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JIANGSUUNIVERSITY

冶金工程专业硕士研究生结课论文

论文题目：扫描电镜SEM分析技术综述

课程名称：ModernMaterialAnalyticTechnology

专业班级：2015级硕士研究生

学生姓名

学号：2211505072

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学院名称：材料科学与工程学院

学期：2015-2016第一学期

完成时间：2015年11月30日

扫描电镜SEM分析技术综述

摘要

扫描电子显微镜（如下图所示），简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(Scanning

ElectronMicroscope)。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品

相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分

析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微

结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。

本文主要对扫描电镜SEM进行简单介绍，分别从扫描电镜发展的历史沿革；

工作原理；设备构造及功能；在冶金及金属材料分析中的应用情况；未来发展方

向等几个方面来对扫描电镜分析技术进行综述。

关键词:扫描电子显微镜二次电子背散射电子EDS成分分析

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扫描电子显微镜

目录

一扫描电镜...................................................................................................................................4

1.1近代扫描电镜的发展...............................................................................................4

1.1.1场发射扫描电镜.............................................................................................4

1.1.2分析型扫描电镜及其附件............................................................................5

1.2现代扫描电镜的发展...............................................................................................6

1.2.1低电压扫描电镜.............................................................................................6

1.2.2低真空扫描电镜............................................................................................6

1.2.3环境扫描电镜ESEM......................................................................................7

1.3扫描电镜工作原理设备构造及其功能..................................................................7

1.3.1扫描电镜工作原理.........................................................................................8

1.3.2扫描电镜的主要结构及功能........................................................................9

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1.4扫描电镜性能.........................................................................................................11

1.5扫描电镜在冶金及金属材料分析中的应用..........................................................12

二结论...........................................................................................................................................14

三参考文献...................................................................................................................................14

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一扫描电镜SEM

1.1近代扫描电镜的发展

扫描电镜的设计思想早在1935年便已提出，1942年在实验室制成第一台扫

描电镜，但因受各种技术条件的限制，进展一直很慢。1965年，在各项基础技

术有了很大进展的前提下才在英国诞生了第一台实用化的商品仪器。此后，荷兰、

美国、西德也相继研制出各种型号的扫描电镜，日本二战后在美国的支持下生产

出扫描电镜，中国则在20世纪70年代生产出自己的扫描电镜。前期近20年，

扫描电镜主要是在提高分辨率方面取得了较大进展，80年代末期，各厂家的扫

描电镜的二次电子像分辨率均已达到4.5nm。在提高分辨率方面各厂家主要采取

了如下措施:

(1)降低透镜球像差系数，以获得小束斑；

(2)增强照明源，即提高电子枪亮度(如采用LaB6或场发射电子枪)；

(3)提高真空度和检测系统的接收效率；

(4)尽可能减小外界振动干扰。

目前，采用钨灯丝电子枪扫描电镜的分辨率最高可以达到3.5nm，采用场发

射电子枪扫描电镜的分辨率可达1nm。到20世纪90年代中期，各厂家又相继采

用计算机技术，实现了计算机控制和信息处理。

1.1.1场发射扫描电镜

采用场致发射电子枪代替普通钨灯丝电子枪，这项技术从1968年就已开始

应用，由于该电子枪的亮度(即发射电子的能力)大为提高，因而可得到很高的

二次电子像分辨率。采用场发射电子枪需要很高的真空度，在高真空度下由于电

子束的散射更小，其分辨率进一步得到提高。近几年来，各厂家采用多级真空系

统(机械泵+分子泵+离子泵)，真空度可达10-7Pa。同时，采用磁悬浮技术，

噪音振动大为降低，灯丝寿命也有增加。束流稳定度在12h内<0.8%。场致发射

扫描电镜的特点是二次电子像分辨率高，如果采用低加速电压技术，在TV状态

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下背散射电子(BSE)成像良好，对于未喷涂非导电样品也可得到高倍像。可以预

期，场发射扫描电镜将对半导体器件、精密陶瓷材料、氧化物材料等的发展起到

很大的作用。

1.1.2分析型扫描电镜及其附件

所谓分析型扫描电镜即是指将扫描电镜配备多种附加仪器，以便对被测试样

进行多种信息的分析，能谱仪，EBSD附件就是其中两种。

a能谱仪附件

能谱仪(即X射线能量色散谱仪，简称EDS)通常是指X射线能谱仪。自能谱仪在20

世纪70年代末和80年代初期普遍推广以来，首先是在扫描电镜和电子探针分析仪

器上得到应用，其优点是可以分析微小区域(几个微米)的成分，并且可以不用

标样。能谱仪收集谱线时一次即可得到可测的全部元素，因而分析速度快，另外，

在扫描电镜所观察的微观领域中，一般并不要求所测成分具有很高的精确度，所

以，扫描电镜配备能谱仪得到了广大用户的认可，并且其无标样分析的精确度能

胜任常规研究工作。目前，最先进的采用超导材料生产的能谱仪，分辨率达到了

5-15eV，已超过了25eV分辨率的波谱仪，这是目前能谱仪发展的最高水平。

能谱仪主要是用来分析材料表面微区的成分，分析方式有定点定性分析、定

点定量分析、元素的线分布、元素的面分布。例如夹杂物的成分分析、两个相中

元素的扩散深度、多相颗粒元素的分布情况。其特点是分析速度快，作为扫描电

镜的辅助工具可在不影响图像分辨率的前提下进行成分分析。分析元素范围为

B5-U92。可测质量分数0.01%以上的重元素，对0.5%以上的元素有比较准确的结

果，主元素的测量相对误差在5%左右。像B、C、N、O这些超轻元素则跟波谱仪

一样，检测灵敏度较低，难以得到好的定量结果。目前采用超薄窗口甚至是无窗

口的探测器，对B、C、N、O检测的灵敏度有较大的提高。

bEBSD附件

早在20世纪70年代中期，有些材料工作者在扫描电镜上发现了背散射电子的

衍射现象，由于这些衍射花样与所测单晶体的晶体结构有关，便将其用作材料的

结构研究。直到90年代中期，有些厂家针对背散射电子衍射作用制作了专门的探

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测器并引进计算机技术，形成了背散射电子衍射分析技术，这就是我们通常说的

EBSD(电子背散射衍射)。EBSD主要可做单晶体的物相分析，同时提供花样质量、

置信度指数、彩色晶粒图，可做单晶体的空间位向测定、两颗单晶体之间夹角的

测定、可做特选取向图、共格晶界图、特殊晶界图，同时提供不同晶界类型的绝

对数量和相对比例，即多晶粒夹角的统计分析、晶粒取向的统计分析以及它们的

彩色图和直方统计图，还可做晶粒尺寸分布图，将多颗单晶的空间取向投影到极

图或反极图上可做二维织构分析，也可做三维织构即ODF分析。

EBSD会因测试条件而受到各种限制。只有在所测单晶体完整并且没有应力的

情况下才会产生背散射衍射花样，试样必须平整并且始终要保持与入射电子70°

的空间位向关系，这样才能保证衍射锥面向接收的探测器，否则，探测器接收不

到衍射的信号。也就是说当试样存在应力时不宜做EBSD分析，试样粗糙不平时也

不能做EBSD分析。另外，背散射电子的信息来自于试样表层几个纳米的深度、几

个微米的宽度，因而，EBSD只能做几个微米以上大小晶粒的分析。诸如析出相及

晶界相之类的分析，采用EBSD则难以收集到衍射花样。也就是EBSD面向微米级的

晶粒，主要是用做微米级的机理研究。而X射线衍射仪主要是针对大块试样和粉

末压块试样，并且对有应力的试样仍可进行物相分析和织构分析，可测定应力的

大小，这是EBSD力所不及的。

1.2现代扫描电镜的发展

近代扫描电镜的发展主要是在二次电子像分辨率上取得了较大的进展。但对

不导电或导电性能不太好的样品还需喷金后才能达到理想的图像分辨率。随着材

料科学的发展特别是半导体工业的需求，要尽量保持试样的原始表面，在不做任

何处理的条件下进行分析。早在20世纪80年代中期，便有厂家根据新材料(主要

是半导体材料)发展的需要，提出了导电性不好的材料不经过任何处理也能够进

行观察分析的设想，到90年代初期，这一设想就已有了实验雏形，90年代末期，

已变成比较成熟的技术。其工作方式便是现在已为大家所接受的低真空和低电

压，最近几年又出现了模拟环境工作方式的扫描电镜，这就是现代扫描电镜领域

出现的新名词“环扫”，即环境扫描电镜。

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1.2.1低电压扫描电镜

在扫描电镜中，低电压是指电子束流加速电压在1kV左右。此时，对未经导

电处理的非导体试样其充电效应可以减小，电子对试样的辐照损伤小，且二次电

子的信息产额高，成像信息对表面状态更加敏感，边缘效应更加显著，能够适应

半导体和非导体分析工作的需要。但随着加速电压的降低，物镜的球像差效应增

加，使得图像的分辨率不能达到很高，这就是低电压工作模式的局限性。

1.2.2低真空扫描电镜

低真空为是为了解决不导电试样分析的另一种工作模式。其关键技术是采用

了一级压差光栏，实现了两级真空。发射电子束的电子室和使电子束聚焦的镜筒

必须置于清洁的高真空状态，一般用1个机械泵和扩散泵来满足之。而样品室不

一定要太高的真空，可用另一个机械泵来实现样品室的低真空状态。当聚焦的电

子束进入低真空样品室后，与残余的空气分子碰撞并将其电离，这些离化带有正

电的气体分子在一个附加电场的作用下向充电的样品表面运动，与样品表面充电

的电子中和，这样就消除了非导体表面的充电现象，从而实现了对非导体样品自

然状态的直接观察，在半导体、冶金、化工、矿产、陶瓷、生物等材料的分析工

作方面有着比较突出的作用。

1.2.3环境扫描电镜ESEM

上述低真空扫描电镜样品室最高低真空压力为400Pa，现在有厂家使用专

利技术，可使样品室的低真空压力达到2600Pa，也就是样品室可容纳分子更多，

在这种状态下，可配置水瓶向样品室输送水蒸气或输送混合气体，若跟高温或低

温样品台联合使用则可模拟样品的周围环境，结合扫描电镜观察，可得到环境条

件下试样的变化情况。环扫实现较高的低真空，其核心技术就是采用两级压差光

栅和气体二次电子探测器，还有一些其它相关技术也相继得到完善。它是使用1

个分子泵和2个机械泵，2个压差(压力限制)光栅将主体分成3个抽气区，镜筒处

于高真空，样品周围为环境状态，样品室和镜筒之间存在一个缓冲过渡状态。使

用时，高真空、低真空和环境3个模式可根据情况任意选择，并且在3种情况下

都配有二次电子探测器，都能达到3.5nm的二次电子图像分辨率。

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ESEM的特点是:

(1)非导电材料不需喷镀导电膜，可直接观察，分析简便迅速，不破坏原始

形貌；

(2)可保证样品在100%湿度下观察，即可进行含油含水样品的观察，能够

观察液体在样品表面的蒸发和凝结以及化学腐蚀行为；

(3)可进行样品热模拟及力学模拟的动态变化实验研究，也可以研究微注入

液体与样品的相互作用等。因为这些过程中有大量气体释放，只能在环扫状态下

进行观察。

1.3扫描电镜的工作原理、设备构造及其功能

扫描电镜(ScanningElectronMicroscope，简写为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。

以下为几种扫描电镜:

图2.1PhilipsXL系列扫描电镜图2.2日本电子(JEOL)普通扫描电镜

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图2.3日本电子(JEOL)冷场发射扫描电镜

1.3.1扫描电镜工作原理

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(直径一般为1-5nm)的电子束(相应束流为10-11--10-12A)。在末级

透镜上方扫描线圈的作用下，使电子束在试样表面做光栅扫描(行扫+帧扫)。

入射电子与试样相互作用会产生二次电子、背散射电子、X射线等各种信息[1]。

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、电磁特性等等)，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像[2]。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，就可由计算机做进一步的处理和存储。扫描电镜主要是针对具有高低

差较大、粗糙不平的厚块试样进行观察，因而在设计上突出了景深效果，一般用

来分析断口以及未经人工处理的自然表面[3]。扫描电镜的主要特征如下:

(1)能够直接观察大尺寸试样的原始表面；

(2)试样在样品室中的自由度非常大；

(3)观察的视场大

(4)图像景深大，立体感强；

(5)对厚块试样可得到高分辨率图像；

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(6)辐照对试样表面的污染小；

(7)能够进行动态观察(如动态拉伸、压缩、弯曲、升降温等)；

1.3.2扫描电镜的主要结构及其功能

传统扫描电镜主体结构和组成部分如图2.4[4]2.5所示。

扫描电镜主要由电子光学系统，信号收集处理系统，图像显示和记录系统，真空系统，

电源级控制系统几个部分组成。

图2.4传统扫描电镜的主体结构图2.5JSM-6301F场发射扫电镜的结构

(1)电子光学系统

电子光学系统包括电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件。作用是获

得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分

辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

a.电子枪

利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采

用热阴极电子枪。优点：灯丝价格便宜，真空要求不高；缺点：发射效率低，发

射源直径大，分辨率低。

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现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，二次电子像

的分辨率可达到2nm。

扫描电镜的分辨率与电子在试样上的最小扫描范围有关。通常电压为1-30

kV。

b.电磁透镜

作用：是把电子枪的束斑逐渐缩小，从原来直径约为50μm的束斑缩小成一

个只有数nm的细小束斑。

工作原理：一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑

尺寸。

第三个聚光镜是弱透镜（习惯上称其为物镜），具有较长的焦距，它的功能

是在样品室和透镜之间留有尽可能大的空间，以便装入各种信号探测器。在该透

镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。

c.扫描线圈

作用：提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的

同步扫描信号。“光栅扫描”。

改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。SEM

的放大倍数是由调节扫描线圈的电流来改变的，电流小，电子束偏转小，在样品

上移动的距离小，放大倍数大。

d.样品室

样品台，容纳大的样品(100mm)，能进行三维空间的移动，还能倾斜(0°-90°)

和转动(360°），精度高，振动小。

各种信号检测器。信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系。多种

附件。例如加热、冷却、拉伸，可进行动态观察。

(2)信号收集和显示系统

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信号收集：二次电子和背散射电子收集器、吸收电子检测器、X射线检测器(波

谱仪和能谱仪)。

显示系统：显示屏有两个，一个用于观察，一个用于记录照相。阴极射线管

CRT扫描一帧图像可以有0.2s、0.5s等扫描速度，10cm×10cm的屏幕，一般有500

条线，用于人眼观察；照相的800-1000条线。观察时为便于调焦，采用快的扫描

速度；拍照时为得到高分辨率，采用慢的扫描速度(50-100s)。

样品信号闪烁计数器，电离，复合光信号光电倍增管，信号放大电流信号

视频放大器，放大调制信号显像管（CRT）

(3)真空系统和电源系统

真空系统，包括机械泵和扩散泵。作用：为保证电子光学系统正常工作，提

供高的真空度，防止样品污染，保持灯丝寿命，防止极间放电。

要求：10-4-10-5mmHg。

电源系统，包括启动的各种电源(高压、透镜系统、扫描线圈)，检测-放大

系统电源，光电倍增管电源，真空系统和成像系统电源灯。还有稳压，稳流及相

应的安全保护电路。

1.4扫描电镜的性能

(1)扫描电镜分辨率的高低与检测信号的种类有关

表2.1各种信号成像的分辨率(单位为nm)

可以看出：

二次电子和俄歇电子的分辨率高，

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在图像分析时，扫描电镜的分辨率，即指二次电子像的分辨率。

(2)影响扫描电镜的分辨率的三大因素

电子束的束斑大小、检测信号类型以及检测部位的原子序数。

扫描电镜的分辨率：是通过测定图像中两个颗粒(或区域)间的最小距离来确

定的。

测定的方法：是在已知放大倍数(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就是分辨率。如图2.6，2.7所示。

图2.6普通钨灯丝扫描电镜的分照片

25KV10万倍

JEOL日本电子

图2.7场发射扫描电镜的分辨率照片

15KV30万倍

JEOL日本电子

1.5扫描电镜在冶金及金属材料分析中的应用情况

扫描电镜结合上述各种附件，其应用范围很广[5-11]，包括断裂失效分析、产

品缺陷原因分析、镀层结构和厚度分析、涂料层次与厚度分析、材料表面磨损和

腐蚀分析、耐火材料的结构与蚀损分析等等，结合钢铁材料的研究粗略列举如下：

（1）机械零部件失效分析，可根据断口学原理判断断裂性质(如塑性断裂、

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脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、氢脆断裂等)，追溯断裂原因，调查断裂

是跟原材料质量有关还是跟后续加工或使用情况有关等等。

（2）钢铁产品质量和缺陷分析，如连铸坯裂纹、气泡、中心缩孔；板坯过

烧导致的晶界氧化制过程造成的机械划伤、折叠、氧化铁皮压入；过酸洗导致的

蚀坑；涂层剥落及其它缺等等。由于扫描电镜的分辨率和景深比电子探针的高，

因而，可从新鲜断口上获得更为全面的信息，如晶界碳化物、中心疏松等。

（3）利用高温样品台，可以观察材料在加热过程中组织转变的过程，研究

不同材料在热状态下转变的差异。在材料工艺性能研究方面，可以直接观察组织

形态的动态变化，弥补了以前只能通过间接观察方法的不足。例如，耐火材料和

铁氧体的烧结温度都在1000℃以上，实验中可以观察材料的原位变化，待冷却

后，结合能谱仪和EBSD，进而可以分析变化后的物相。

（4）利用拉伸样品台，可预先制造人工裂纹，研究在有预裂纹情况下材料

对裂纹大小的敏感性以及裂纹的扩展速度，有益于材料断裂韧性的研究。例如，

钢帘线因其在后续加工过程中要拉拔到0.2mm左右的直径，对夹杂物非常敏感，

因此，其炼钢过程对夹杂物的控制要求特别严格。采用本仪器，可预先制作一个

有夹杂物的钢帘线试样，在拉伸过程中观察夹杂物附近钢基的变化，直至开裂，

然后对照钢帘线实物断口，讨论夹杂物类型、形态、尺寸、分布对断裂的影响。

另外，还可研究线材形变跟夹杂物类型和尺寸的关系，也可研究夹杂物对其它材

料形变行为的影响。还可将试样经过不同介质的腐蚀，然后装入拉伸样品台做拉

伸实验，研究腐蚀条件对材料力学性能的影响。

（5）利用EBSD装置，对汽车板等小晶粒的织构产品，可在轧制并退火之后，

统计各种取向晶粒的比例，研究轧制和退后工艺对织构的影响。又如焊接试样的

熔合区为凝固状态的柱状晶，因其是定向生长，存在织构，可用EBSD得到各种取

向晶粒的分布情况，并可进行统计，这对焊接材料、焊接工艺以及焊接性能的研

究又扩展到了晶体学研究的层次。再如，管线钢在使用过程中可能出现选择性腐

蚀，采用形貌观察，结合能谱仪成分分析，可以了解优先腐蚀的因素(如夹杂物

类型、材料缺陷等)；用EBSD分析，可以了解晶粒取向和组织结构跟腐蚀之间的

关系。

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（6）在陶瓷的制备过程中，原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶

界和团聚程度等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这

些微观特征，是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法，样品无需制备，

只需直接放入样品室内即可放大观察；同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍

到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观

察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。

扫描电子显微镜拍出的图像真实、清晰，并富有立体感，在新型陶瓷材料的三维

显微组织形态的观察研究方面获得了广泛地应用。

由于扫描电子显微镜可用多种物理信号对样品进行综合分析，并具有可以

直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点，当陶瓷材料处于不同的

外部条件和化学环境时，扫描电子显微镜在其微观结构分析研究方面同样显示

出极大的优势。主要表现为:

a力学加载下的微观动态(裂纹扩展)研究；

b加热条件下的晶体合成、气化、聚合反应等研究；

c晶体生长机理、生长台阶、缺陷与位错的研究；

d成分的非均匀性、壳芯结构、包裹结构的研究；(5)晶粒相成分在化学环境

下差异性的研究等。

（7）纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分，现在可以用物理、化学

及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒”。纳米材料的应用非常广泛，比

如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，纳米陶瓷在一定的程度上也

可增加韧性、改善脆性等，新型陶瓷纳米材料如纳米称、纳米天平等亦是重要

的应用领域。

纳米材料的一切独特性主要源于它的纳米尺寸，因此必须首先确切地知道其

尺寸，否则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。纵观当今国内外的研究状

况和最新成果，目前该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫

描隧道显微镜、原子力显微镜等技术，但高分辨率的扫描电子显微镜在纳米级别

材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势被大量采用。另

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外如果将扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜结合起来，还可使普通的扫描电子显

微镜升级改造为超高分辨率的扫描电子显微镜。

二结论

新一代环境扫描电镜与能谱仪和EBSD配合，可在得到较好的试样形貌像的前

提下同时得到成分信息和晶体学的信息。最近几年实现了拉伸台与计算机的完美

结合，有比较完善的材料动态拉伸扫描电镜，研究才有可能开展得更为深入。环

境扫描电镜真空系统和探测器等相关技术的成熟,使得高温样品台的应用更安全

可靠。可以预期，高温样品台、动态拉伸台、能谱仪、EBSD和环境扫描电镜组合，

必将在钢铁材料工艺研究和品种开发等方面发挥更大的作用。

三参考文献

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