常规扫描电子显微镜的特点和发展

电子行业扫描电子显微镜简介电子显微镜是一种使用电子束来观察和放大物质的显微镜。

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是其中一种常见的电子显微镜，广泛应用于电子行业。

本文将介绍扫描电子显微镜的基本原理、应用领域以及未来发展趋势。

扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜通过使用电子束来扫描样品表面，并测量产生的信号来生成高分辨率的图像。

相比于传统的光学显微镜，扫描电子显微镜具有更高的分辨率和深度。

扫描电子显微镜通常包括以下几个主要部分：1. 电子源电子源是扫描电子显微镜的关键组成部分，常见的电子源类型包括热阴极、冷阴极和场发射电子源。

热阴极电子源是最常用的一种，通过加热金属丝来产生热电子。

2. 电磁透镜系统电磁透镜系统用于聚焦电子束，使其能够准确地扫描样品表面。

透镜系统通常包括凸轨道透镜、圆锥轨道透镜和偏转电磁铁。

3. 样品台样品台是放置待观察样品的部分，通常可以在X、Y和Z方向上进行精确的移动和定位。

样品通常需要进行特殊的准备，例如金属涂层和真空处理，以确保良好的扫描效果。

4. 探测器探测器用于测量样品表面反射、散射或辐射出的信号。

常见的探测器类型包括二次电子检测器、反射电子检测器和能谱仪。

这些信号可以用来生成图像、测量样品表面形态或进行成分分析。

扫描电子显微镜的应用领域扫描电子显微镜广泛应用于电子行业的各个领域，主要包括以下几个方面：1. 功能材料表征扫描电子显微镜可以对各种功能材料进行表征，如半导体材料、涂层材料和光学材料。

通过观察和分析材料的微观结构和表面形貌，可以评估材料的性能和质量。

2. 元器件研究和分析扫描电子显微镜可以用于研究和分析各种电子元器件，如集成电路、电阻器和电容器。

通过观察元器件的微观结构和形貌，可以评估其品质、可靠性和制造工艺。

3. 纳米技术研究扫描电子显微镜在纳米技术研究中发挥着重要作用。

通过观察纳米材料的结构和形貌，可以研究和控制纳米尺度的特性和行为。

扫描电子显微镜扫描电子显微镜是一种强大的工具，它可以帮助科学家观察到物质的更小的细节和结构。

本文将介绍扫描电子显微镜的原理、应用、发展历程以及未来发展趋势。

原理扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）是一种利用扫描电子束与物体相互作用而获得形貌和微区组织信息的显微分析仪器。

扫描电子显微镜的工作原理是，将高能电子轰击样品表面，使其表面电子被激发，发射出大量的二次电子。

这些二次电子被探测器接收并转换成负电荷信号，在特定条件下被扫描成像。

应用扫描电子显微镜广泛应用于多个领域，包括材料科学、生命科学、化学和地质学等。

以下是该技术在这些领域中的应用：•材料科学：用于获取材料的形貌、结构以及表面性质等信息。

•生命科学：用于观察细胞、细胞器、细胞表面的超微结构和蛋白质等生物分子的形态和结构。

•化学：用于观察化学反应过程表面形貌、结构的变化以及材料结构的演化过程等。

•地质学：用于研究各种矿物、岩石和地层等，以了解地质演化过程。

发展历程1950年，发明了透射式电子显微镜，但它只能用于真空环境下的样品。

1956年，Helmut Ruska和Max Knoll发明了扫描电子显微镜。

该技术能够在空气中观察样品，并获得更高的象素分辨率。

1965年， Hitachi公司普及了第一台商用扫描电子显微镜S-800。

自此以后，扫描电子显微镜技术得到了快速的发展。

未来发展趋势随着技术的发展，扫描电子显微镜的应用场景不断扩大。

今后，该技术将越来越多地应用于纳米材料和微细加工领域。

同时，随着计算机技术的发展，扫描电子显微镜将会实现更高的自动化和智能化，成为更加强大的工具。

结论扫描电子显微镜是一款横跨多个领域应用的重要科学工具，其在材料科学、生命科学、化学和地质学等领域均有广泛的应用。

虽然该技术已经发展多年，但随着技术和计算机技术的不断进步，扫描电子显微镜将会越来越强大，为人们探索科学世界提供更加强大的支持。

常规扫描电子显微镜的特点和发展一、本文概述本文旨在全面探讨常规扫描电子显微镜（SEM）的特点及其发展历程。

扫描电子显微镜作为一种重要的分析技术，已在材料科学、生物学、地质学等众多领域发挥着不可或缺的作用。

本文将首先介绍扫描电子显微镜的基本原理和构造，然后详细阐述其独特的优点和应用范围，包括高分辨率成像、样品制备简单、多元素分析等。

随后，本文将回顾扫描电子显微镜的发展历程，从早期的技术瓶颈到现代的先进设备，以及其在科技进步中扮演的重要角色。

本文还将展望扫描电子显微镜的未来发展趋势，包括更高分辨率、更快速度和更广泛的应用领域。

通过本文的阐述，读者将能够深入了解扫描电子显微镜的特点和发展，以及其在科学研究和技术进步中的重要作用。

二、常规扫描电子显微镜的特点常规扫描电子显微镜（SEM）是一种广泛应用于材料科学、生物学、地质学等多个领域的重要分析工具。

其特点主要体现在以下几个方面：高分辨率：SEM能够提供高分辨率的图像，使得研究者能够观察到纳米级别的微观结构。

这使得SEM在材料表面形貌、微观结构以及微观组织分析方面具有很高的实用价值。

大景深：与光学显微镜相比，SEM具有更大的景深，可以在三维空间中获取样品的表面形貌信息。

这使得SEM在观察复杂的三维结构时具有显著的优势。

样品制备简单：相对于透射电子显微镜（TEM），SEM的样品制备过程较为简单，不需要进行薄片制备，从而降低了操作难度和成本。

多功能性：SEM可以配备多种探测器，如能量散射光谱仪（EDS）、波谱仪（WDS）等，以实现形貌、成分和晶体结构的同时分析。

这种多功能性使得SEM成为一种强大的综合分析工具。

动态范围宽：SEM不仅可以观察静态的样品形貌，还可以通过配备特殊附件，如加热台、拉伸台等，来研究材料在不同条件下的动态行为。

然而，尽管SEM具有以上诸多优点，但也存在一些局限性，如对于不导电或导电性差的样品需要进行特殊处理，以及在高能电子束作用下，某些材料可能会发生表面效应等。

扫描电子显微镜原理及发展综述近年来，随着科技的不断进步，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）在材料科学、生物学、医学等领域发挥着越来越重要的作用。

本文将对扫描电子显微镜的原理及其发展进行综述，探讨其在科学研究中的应用前景。

一、扫描电子显微镜的原理扫描电子显微镜是一种利用电子束来观察样品表面形貌和成份的显微镜。

其原理基于电子的波粒二象性，通过加速电子并聚焦形成电子束，然后通过扫描线圈控制电子束在样品表面上的挪移，利用样品表面与电子束之间的相互作用产生的信号来获取样品的形貌和成份信息。

二、扫描电子显微镜的发展历程扫描电子显微镜的发展可以追溯到20世纪50年代。

最早的扫描电子显微镜使用热阴极发射电子，但存在发射不稳定、寿命短等问题。

随着冷阴极发射电子技术的发展，扫描电子显微镜的性能得到了极大的提升。

此外，扫描电子显微镜的分辨率也随着电子光学系统的改进而不断提高，从最初的几十纳米到目前的亚纳米甚至更小。

三、扫描电子显微镜的应用1. 材料科学领域扫描电子显微镜可以对材料的微观结构进行观察和分析，对材料的组织、晶体结构、表面形貌等进行研究。

这对于材料的研发和改进具有重要意义，特别是在纳米材料和薄膜材料研究中更加突出。

2. 生物学领域扫描电子显微镜在生物学领域的应用也非常广泛。

它可以观察细胞、细胞器、细菌等微观生物结构，匡助研究者深入了解生物体的形态和功能。

此外，扫描电子显微镜还可以用于病毒研究、药物纳米载体的观察等领域。

3. 医学领域扫描电子显微镜在医学领域的应用主要集中在病理学和解剖学研究中。

通过对病理标本的观察，可以更加准确地判断病变类型和程度，为临床诊断提供重要依据。

此外，扫描电子显微镜还可以用于人体组织工程和人工器官的研究。

四、扫描电子显微镜的发展趋势随着科技的不断进步，扫描电子显微镜的发展也呈现出一些新的趋势。

首先，分辨率将进一步提高，有望达到亚埃级甚至更小。

电子显微技术的发展趋势及应用特点嘲屿麓电子显微技术的发展趋势及应用特点张德添,刘安生,朱衍勇等电子显微技术,其中包括电子显微镜和激光共聚焦扫描显微镜及其相关领域的技术,世界各大公司的厂商都看好经济快速发展,科学技术倍受重视的中国市场.因此,他们都不遗余力地推出其最新的产品和技术,来吸引中国客户的注意.概括起来,电子显微技术其发展趋势和应用特点大致如下:一,努力发展新一代单色器,球差校正器,以进一步提高电子显微镜的分辨率常规的钨灯丝透射电镜的球差系数cs大约为nlln级,现在的场发射透射电镜的球差系数已降低到Cs<0.05mm的水平.常规的钨灯丝透射电镜的色差系数大约为0.7,现在的场发射透射电镜的色差系数已减小到0.1左右.物镜球差校正器把场发射透射电镜分辨率提高到了信息分辨率的水平.即从0.19nm提高到0.12nm甚至于小于0.1nm.利用单色器,能量分辨率将小于0.1eV.但是单色器的束流却只有不加单色器时的十分之一左右. 因此利用单色器的同时,也必须同时考虑单色器的束流的减少问题.聚光镜球差校正器把STEM的分辨率提高到了小于0.1nm的同时,也把束流提高了至少1O倍,非常有利于提高其空间分辨率.当然,在球差校正的同时,色差大约增大了30%左右.因此,校正球差的同时,也要同时考虑校正色差. 目前,场发射透射电镜,STEM技术和能量过滤电镜技术,在国际上已经成为材料科学研究,甚至是生物医学研究中必不可少的分析手段和工具.二,高性能场发射枪电子显微镜日趋普及和应用场发射枪透射电镜能够提供高亮度,高相干性的收稿日期:2008—01—21作者简介:张德添.男.(1941一)教授.6电子光源.因而能够在原子——纳米尺度上对材料的原子排列和种类进行综合分析.九十年代中期,全世界只有几十台,现在已猛增至数千台.我国目前也有上百台以上场发射枪透射电子显微镜.常规的热钨灯丝电子枪扫描电子显微镜,分辨率最高只能达到3.0nm左右.新一代的场发射枪扫描电子显微镜,分辨率可以优于1.0nm.超高分辨率的扫描电镜,其分辨率高达0.5nm一0.4nm.其中环境扫描电子显微镜还可以做到真正意义上的”环境”条件,样品可在100%的湿度条件下观察,生物样品和非导电样品不需要镀膜,可以直接上机进行动态的观察和分析.可以实现所谓的”一机三用”的功效,即高真空,低真空和”环境”三种工作模式,给各种分析工作的转换带来了很大的方便.三,发展智能化.功能化,综合型和小型化的电镜是今后发展的趋势目前,电子显微镜分析工作已经迈向计算机化和网络化.不同地区之问,可以通过网络系统,演示如样品的移动,成像模式的改变,电镜参数的调整等,以实现对电镜的遥控操作.在仪器设备方面,目前扫描电镜的操作系统已经使用了全新的操作界面.用户只须按动鼠标,就可以实现电镜镜筒和电气部分的控制以及各类参数的自动记忆和调节.发展智能化,功能化,高性能综合型和小型化的电镜是今后发展的主流和趋势.例如,FEI最新的透射电镜Titan8O一300就具有高性能综合型的特点:在电镜基本系统上可选配一到二个球差矫正器,和/或单色器;加速电压范围8O一300kV.对80kV,200kV和300kV均进行了优化设计, 一台电镜相当于购买了三台高,中,低压透射电镜;优异的亚纳米分析能力;束斑尺寸<0.1nm时,束流仍可达60pA,电子束能量分辨率优于0.12eV;完全的数ModemScientificInstn~nents20o81字化成像,操作者从此告别观察荧光屏的时代;号称是2006年世界上第一台分辨率优于0.5埃的透射电镜.FEI最新的超高分辨场发射扫描电镜Nova NanoSEM的特点是在高,低真空条件下均达到1nm 分辨率水平的肖特基场发射扫描电镜;在纳米尺度下进行种类最广的材料表征,分析和原型加工;具有大于100nA束流的超高分辨率场发射扫描电镜,无论高,低真空下都具有优异的分析能力;很宽的电压范围:50V一30kV;灵活而稳定的纳米加工平台;能按客户的加工要求进行电子束沉积纳米原型加工或电子束曝光.例如,天美公司在2007年BCEIA期间发布了日本日立公司最新扫描电镜SU一1500,并在会场上展出了SU一1500.该电镜的突出特点是简洁和高性能.SU一1500集成了大量的自动功能,开发出了操作导航等功能.而维护方面采用动画演示技术,把复杂的维护用动画生动地描述下来.使电镜的操作结果不再依赖于操作人员本身.所配背散射电子检测器为日立最新开发的高灵敏度四分割半导体检测器, 可以在低真空和低加速电压下获得优秀的背散射电子图像.SU一1500的出现体现了扫描电镜发展的重要趋势,以更加方便用户的方式来实现更好的性能, 设计中体现了以人为本的思想.天美公司在本次展会期间还发布了TM一1000+EDX的组合.TM一1000自从2005年4月推出以来,它以小巧的体积,灵活的移动,优良的性能为人称道,然而客观上也增加了添加能谱的难度.日立通过与英国牛津仪器公司合作为TM一1000开发出了专用的能谱.实现了成分分析功能,在进行图像观察的同时可随时转入能谱分析,满足了更多用户的需求.例如,日本电子在2007年4月推出最新热场电子显微镜JSM一7001F.这是对日本电子的热场电镜JSM一7000F的升级.在保持热场电镜大束流高达200nA特点的同时,更进一步引入冷场电镜中采用的GB(GentleBeam)的模式,提高了低电压观察的图像质量.电镜采用无漏磁设计,使得磁性样品观察没有障碍.结合它的长时间稳定性以及束流大等特点,为EDS,EBSD等分析打下了良好的基础.日本电子新推出的冷场发射扫描电镜JSM一7500F和生物透射电子显微镜JEM一1400.冷场发射扫描电镜JSM一7500F这款电镜在电子显微镜减震设计方面有些突破,使得冷场发射电镜具有了更高的稳定性,并且有效应对了低频震动,在高倍数观察下可以得到优质的照片.JEM一1400是在JEM一1230型电镜的升级,保现代科学仪器20081留了JEM一1230电镜传统电子光学优势的同时,在软件操作方面,更适合不同级别水平的操作者,整个软件更加容易掌握和人性化.例如,北京中科科仪公司作为国内在电子光学仪器领域唯一的参展公司,这次展出TKYKY—EM3900 型高性能扫描电子显微镜.它采用了最新设计高性能锥形物镜,优化设计电子光学镜筒,翻开式电子枪.新设计的操作界面友好,直观,方便,新手也非常容易掌握.有9个外接窗口,可接WDS,EDS,BSE等多种附件和探测器.该设备其性能指标虽然不是最先进的,但价格便宜,其性价比是同类仪器中较高的.全新的KYKY—EM3900型高性能扫描电子显微镜引领中国电镜制造技术进入新的阶段.例如,英国CamScan公司参展的CS3000扫描电镜,采用了用户化分析系统.可根据用户的实际需要来订制,其中心样品台实现了电子束,样品以及探测器几何位置的最优化,确保了多信号探测器的同时使用的可靠性.可提供低温样品室,适合各种高含水量的生物样品.软件实现完全交互式互动,操作者可以按需要设定电镜参数,可进行多任务处理,有完善的网络电脑平台,该平台确保了多用户环境下操作的有效性,其特殊的设计特别适合衍射分析,高温加热样品台可以在高达1500oC下使用,对材料的高温分析和相变研究是非常有用的.例如,韩国Mirero株式会社这次作为韩国唯一的电镜生产厂商,也是首次来参展.其产品AIS2100扫描电镜,以其优异的电子光学系统,可靠的机械结构, 进军中国市场.采用DualSlitLens设计保证了图象3.5nm的高分辨率.可按用户要求定制系统设计,全面采用数字驱动控制方式,极大的方便了操作者使用.图象可以拼接,重构,还预留了配接各种附件的窗口,并承诺以最低的维护成本为中国用户服务.四,电子显微镜在纳米材料研究中的重要应用由于电子显微镜的分析精度逼近原子尺度,所以利用场发射枪透射电镜,用直径为0.13nm的电子束, 不仅可以采集到单个原子的z一衬度像,而且还可采集到单个原子的电子能量损失谱.即电子显微镜可以在原子尺度上,可同时获得材料的原子和电子结构信息.观察样品中的单个原子像,始终是科学界长期追求的目标.一个原子的直径约为1千万分之2—3mm.所以,要分辩出每个原子的位置,需要应用0.1nm左右分辨率的透射电镜,并把它放大约1千万倍7才行.而当材料的尺度减少到纳米尺度时,其材料的光,电等物理性质和力学性质可能具有独特特性.因此,纳米颗粒,纳米管,纳米丝等纳米材料的制备,以及其结构与性能之间关系的研究成为人们十分关注的研究热点.利用电子显微镜,一般要在200kV以上超高真空场发射枪透射电镜上,可以观察到纳米相和纳米线的高分辨电子显微镜像,纳米材料的电子衍射图和电子能量损失谱.例如,在电镜上观察到内径为0.4nm的纳米碳管,si—C—N纳米棒,以及Li掺杂si的半导体纳米线等.在生物医学领域,纳米胶体金技术,纳米硒保健胶囊,纳米级水平的细胞器结构,以及纳米机器人可以小如细菌,在血管中监测血液浓度,清除血管中的血栓等的研究工作,可以说都与电子显微镜这个工具分不开.总之,扫描电镜,透射电镜在材料科学特别纳米科学技术上的地位日益重要.稳定性,操作性的改善使得电镜不再是少数专家使用的高级仪器,而变成普及性的工具.更高的分辨率依然是电镜发展的最主要方向.扫描电镜和透射电镜的应用已经从表征和分析材料的微观组织和结构,发展到原位实验和纳米可视加工,聚焦离子束(FIB)在纳米材料科学研究中得到越来越多的应用.而FIB/SEM双束电镜是目前集纳米表征,纳米分析,纳米加工,纳米原型设计的最强大工具.矫正型STEM(Titan)的目标是在2008年实现0.5A分辨率下的3D结构表征.五,低温电镜技术和三维重构技术是当前生物电子显微学的研究热点低温电镜技术和三维重构技术是当前生物电子显微学的研究热点,主要是研讨利用低温电子显微镜(其中还包括了液氦冷台低温电镜的应用)和计算机三维像重构技术,测定生物大分子及其复合体三维结构.如利用冷冻电子显微学测定病毒的三维结构和在单层脂膜上生长膜蛋白二维晶体及其电镜观察和分析.当今结构生物学引起人们的高度重视,因为从系统的观点看生物界,它有不同的层次结构:个体器官组织细胞生物大分子.虽然生物大分子处于最低位置,可它决定着高层次系统之间的差异.三维结构决定功能结构是应用的基础.例如,药物设计,基因改造,疫苗研制与开发,人工构建蛋白等.有8人预言结构生物学的突破将会给生物学带来革命性的变革.电子显微学是测定结构重要手段之一.低温电子显微术的优点是样品处于含水状态,而分子处于天然状态.同时由于样品在辐射下会产生损伤,因此,电镜观测时采用低剂量和低温技术,会增强样品耐受辐射能力.将样品冻结在不同状态,观测分子结构的变化,可以使各种生物样品的观察分析结果更接近真实的状态.六,高性能CCD相机日渐普及应用于电子显微镜中CCD的优点是灵敏度高,噪音小,具有高信噪比.在相同像素下CCD的成像,其通透性,明锐度都很好,色彩还原,曝光可以保证基本准确.摄像头的图像解析度/分辨率,也就是我们常说的多少像素,在实际应用中,摄像头的像素越高,拍摄出来的图像品质就越好.对于同一画面,像素越高的产品它的解析图像的能力也越强.当然,这样所记录下来的数据量也会大得多,对存储设备的要求也就高得多.当今的TEM领域,新开发的产品完全是计算机控制的.图象的采集通过高分辨的CCD摄像头来完成,而不再是照相底片.数字技术的潮流正从各个方面推动TEM应用,乃至整个实验室工作的彻底变革. 尤其是在图象处理软件方面,许多过去认为不可能的事情,如今都正在成为现实.例如,Gatan公司针对不同的研究方向设计了多款CCD相机.而在2006年初推出一款新型CCD相机型号832SC1000W,既适用于材料方面又适用于生物方面.尤其在材料研究方面,它是世界上第一款也是唯一一款可以直接拍摄电子衍射的CCD相机. 832相机其主要特点有:1100万高像素;可直接拍摄电子衍射;可完全取代底片拍摄透射高分辨像;高效率的1:1光纤耦合;832CCD相机具有14幅/秒的超高读取速度,可记录动态图象.例如,德国SIS公司通过底部安装和侧面安装两种CCD摄像头,采用了高灵敏度多晶磷闪烁体,它的电动快门可以在极宽的曝光时间范围内进行自动调节.无论什么照明条件下,均可保证采集到亮度最佳的图象.支持多重图象合并模式,能够充分降低噪音,使图象具有更高的信噪比.TEMCAMERAS用于电子显微镜的数字摄像头.其技术指标:最高分辨率2048X2048像(40O万像素);刷新频率:每秒5帧ModeI’TIScientificInstruments2O081(2x2像素合并);半导体冷却外加水冷(可达一40. C);光纤耦合;16位模数转换.七,新型高效SDDX射线探测器SDD探测器是硅漂移二极管探测器(Silicondrift diode探测器)的简称,它是上世纪八十年代后期产生的技术,经历了近二十年的技术改进,2006年商品化的第4代SDD探测器技术趋于完善,在XRF—EDS 领域里已基本取代了si(Li)探测器,在SEM—EDS领域也已经成为各大x射线能谱仪厂商大力推介的探测器.SDD探测器的基本工作原理是:在N型硅片的顶面形成大面积二极管,底面做成环形二极管,电子收集阳极做成点状,这样使得电容极小.利用邻近场形电极之间或两面之间的穿通偏置形成耗尽层.工作中入射X射线产生的自由电子沿合电场方向向探测器中心漂移,由很浅的n+接触点阳极收集,而”空穴”则漂向背面和各环的P+整流结而消失.常规Si(Li)探测器的耗尽层的形成主要是在生产过程中形成的,为了避免在使用过程中遭到损坏,需要精心维护.而SDD探测器的耗尽层是在使用过程中形成的,可以反复形成,维护简单.si(Li)探测器结电容比SDD大许多,根据电子学理论可知结电容越大,噪音越大,所以SDD的分辨率高于Si(Li).入射x射线光子在Si(Li)中完全释放最多需要6s,而SDD则只需要150ns,所以SDD探测器可以有非常高的输入输出计数率和非常低的死时间,这样带来的最大好处是使元素面分布图的采集速度和图像质量大大的提高.由于SDD的场效应管(FET)工作在较高的温度下,所以其峰背比相应要比Si(Li)探测器差一些. SDD探测器在室温条件下工作也能获得较好的能量分辨,因此无需液氮等复杂的制冷设备或制冷剂,通电就可以使用.如果用电制冷使其工作在一25~C到一35~C附近,则效果更佳.而且其分辨率较少受到高计数的影响.下表列出了某厂商提供的SDD探测器和Si(Li)探测器的主要性能对照,通过比较我们可以看出: SDD探测器具有免维护的优势,电制冷,无须加液氮冷却;SDD探测器具有高转换率,超高速的优势,可以得到高质量的元素面分布图;Si(Li)探测器具有较好的峰背比,对探测轻元素仍具有一定优势.现代科学仪器20081这种性能优异的新型探测器与功能强大的分析软件相结合,使扫描电镜能谱分析的水平和效率有了很大的提高.八,激光共聚焦扫描显微镜激光共聚焦扫描显微镜在荧光显微镜的基础上加装激光扫描装置,使用紫外光或可见光激发荧光探针,利用计算机进行图像处理的一种仪器设备.它不仅可以观察固定的细胞,组织切片,还可对活细胞的结构,分子,离子进行实时动态的观察和检测.激光扫描共聚焦显微镜主要特性:分辨率优于光镜的0.21xm(0.1Ixm),为其1.5倍左右;具有z向观察能力,深度分辨率为0.1Ixm左右;具有光学切片功能,样品厚度可达5001xm.激光扫描共聚焦显微镜应用模式可以包括:单一光切片模式;时间间隔与活细胞成像模式;Z轴系列及三维成像模式;甚至四维成像模式;X—Z成像模式;反射光成像模式;透射光成像模式等.激光扫描共聚焦显微镜在生物学上的应用非常广泛.例如:定量荧光测定;光学切片和三维重组;动态荧光测定;荧光光漂白恢复(FRAP)技术;激光细胞显微外科及光陷阱技术;光活化技术;荧光共振能量转移(FRET)技术等.定量荧光测定包括各种细胞器,结构性蛋白, DNA,RNA,酶和受体分子等细胞特异性结构的含量, 组分及分布进行定性,定量,定位分析.随着人类基因组计划的顺利实施,现在正逐步向功能基因组学过渡,从而使生命科学研究进入了新的时代.如何研究蛋白质在生命体内的功能,是目前迫切需要解决的问题.例如,膜电位,氧化一还原状态和配体结合等生化反应变化过程;细胞骨架装配,细胞粘附行为,细胞凋亡机制,离子通道装配等方面的研究变得比较简单.如果与生物芯片技术相结合,还可以完成基因表9达的检测和基因表突变的检测等.激光扫描共聚焦显微镜通过薄层光学切片功能,可获得标本真正意义上的三维数据.经计算机图像处理及三维重建软件,产生生动逼真的三维效果,以便阐明三维结构与组织功能之间的关系.动态荧光可以测定细胞中的ca,Mg2,K,Na含量和pH值,还有活细胞生理信号如膜电位等.荧光光漂白恢复(FRAP)技术是借助高强度脉冲式激光照射细胞的某一区域,造成该区域荧光分子的光淬灭,该区域周围的非淬灭分子以一定速率向受照区域扩散,通过扩散速率的检测,可以揭示细胞结构和各种变化的机制.其用途可以应用在免疫分析,核酸杂交分析,蛋白质问相互作用研究等方面.激光细胞显微外科及光陷阱技术包括细胞膜瞬间穿孔,线粒体,溶酶体等细胞器烧灼,染色体切割,神经元突起切除等.许多重要的生物活性物质和化合物均可形成笼锁化合物.当处于笼锁状态时,其功能被封闭;一旦被特定波长的瞬间光照射,则因光活化而解笼锁,其原有活性和功能得以恢复.其用途主要在肌肉生理; 钙和膜电位对神经递质释放的调节作用;钙振荡的机制等方面.荧光共振能量转移FRET(FluorescenceReso—naneeEnergyTransfer)技术是指供体荧光能量以非辐射的方式传递给受体,供体荧光的发射光谱必须较大程度地与受体荧光激发光谱相重叠,供体分子与受体分子必须足够接近(5—9oA)的情况下发生的一种能量转移现象.激光共聚焦显微镜的主要优点包括:清晰度大为提高,可以清楚地看到细胞内部某一个层面,细胞水平的cT,其分辨率比普通光学显微镜高约1.5倍.观察荧光标记的活细胞,进行动态研究;能够实施活细胞水平的动态观察和离子成分的分析;能够进行蛋白的共定位和其相互作用的研究工作.激光共聚焦显微镜的主要缺点包括:分辨率低,仅为光镜水平;激光存在荧光漂白作用及细胞毒性; 蛋白共定位工作难度比较大.总之,在细胞和亚细胞的水平上,研究生物样品的超微细结构,离不开电子显微镜,特别是透射电子显微镜.因为TEM的分辨率已经达到0.07nm;而SEM的分辨率已经达到0.4nm.10各种细胞器,病毒,细胞表面精细结构的观察与分析都必须主要依靠TEM和SEM电子显微镜.如果在整个细胞水平上,希望能够随时动态观察细胞内部各断层面的形态结构和一些离子变化的规律,共聚显微镜有特点.如果条件允许,共聚显微镜还可以作蛋白的共定位和相互作用的研究.目前,在中国的市场上销售激光共聚焦扫描显微镜的厂商有德国的莱卡仪器有限公司和蔡司光学仪器有限公司,日本的OLYMPUS公司和尼康仪器(上海)有限公司等四家.他们的产品和仪器各有各的特点和应用专长.九,结论综上所述,在2007年北京分析测试学术报告会及展览会,电子显微技术的发展和改进速度是非常的快.我国广大电子显微用户一定要根据本单位研究工作和分析工作的实际需要情况,实事求是选择适合自己工作需要和要求的性价比合适的仪器.并不是指标越高越好,适合自己工作需要的才是最好的.同时我们也应该看到,生物电镜显微技术与其它技术的结合.从近几年相关的国际会议上,从发表的文章来看,内容包括了光学显微镜,电子显微镜,扫描探针显微镜,激光共焦显微镜,流式细胞仪,甚至核磁共振仪,各种质谱仪等,几个不同水平的显微学技术的综合应用上.显微学已经取代了电子显微学.单纯以电镜应用为主的论文少了,以综合应用课题为中心的论文多了.另外,在应用的研究技术方面,除了显微学技术外,还包括细胞生物学,分子生物学和其他生命科学技术.目前,免疫细胞化学结合激光共焦显微镜和电镜技术,应用最为广泛.这种技术的结合在生命科学研究中的应用非常普遍,能解决很多实际问题.例如,光镜和电镜原位杂交技术已从技术研究走向实际应用.如果把电子显微镜和共聚显微镜有机结合应用在生物医学研究中,相互取长补短,互为补充,一定会取得很好的效果.十,参考文献(略) ModemScientificInstruments20081。

课程报告题目：扫描电子显微镜原理及发展综述姓名：学院：专业：学号：课程老师：提交时间：扫描电子显微镜作为一种有效的显微结构分析仪器，可以对各种材料进行多种形式的表面的观察与分析。

它具有分辨率高、景深长、成像富有立体感等优点。

利用扫描电镜的图像研究法分析显微结构，其内容丰富、方法直观。

随着现代生活对新型材料的需求不断增长，扫描电子显微镜技术在新型材料学科领域中的应用也日益广泛。

本文主要介绍扫描电子显微镜的工作原理、结构特点以及发展应用情况，并对当前扫描电镜发展方向进行总结与评析。

关键字：扫描电子显微镜，工作原理，SEM结构组成，应用,发展方向第一章前言1.1 显微镜的分类为了了解和研究自然现象，通常开始是用人的肉眼进行观察的。

但是，人肉眼的观察能力是有限的，它能分辨的最小距离只能达到0.2mm左右。

为了把人的视力范围扩大到微观领域，就必须借助于一种观察仪器，把微观形貌放大几十倍到几十万倍，以适应人眼的分辨能力。

我们把这类仪器称为显微镜。

根据照明源的性质、照明方式以及从被观察对象所收回信息的性质和对信息的相应放大处理方法，通常可以分为光学显微镜、透射电子显微镜、场发射电子显微镜和扫描电子显微镜等。

常用的各种显微镜类型如表1-1所示。

表1-1 常用显微镜类型1.2 扫描电子显微镜的性能及基本分析技术关于光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜的主要性能比较如表1-2所示。

表1-2 各类显微镜性能的比较同其它方式的显微镜比较，SEM具有如下特点[6]：（1）能直接观察大尺寸试样的原始表面。

其能够直接观察尺寸可大到直径为100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，对试样的形状没有任何限制，粗糙表面也能观察。

（2）试样在样品室中可动的自由度非常大。

其它方式显微镜的工作距离通常只有2～3mm，故实际上只允许试样在两度空间内运动。

但在SEM由于工作距离大，焦深大，样品室的空间也大，这对观察不规则形状试样的各个区域细节带来无比的方便。

扫描电子显微镜(SEM)介绍(SEM)扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。

1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。

经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到1956年开始生产商品扫描电镜。

近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

目录扫描电镜的特点扫描电镜的结构工作原理扫描电镜的特点和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜SEM（Scanning Electron Microscope）具有以下特点：(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。

(二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。

(三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。

(四) 景深大，图象富有立体感。

扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。

(五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。

可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。

分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。

(六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。

(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。

扫描电镜的结构1．镜筒镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。

其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。

2．电子信号的收集与处理系统在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。

在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。

扫描电子显微镜的应用及其发展1前言扫描电子显微镜SEM(Scanning Electron Microscopy)是应用最为广泛的微观形貌观察工具。

其观察结果真实可靠、变形性小、样品处理时的方便易行。

其发展进步对材料的准确分析有着决定性作用。

配备上X射线能量分辨装置EDS (Energy Dispersive Spectroscopy)后，就能在观察微观形貌的同时检测不同形貌特征处的元素成分差异,而背散射扫描电镜EBSD（Electron Backscattered Diffraction）也被广泛应用于物相鉴定等。

2扫描电镜的特点形貌分析的各种技术中，扫描电镜的主要优势在于高的分辨率。

现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1纳米左右；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凹凸不平表面的细微结构试样制备简单；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[1]。

低加速电压、低真空、环境扫描电镜和电子背散射花样分析仪的使用，大大提高了扫描电子显微镜的综合、在线分析能力；试样制备简单。

直接粘附在铜座上即可，必要时需蒸Au或是C。

扫描电镜也有其局限性,首先就是它的分辨率还不够高，也不能观察发光或高温样品。

样品必须干净、干燥，有导电性。

也不能用来显示样品的内部细节，最后它不能显示样品的颜色。

需要对扫描电镜进行技术改进，在提高分辨率方面主要采取降低透镜球像差系数, 以获得小束斑；增强照明源即提高电子枪亮度( 如采用LaB6 或场发射电子枪) ；提高真空度和检测系统的接收效率；尽可能减小外界振动干扰。

在扫描电镜成像过程中，影响图像质量的因素比较多，故需选择最佳条件。

例如样品室内气氛控制、图像参数的选择、检测器的选择以及控制温度的选择，尽可能将样品原来的面貌保存下来得到高质量电镜照片[2]。

3 扫描电镜的进展低压扫描电镜（LVSEM）是扫描电镜发展的新的方向，它可以直接观察绝缘样品而不会产生充电现象，而且电子能量小，穿透力弱，对样品的辐射损失小。

扫描电子显微镜的发展与应用摘要：介绍了扫描电子显微镜的工作原理、结构特点及其发展，阐述了扫描电子显微镜在材料科学领域中的应用。

关键词：扫描电子显微镜；构造；材料；应用扫描电子显微镜（SEM）于20世纪60年代问世，是用来观察样品表面微区形貌和结构的一种大型精密电子光学仪器。

其工作原理是利用一束极细的聚焦电子束扫描样品表面，激发出某些与样品表面结构有关的物理信号（如二次电子、背散射电子）来调制一个同步扫描的显像管在相应位置的亮度而成像。

扫描电子显微镜主要用于观察固体厚试样的表面形貌，具有很高的分辨力和连续可调的放大倍数，图像具有很强的立体感。

扫描电镜能够与电子能谱仪、波谱仪、电子背散射衍射仪相结合，构成电子微探针，用于物质化学成分和物相分析。

因此，扫描电子显微镜在冶金、地质、矿物、半导体、医学、生物学、材料学等领域得到了非常广泛的应用。

1.扫描电镜的原理和构造1.1 扫描电子显微镜的工作原理扫描电子显微镜的原理是利用电子枪采用真空加热钨灯丝，发生热电子束，在0. 5～30 kV的加速电压下，经过电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚极细电子束，并在样品表面聚焦。

末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束打到样品上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比，扫描电子显微镜是采用逐点成像的图像分解法进行的，光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完成一幅图像。

对扫描电子显微镜成像有影响的信号主要有二次电子、背散射电子和X射线谱线等（见图1）。

其中二次电子是样品与初始束电子相互作用而被激发出来的样品原子所含的电子，它们能量很低，只能从样品表面很浅的区域逸出，是扫描电子显微镜检测出的主要信号，对应的图像被称为二次电子图像，具有立体感，成像分辨率最好，能准确地反映样品表面的形貌(凹凸)特征；背散射电子是与样品原子核发生弹性碰撞而被散射出样品的电子束电子，这部分电子能量很高，其成像分辨率不高；X射线谱线是当入射电子流轰击到样品表面时，如果能量足够高，样品部分原子的层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态，样品原子各能级间出现电子跃迁而产生的，其成像分辨率最差。

扫描电子显微镜扫描电子显微镜是一种能够帮助科学家观察微观世界中细小结构的仪器。

它通过利用电子束来替代传统光学显微镜中的光线，从而能够提供更高分辨率和更清晰的图像。

本文将详细介绍扫描电子显微镜的原理、应用、优势以及未来发展方向。

首先，我们来了解一下扫描电子显微镜的工作原理。

相比传统的光学显微镜，电子束在扫描电子显微镜中取代了光线。

电子束由电子枪产生，并通过电子透镜系统聚焦到样本表面上。

在扫描电子显微镜中，样本表面上的电子反射被接收器所捕捉，并转化为图像。

通过扫描样本表面，并记录每个位置接收到的电子反射信号，扫描电子显微镜能够生成高分辨率的表面形貌图像。

扫描电子显微镜具有许多应用领域。

首先，在材料科学领域，扫描电子显微镜被广泛用于研究材料的表面形貌、晶体结构、相互作用等方面。

它能够帮助科学家观察和分析微观结构的形态、尺寸、组成等特征，这对于新材料的开发和应用具有重要意义。

其次，在生命科学领域，扫描电子显微镜也扮演着重要的角色。

科学家利用扫描电子显微镜可以观察生物组织、细胞、细菌等微生物的形态和结构，以及它们之间的相互作用。

这些观察结果可以帮助科学家研究生命体的生长、发育、繁殖等过程，进而探索生命的奥秘。

扫描电子显微镜相比传统光学显微镜有许多优势。

首先，由于扫描电子显微镜使用的是电子束而不是光线，因此能够获得更高的分辨率。

这使得科学家能够观察更小的结构和更细微的细节。

其次，扫描电子显微镜还能够提供准确的深度信息，使得观察者能够了解样本表面的三维结构。

未来，随着科学技术的不断发展，扫描电子显微镜也将迎来新的挑战和机遇。

首先，科学家们希望能够进一步提高扫描电子显微镜的分辨率，以便更好地观察微观结构。

其次，他们还希望能够将扫描电子显微镜与其他分析技术相结合，以实现更多样化的分析和测试。

例如，结合能谱分析仪，可以对样本进行元素分析；结合压电力学仪器，可以对样本进行力学性质测试。

总之，扫描电子显微镜作为一种重要的科学仪器，已经在许多领域发挥了重要作用。

扫描电子显微镜的发展及展望1、分析扫描电镜和X射线能谱仪目前，使用最广的常规钨丝阴极扫描电镜的分辨本领已达 3.5nm左右，加速电压范围为0.2—30kV。

扫描电镜配备X射线能谱仪EDS后发展成分析扫描电镜，不仅比X射线波谱仪WDS分析速度快、灵敏度高、也可进行定性和无标样定量分析。

EDS发展十分迅速，已成为仪器的一个重要组成部分，甚至与其融为一体。

但是，EDS也存在不足之处，如能量分辨率低，一般为129—155eV，以及Si(Li)晶体需在低温下使用(液氮冷却)等。

X射线波谱仪分辨率则高得多，通常为5—10eV，且可在室温下工作。

1972年起EDAX公司发展了一种ECON系列无窗口探测器，可满足分析超轻元素时的一些特殊需求，但Si(Li)晶体易受污染。

1987年Kevex 公司开发了能承受一个大气压力差的ATW超薄窗，避免了上述缺点，可以探测到B，C，N，O等超轻元素，为大量应用创造了条件。

目前，美国Kevex公司的Quantifier，Noran公司的Extreme，Link公司的Ultracool，EDAX公司的Sapphire等Si(Li)探测器都属于这种单窗口超轻元素探测器，分辨率为129eV，133eV等，探测范围扩展到了5B—92U。

为克服传统Si(Li)探测器需使用液氮冷却带来的不便，1989年Kevex公司推出了可不用液氮的Superdry探测器，Noran公司也生产了用温差电制冷的Freedom探测器(配有小型冷却循环水机)，和压缩机制冷的Cryocooled探测器。

这两种探测器必须昼夜24小时通电，适合于无液氮供应的单位。

现在使用的大多还是改进的液氮冷却Si(Li)探测器，只需在实际工作时加入液氮冷却，平时不必维持液氮的供给。

最近发展起来的高纯锗Ge探测器，不仅提高了分辨率，而且扩大了探测的能量范围(从25keV扩展到100keV)，特别适用于透射电镜：如Link的GEM型的分辨率已优于115eV(MnKα)和65eV(FKα)，Noran的ExplorerGe探测器，探测范围可达100keV等。

新一代电子显微镜的发展趋势及应用特点新一代电子显微镜的发展趋势及应用特点一、高性能场发射枪电子显微镜日趋普及和应用。

场发射枪透射电镜能够提供高亮度、高相干性的电子光源。

因而能在原子--纳米尺度上对材料的原子排列和种类进行综合分析。

九十年代中期，全世界只有几十台；现在已猛增至上千台。

我国目前也有上百台以上场发射枪透射电子显微镜。

常规的热钨灯丝（电子）枪扫描电子显微镜，分辨率最高只能达到3.0nm；新一代的场发射枪扫描电子显微镜，分辨率可以优于1.0nm；超高分辨率的扫描电镜，其分辨率高达0.5nm-0.4nm。

其中环境描电子显微镜可以做到：真正的“环境”条件，样品可在100%的湿度条件下观察；生物样品和非导电样品不要镀膜，可以直接上机进行动态的观察和分析；可以“一机三用”。

高真空、低真空和“环境”三种工作模式。

二、努力发展新一代单色器、球差校正器，以进一步提高电子显微镜的分辨率。

球差系数:常规的透射电镜的球差系数Cs约为mm级；现在的透射电镜的球差系数已降低到 Cs<0.05mm.色差系数:常规的透射电镜的色差系数约为0.7；现在的透射电镜的色差系数已减小到 0.1。

场发射透射电镜、STEM技术、能量过滤电镜已经成为材料科学研究,甚至生物医学必不可少的分析手段和工具.物镜球差校正器把场发射透射电镜分辨率提高到信息分辨率.即从0.19nm提高到0.12nm甚至于小于0.1nm.利用单色器，能量分辨率将小于0.1eV.但单色器的束流只有不加单色器时的十分之一左右.因此利用单色器的同时,也要同时考虑单色器的束流的减少问题。

聚光镜球差校正器把STEM的分辨率提高到小于0.1nm的同时,聚光镜球差校正器把束流提高了至少10倍,非常有利于提高空间分辨率。

在球差校正的同时，色差大约增大了30%左右. 因此,校正球差的同时,也要同时考虑校正色差.三、电子显微镜分析工作迈向计算机化和网络化。

在仪器设备方面，目前扫描电镜的操作系统已经使用了全新的操作界面。

扫描中国电子显微镜行业发展现状及趋势分析一、行业综述1、定义扫描电子显微镜（SEM）简称为扫描电镜，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。

根据我国SEM的研制过程，可将其SEM发展历程大致分为4个阶段：自行设计研制期、技术消化引进期、自主研发集中期、自主研发放缓期。

扫描电子显微镜工作原理扫描电子显微镜工作原理资料来源：公开资料，产业研究院整理2、发展历程根据我国SEM的研制过程，可将其SEM发展历程大致分为4个阶段：自行设计研制期、技术消化引进期、自主研发集中期、自主研发放缓期。

中国扫描式电子显微镜行业发展历程中国扫描式电子显微镜行业发展历程资料来源：公开资料，产业研究院整理相关报告：产业研究院发布的《2023-2028年中国扫描电子显微镜市场竞争格局及投资前景展望报告》二、产业链扫描式电子显微镜行业上游主要包括电子元器件、光学仪器产品及其他配件。

扫描式电子显微镜主要应用于主要用于纺织、化工、印染、仪器仪表、材料分析、教学科研等许多领域。

扫描电子显微镜产业链扫描电子显微镜产业链资料来源：公开资料，产业研究院整理三、全球行业发展现状1、全球电子显微镜市场规模电子显微镜可以运用到生活、科研的各个领域，不断为人们提供生活和科研的方便。

据统计，全球电子显微镜市场规模逐年攀升，由2018年的25.27亿美元增至至2021年的29.26亿美元，2021年同比增长5.86%，预计截至2022年全球电子市场规模将达到30.96亿美元。

2018-2022年全球电子显微镜市场规模及增速情况2018-2022年全球电子显微镜市场规模及增速情况资料来源：公开资料，产业研究院整理2、全球扫描电子显微镜市场规模据统计，2020年全球扫描电子显微镜市场规模达到20.5亿美元，同比增长3.27,，2017年到2020年市场规模复合增长率为4%，市场规模稳定出现增长。