观察液态样品（如乳液、囊泡等）以及不耐电子束损伤的样品。 𐟔 冷冻扫描电镜的工作原理在冷冻扫描电镜观察前，液态样品需要经过低温冷冻固定、断裂和镀膜（喷金/喷碳）等制样处理。然后，通过冷冻传输系统将样品置于电镜内的冷台（温度可达-185℃）进行观察。快速冷冻技术使得水在低温下呈玻璃态，减少冰晶的产生，从而不影响样品本身的结构。整个系统从制样到观察都在低温下进行，尽可能保持样品在液相中的原位结构。 𐟓𘠥†𗥆𛦉릏电镜的应用实例微乳液微乳液样品分别经过高压冷冻和液氮泥冷冻固定，并经过冷冻断裂/喷涂后，传输到冷冻扫描电镜得到的形貌图显示，冷冻方法能够保持乳液中液滴的结构。液滴大小不一，从2到20不等。高压冷冻方法制得的样品，液滴呈椭球型，可能是由于液滴受高压挤压而变形。而液氮泥制样得到的样品液滴呈球型，保持了其本来的形貌。纳米片稳定的水包油体系用纳米片稳定的微乳液经液氮泥冷冻固定、并经过冷冻断裂/喷涂后，传输到冷冻扫描电镜得到的形貌图显示，纳米片包覆在油滴表面，并且沿一定的方向排列。这表明纳米片在水包油稳定体系中的存在状态，从而推断稳定机理。磷脂、二肽分子自组装体磷脂、二肽分子自组装体经液氮泥冷冻固定并经过冷冻断裂/喷涂后，传输到冷冻扫描电镜得到的形貌图显示，分子组装成棒状结构，棒的粗细在500nm左右，每根棒又是由多根纤维组成。水凝胶水凝胶分别经过冷冻干燥后常温扫描电镜观察到的形貌图和经液氮泥冷冻固定并经过冷冻断裂/喷涂后传输到冷冻扫描电镜得到的形貌图对比显示，冷冻干燥的水凝胶孔径较大且稀疏，可能是由于水分在真空中挥发后样品因为没有水分的填充导致孔塌陷。而未经过真空干燥的水凝胶在冷冻固定时有水分填充，不会导致样品塌陷，因此冷冻扫描电镜的方法保持了水凝胶本身的结构。冷冻扫描电镜技术的应用范围非常广泛，它不仅能够观察液态样品，还能揭示不耐电子束损伤的样品的微观结构。这项技术为科学家们提供了一个全新的观察世界的方法。

扫描电镜指南：必看关键点！扫描电镜（Scanning Electron Microscope, SEM）是一种超酷的仪器，它用细聚焦的高能电子束在样品表面逐点扫描，然后通过检测样品与电子束相互作用产生的信号来获取高分辨率的图像。以下是你在使用扫描电镜时必须知道的一些关键知识点：成像原理 𐟓𘊓EM的成像原理主要依赖于电子束与样品相互作用产生的各种信号，比如二次电子和背散射电子。二次电子对样品表面的形貌非常敏感，通常用来观察表面的细节；而背散射电子则用于元素衬度成像，可以进行定性的成分分析。分辨率 𐟔 SEM的分辨率受多种因素影响，包括电子束直径、样品的原子序数、杂散磁场和机械震动等。一般来说，二次电子和俄歇电子的分辨率较低，而特征X射线调制成显微图像的分辨率则更低。放大倍数 𐟔 SEM的放大倍数可以从几十倍到几十万倍，调节范围相当大。选择合适的放大倍数取决于你的研究目的和样品的特性。景深 𐟌 SEM具有比光学显微镜和透射电镜更大的景深，这使得它特别适合观察表面粗糙或凹凸不平的样品。样品制备 𐟧ꊦ 𗥓通常需要进行特殊处理，如镀金或碳，以增加导电性和减少电荷积累。对于不导电的样品，可能需要在表面蒸镀一层导电膜。操作注意事项 ⚠️ 操作SEM时需要注意以下几点：确保样品的稳定性。调节电子枪和聚焦参数。防止磁干扰，避免过载。定期维护和保养设备。安全操作，记录和存储数据。通过了解这些关键知识点，你就能更好地使用扫描电镜，获取更准确的实验结果啦！

扫描电镜常见问题解答：原理篇（一） 𐟔 什么是PE？ PE是Primary Electron的缩写，中文可以直接翻译为“入射电子”。简单来说，它指的是从灯丝发射出来的电子。背散射电子的本质也是“一次电子”，这些电子在入射到样品后，会向后反射回来。 𐟔 什么是放大倍数？放大倍数是指物体在显示器（或底片）上显示的尺寸与实际尺寸的比例。不同的电镜，即使是相同的放大倍数，显示的图像中标的尺寸也可能不一致。这是因为不同的电镜可能采用不同的放大倍数定义。但无论是在屏幕上还是底片上，测量出来的尺寸应该是一致的。 𐟔 扫描电镜SEM主要产生哪些电子？扫描电镜SEM在与样品相互作用时，会产生不同类型的电子、光子或辐射。用于成像的主要有两种电子：背散射电子（BSE）和二次电子（SE）。背散射电子来自入射电子束，这些电子与样品发生弹性碰撞，部分反弹回来。而二次电子则来自样品原子，它们是入射电子与样品发生非弹性碰撞时产生的。 𐟔 BSE和SE有什么区别？ BSE主要来自样品的较深层区域，而SE则主要来自样品的表层区域。因此，BSE和SE代表了不同的信息。BSE图像对原子序数差异非常敏感，材料的原子序数越大，在图像中就越亮。 𐟔 SEM是如何探测电子的？ BSE和SE分别由不同类型的探测器探测。散射电子探测器用于探测BSE信号，位于样品正上方，并环绕电子束分布，这样可以收集到最大量的BSE。而探测SE时，主要使用E-T探测器。它有一个内置于法拉第圆筒的闪烁体，圆筒带正电可以吸引SE。闪烁体用于加速电子，并将它们转换为光子。这些光子进入光电倍增管，并得到进一步放大。SE探测器以一定角度放置在电子腔室的侧面，这样可以提高SE的探测效率。这些SE可以用来生成样品的二次电子图像，并展示在电脑的显示器上。

TC4/Ag界面化合物鉴定全攻略 𐟔 探索TC4/Ag扩散焊接界面的奥秘，我们发现了一些令人兴奋的事情！在导师的指导下，我们仔细观察了图1️⃣中显示的TC4/Ag界面，注意到有中间层化合物生成。通过扫描电镜能谱分析，我们推测界面上Ti与Ag原子的比例为1:1，这暗示着可能生成了AgTi化合物。 𐟔젤𘺤𚆩ꌨ🙤𘪦Ž覵‹，我们进行了电子衍射和晶格条纹的测定。图2️⃣(b)展示了选区电子衍射分析的结果，我们测得OA=r1=4.229 (1/nm)，OB=r2=4.847 (1/nm)，OC=r3=8.177 (1/nm)。通过计算晶面间距d=1/r，并与PDF卡片的d值比较，我们找到了对应的晶面指数如图3️⃣所示。 𐟓 进一步分析表明，OA与OB夹角的实测值为56Ⱟ𜌥𝓁为(111)时，B取(200)，OA与OB的夹角计算值为55.06Ⱟ𜌤𘎥𕋥€𜥟𚦜짛𘧬楐ˆ。按照矢量叠加原理，我们得出C为(311)。根据晶带轴计算原则，我们用右手定则判断方向：OA转向OB，大拇指向内为负，向外为正，图中方向为负，晶带轴为：[uvw]=-(111)㗨200)=[01]。 𐟓Š 晶格条纹的测得晶面间距d=2.066ㅯ𜌤𘎁gTi (200)间距(d=2.054ㅩ相符。这些数据进一步支持了我们的推测，即TC4/Ag界面确实含有AgTi金属间化合物。 𐟔砩€š过这次研究，我们不仅学习了如何鉴定金属间化合物，还加深了对材料科学原理的理解。这是一次宝贵的学术经历，让我们对未来的研究充满期待！

金属材料热处理与检测全攻略课程目标：通过本课程，学员将全面了解金属材料的基本特性、强化方法、检验手段，并能够对常见的质量缺陷进行初步分析。根据学员的不同需求，课程内容可以进行适当调整。课程大纲：热处理简介金属材料的分类金属材料的强化方式热处理原理金属材料热处理的类型金属材料检测内容与方法常温拉伸和高温拉伸冲击试验（夏比冲击试验、落锤试验）硬度试验持久强度和蠕变试验疲劳试验金相检验（组织、晶粒度、夹杂物）扫描电镜、透射电镜、X射线衍射等化学成分试验金属材料硬度测试方法的选择布氏硬度洛氏硬度维氏硬度肖氏硬度里氏硬度金属材料热处理质量问题拉伸性能异常分析冲击异常质量分析硬度异常质量分析通过本课程的学习，学员将能够更好地理解和掌握金属材料热处理与检测的相关知识，提升实际操作能力。

电子显微镜为何需要真空系统？ 𐟔 电子显微镜的工作原理依赖于高能电子束的精确发射和聚焦。然而，空气中的分子会阻碍这一过程，导致电子束无法顺利到达样品并形成清晰图像。因此，真空系统对于电子显微镜至关重要。 𐟌쯸 真空系统通过两种类型的真空泵来确保镜筒中的高真空度。启动时，第一级旋转式真空泵（rotary pump）首先将空气抽出，为第二级油扩散泵（oil diffusion pump）提供预真空。第二级泵则负责达到更高的真空度，为电子显微镜提供稳定的工作环境。 𐟓𘠦‰릏电镜利用高能电子束扫描物体，以产生清晰的图像。如果空气中存在分子，高能电子束会与其碰撞，导致准直性受损，无法形成高质量的图像。因此，真空系统不仅防止空气分子对电子的散射，还避免了电子能量的损失。 𐟔砧œŸ空对电子显微镜的重要性体现在多个方面。首先，高真空环境有助于保持电子束的聚焦和准直，从而提高成像分辨率。其次，避免与空气分子碰撞后电子能量的损失也是真空系统的重要功能。 𐟓Š 电子显微镜对真空度的要求极高，通常需要达到1E-7mbar甚至1E-10mbar的高真空或超高真空。此外，真空泵的振动水平也会影响电子束的定位精度。为了保持高精度的成像，电子显微镜通常采用无油干式真空泵，以避免油蒸汽对样品或内部元件的污染。总之，真空系统是电子显微镜不可或缺的一部分，它为高能电子束提供了稳定的工作环境，从而保证了成像的质量和分辨率。

FIB-SEM：纳米世界的超级显微镜 𐟔 聚焦离子束电镜（FIB-SEM）是一种结合了离子束刻蚀和扫描电子显微镜技术的先进显微镜。它的工作原理是通过离子束对样品进行局部刻蚀，同时用扫描电子束对被刻蚀的表面进行成像，从而实现高分辨率的三维成像和纳米尺度加工。 FIB-SEM在多个领域都有广泛的应用，包括材料科学、纳米技术、生物医学和半导体制造等：纳米加工 𐟛 ️ FIB-SEM的离子束刻蚀功能可以实现对样品的纳米尺度加工，适用于制作纳米结构器件或进行局部修复。三维成像 𐟓𘊩€š过离子束切割和扫描电镜成像，FIB-SEM可以获取高分辨率的三维结构信息，用于材料的表征和分析。断层分析 𐟔 离子束可以精确切割样品，使得在断面上观察样品内部的结构和成分变得更加容易。纳米分析 𐟔슧𛓥ˆ扫描电子显微镜的成像功能，FIB-SEM可以对纳米尺度的结构和成分进行表征和分析。电子束刻蚀 ⚡ 除了离子束刻蚀外，FIB-SEM还可以利用电子束进行局部刻蚀，实现更精细的加工。 FIB-SEM的这些功能使其在材料科学、纳米技术、生物医学和半导体制造等领域成为一种强大的工具。

金相切片分析的步骤和方法 𐟔슩‡‘相切片分析是一种重要的材料科学研究方法，主要用于观察和评估材料的微观结构。以下是进行金相切片分析的步骤：观察切片后的样品 𐟔 首先，使用立体显微镜或金相测量显微镜观察切片后的样品。这可以帮助我们了解固态镀层、焊点或连接部位的结合情况，检查是否有开裂或微小缝隙（大于1微米）。此外，还可以观察截断面的组织结构、金属间化合物的形貌和尺寸，以及电子元器件的长宽高等结构参数。 SEM/EDS扫描电镜观察 𐟔슥ˆ‡片后的样品可以通过SEM/EDS扫描电镜进行观察和分析。这种方法可以提供更详细的形貌信息和成分分析，帮助我们更好地理解材料的微观结构。无损检测后的验证 𐟔犥œ覗损检测如X-ray和SAM发现疑似异常开裂或异物嵌入等情况后，可以使用切片的方法进行观察验证。这样可以更准确地确定问题所在。 FIB联用观察 𐟔슥ˆ‡片后的样品可以与FIB（聚焦离子束）联用，进行更细微的显微切口观察。这种方法可以帮助我们获得更精确的微观结构信息。基本原理 𐟓š 金属切片分析的基本原理是利用光学显微镜或电子显微镜观察材料的微观结构。首先，需要对材料进行切割、研磨和抛光等处理，制备出平滑无瑕的表面。接着，通过化学腐蚀或电解抛光等方式揭示材料内部的结构。最后，利用显微镜观察并记录材料的微观结构图像。通过这些步骤和方法，金相切片分析可以帮助我们深入了解材料的微观结构，为材料科学研究和工程应用提供重要参考。

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