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扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用

班级:１2级材料物理姓名：王小辉学号:20１272040120

摘要：介绍了目前常被用于固体结构观测及其表征的主要仪器扫描电子显微镜（SEM)

的简单概况和基本原理以及其在材料科学中的应用。

关键词：扫描电子显微镜原理材料科学应用

引言

无论是X射线衍射确定晶体的三维结构还是低能电子衍射确定晶体表面的二维结构，都

是以原子的周期性排列为前提的。但是近年来学术界对于不具有周期性的局域性原子位置的

结构表现出越来越浓厚的兴趣，而且这种局域性结构的线度又往往很小,常在微米以下甚至

纳米级。显然，传统的衍射手段对此无能为力，而且光学显微镜由于分辨本领的限制也无法

分辨尺度在100纳米数量级的局域性结构细节。至目前为止已发展出各种基于电子的发射和

传播的显微方法。本文主要介绍了扫描电子显微镜和扫描隧穿显微镜的工作原理以及对固体

材料形貌和结构观察方面的应用。

1.SEM简介

扫描电子显微镜（ScａｎnｉngEｌectronMicrosｃｏpe,SEM)是介于透射电镜和光学

显微镜之间的一种微观性貌观察手段,可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。

扫描电镜的优点是,①有较高的放大倍数，２0-20万倍之间连续可调;②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凹凸不平表面的细微结构；③试样制备简单。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,因此它是当今十分有用的科学研究仪器。扫描电镜如下图1。

图1扫描电子显微镜

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2．原理

扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得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，获得试样表面性貌的观察。ＳEM是

一个复杂的系统,浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术.

扫描电镜是在加速高压作用下将电子枪发射的电子经过多级电磁透镜汇集成细小的电子束.

在试样表面进行扫描,激发出各种信息,通过对这些信息的接收、放大和显示成像,以便对试

样表面进行分析.入射电子与试样相互作用产生如图1所示的信息种类。

图2电子束探针照射试样产生的各种信息

这些信息的二维强度分布随试样表面的特征而变（这些特征有表面形貌、成分、晶体取

向、电磁特性等),是将各种探测器收集到的信息按顺序、成比率地转换成视频信号，再传送

到同步扫描的显像管并调制其亮度,就可以得到一个反应试样表面状况的扫描图.如果将探

测器接收到的信号进行数字化处理即转变成数字信号,就可以由计算机做进一步的处理和存

储.各信息如下表1。

收集信号类型功能

二次电子形貌观察

背散射电子成分分析

特征X射线成分分析

俄歇电子成分分析

表1扫描电镜中主要信号及其功能

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扫描电镜可做如下观察:

(1)试样表面的凹凸和形状;

(2）试样表面的组成分布;

(3)可测量试样晶体的晶向及晶格常数;

(4)发光性样品的结构缺陷,杂质的检测及生物抗体的研究;

(５)电位分布;

（６)观察半导体器件结构部分的动作状态；

(7)强磁性体的磁区观察等．

传统扫描电镜的主要结构如图３所示

图3扫描电子显微镜原理和结构示意图

3.扫描电镜在