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扫描电子显微镜

一、实验目的

通过实验了解扫描电子显微镜的原理、操作及特点

二、实验原理

扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，

主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的去扫

描样品，通过与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电

子。

扫描电镜的优点是：有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调；有很大

的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样不平表面的细微结

构；试样简单。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

行显微组织性貌的观察和微区成分分析，因此它是十分有用的科学研究仪器。

当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次

电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在

可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动

（声子)、电子振荡（等离子体）。

背散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。利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌

特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。

二次电子是指背入射电子轰击出来的核外电子。二次电子来自表面5-10nm

的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的

微观形貌。二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一

般就是二次电子分辨率。二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决与表

面形貌。

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。X射线一般在试样的500nm-5mm深

处发出。

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。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇

电子信号适用与表层化学成分分析。

扫描电子显微镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系

统组成。本次试验利用二次电子进行样品表面形貌观察。

三、实验步骤

关闭真空离子泵，打开样品室，取出样品台放置样品（用导电胶将样品粘好），

放回样品室，关好密封；

开机抽真空，顺序为机械泵-分子泵-离子泵，一般需要半小时左右，真空度

达到10的负七次方帕斯卡以下；

打开SEM控制程序，点击“stage”显示样品台，选择需要显示的区域，依

次输入旋转R、倾斜T和高度Z的值。

在工作界面调节对比度、亮度、分辨率、放大倍数和聚焦、扫描速率等参数，

选择合适的区域，观察以上参数变化对成像结果的影响。

四、实验现象及分析

在实验中选取了不同的区域进行观察，在不同的参数设定下，扫描图像呈现

出不同的效果：

调节对比度可以分辨出两相邻微小区域的差别，而调节亮度实际上是在调节

电子枪的电流密度，调节分辨率和放大倍数以及聚焦都是在调整电磁透镜系

统的结构，扫描速率越慢，图像清晰度越高。

五、实验小结及问题讨论

通过这次试验我们学习了SEM的相关知识以及操作流程，掌握了利用SEM

简单观察物质表面微观形貌的方法。

问题讨论：SEM的电子枪系统

现有的SEM电子枪系统可大致分为两类，热（热阴极）三级电子枪和

场电子枪。普通热电子枪由阴极灯丝、栅极和阳极组成，阳极接地，工

作时利用灯丝电源对灯丝进行加热，由于温度一般可以达到2000K