透射电镜与扫描电镜分析

张保林，弋 楠，朱蓉英，梁松溢

（陕西工业职业技术学院 材料工程学院，陕西 咸阳 712000）

透射电镜与扫描电镜分析

张保林，弋 楠，朱蓉英，梁松溢

（陕西工业职业技术学院 材料工程学院，陕西 咸阳 712000）

文章简要介绍了透射电镜和扫描电镜两种当前主要的电子显微分析方法的应用，比较了它们的结构和工作原理，讨论了各自的应用范围以及发展方向，指出将两者有机结合可以得到比较全面的材料分析结果。

透射电镜；扫描电镜；电子显微分析方法

现如今，具有高分辨率的透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）和扫描电镜（Search Engine Marketing，SEM）在材料分析研究中的应用日趋广泛，已经成为现代实验室中一种不可或缺的研究晶体结构和化学成分的综合仪器。但是，目前对其综合分析的文章比较少见，所以，笔者在本文中将这两种重要的电子显微方法进行了综合对比分析。

1 透射电子显微镜

透射电子显微镜，简称透射电镜，是以波长很短的电子束作照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器，实物如图1所示。透射电镜同时具有两大功能：物相分析和组织分析。物相分析是利用电子和晶体物质作用可以发生衍射的特点，获得物相的衍射花样；而组织分析是利用电子波遵循阿贝成像原理，可以通过干涉成像的特点，获得各种衬度图像。

图1 某型号透射电子显微镜实物

1.1 透射电镜的基本构造及工作原理

1.1.1 透射电镜的基本构造

透射电镜主要由3个基本部分构成：电子光学系统、真空控制系统和电源系统。透射电镜基本构造如图2所示。

1.1.2 透射电镜的工作原理

透射电镜用聚焦电子束作为照明源，使用对电子束透明的薄膜试样（101～103 nm），以透射电子为成像信号。

图2 透射电镜基本构造

1.2 透射电镜的优缺点和应用方向

透射电镜具有以下3个优点：（1）可以获得高分辨率；（2）可以获得高放大倍数；（3）可以获得立体丰富的信息。透射电镜虽然可以获得以上优点，但是由于其成像原理，因此其应用也存在以下4方面的缺点：（1）其样品的制备是具有破坏性的；（2）电子束轰击样品表面；（3）应用需要真空条件；（4）采样率低。

透射电镜具有高分辨率、高性能优势，因此可以应用于材料科学方面的成分和结构分析，也可以应用于生命科学方面进行生化物质定位，为科研和实际生产提供可靠的数据来源。应用主要有以下几点：（1）用于气溶单颗粒的研究；（2）用于C／C复合材料的研究；（3）用于纳米粉体的研究；（4）用于铁材料的电畴观察。另外，还是物理学和生物学相关的许多科学领域的重要分析方法之一，如癌症研究、病毒学、材料科学、纳米技术以及半导体研究等。

1.3 透射电镜的样品制备

在利用透射电镜进行研究分析时，主要制备金属材料样品，粉末样品和陶瓷材料样品。其中，陶瓷材料的样品主要分为3类，第一是颗粒试样，主要用于其形态观察、颗粒尺寸测定、成分分析等；第二是薄膜试样，可以做相组织，形态分布，结构分析，成分分析及位错观察等；第三是块状试样，用于观察试样表面形貌，断口分析，成分分析等。在实际应用中，透射电子显微镜的观察主要以颗粒试样和薄膜试样为主。对于陶瓷纤维样品可先通过包埋处理后，做超薄切片，放在有支持膜的铜网上，再用投射电镜观察分析。

1.4 透射电镜的主要性能指标

透射电镜的主要性能指标有：分辨率、放大倍数和加速电压。其中，分辨率是透射电镜的最主要性能指标，分为点分辨率和线分辨率。放大倍数是指电子图像对于所观察试样区的线性放大率。加速电压则决定电子枪发射的电子波长和能量。

2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜不用电磁透镜放大成像，而是以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的，实物如图3所示。扫描电镜现在在数量和普及程度上均已超过了透射电镜。

图3 某型号扫描电子显微镜实物

2.1 扫描电镜的基本构造及工作原理

2.1.1 扫描电镜的基本构造

扫描电镜主要由3个基本部分构成：电子光学系统（镜筒）、信号收集和图像显示系统和真空控制系统。扫描电镜基本构造如图4所示。

2.1.2 扫描电镜的工作原理

扫描电镜的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。

图4 扫描电镜基本构造

2.2 扫描电镜的优缺点和应用方向

扫描电镜是一种高分辨率的电镜，可以直接观察样品表面，图像富有立体感，真实感。而且它除了能显示一般试样表面的形貌外，还能将试样微区范围内的化学元素与光、电、磁等性质的差异以二维图像形式显示出来，并可用照相方式拍摄图像。另外，扫描电镜分辨本领高，观察试样的景深大，可直接观察试样表面起伏较大的粗糙结构。

扫描电子显微镜是一种有效的理化分析工具，通过它可进行各种形式的图像观察、元素分析、晶体结构分析，三维形貌的观察和分析，可以观察纳米材料、进口材料断口的分析，直接观察大试样的原始表面，观察厚试样，观察试样的各个区域的细节。在观察形貌的同时，进行微区的成分分析，还可以观察生物试样，进行动态观察。

2.3 扫描电镜的样品制备

在利用扫描电镜进行研究分析时，主要制备块状试样，粉末试样和镀膜（真空镀膜、离子溅射镀膜）。

2.4 扫描电镜的主要性能指标

扫描电镜的主要性能指标有：分辨率、放大倍数和景深。其中，分辨率是指清晰地分开两个物体之间距离的能力。扫描电镜的放大倍数是指电子束在荧光屏上最大扫描距离和镜筒中电子束在试样上最大扫描距离的比值。景深是指图像清晰度保持不变的情况下样品平面沿光轴方向前后可移动的距离。景深与放大倍数密切相关，放大倍数越大，景深越小。

3 结语

透射电子显微镜常用于观察普通显微镜不能分辨的细微物质结构；扫描电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌。有时，将两者有机结合可以得到比较全面的材料分析结果。

[1]王培铭.材料研究方法[M].北京：科学出版社，2005.

[2]李周.材料现代分析测试实验教程[M].北京：冶金工业出版社，2011.

Analysis of transmission electron microscope and scanning electron microscope

Zhang Baolin, Yi Nan, Zhu Rongying, Liang Songyi
（Material Engineering College of Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China）

This paper briefly introduced the main application of two kinds of current electron microscopy analysis methods of the transmission electron microscope and scanning electron microscopy, comparing their structures and working principles, discussing their application areas and development directions, pointing out that the combination of the two can get more comprehensive results of material analysis.

transmission electron microscope; scanning electron microscope; electron microscopic analysis method

项目名称：基于材料分析与检测技术手段的课程考核改革与应用—材料现代分析测试技术；项目编号：14KCGG-001。

张保林（1980— ），男，青海贵德，硕士，讲师；研究方向：焊接检测教学。