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第 10章 聚合物的扫描电子显微术
扫描电镜 (scanning electron microscope,SEM)可以研究
高分子多相体系的微观相分离结构，聚合物树脂粉料的颗粒形
态，泡沫聚合物的孔径与微孔分布，填充剂和增强材料在聚合
物基体中的分布情况与结合状况，高分子材料的表面、界面和
断口，粘合剂的粘结效果及聚合物涂料的成膜特性等。扫描电
镜之所以有如此广泛的用途是因为它有以下一些独特的优点：
(1) 试样制备方法简便
可从一些待研究的样品中直接取样，为了使样品导电以避
免电荷积累，要在聚合物试样的表面蒸镀或溅射上一层金属薄
膜，但此膜的厚度十分有限，故并不改变原有的形貌特征。
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第 10章 聚合物的扫描电子显微术
(2) 放大倍数在大范围内连续可调
其放大倍数在几十倍至几十万倍内连续可调。即使在高放
大倍数下，也可得到高亮度的清晰图像。
(3) 景深长、视野大
在放大 100倍时，光学显微镜的景深仅为 1?m，而扫描电
镜的景深可达 1mm，增大了 1000倍。随着放大倍数的增大，
景深要缩短。所以扫描电子显微像的立体感强，可以直接观
察到粗糙表面上起伏不平的微细结构。
(4) 分辨本领高
光学显微镜分辨本领的极限值仅为 200nm，而要使扫描电
镜的分辨本领达到 10nm以下并不困难。
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第 10章 聚合物的扫描电子显微术
(5) 可对试样进行综合分析和动态观察
把扫描电镜和 X能谱微区分析及电子衍射等仪器相结合，
可以在观察微观形貌的同时逐点分析其化学成分和晶体结构，
这样就打破了显微镜只能观察形貌、成分分析仪只能分析成分
的局限性，从而使扫描电镜兼具有电子显微镜、电子衍射仪和
电子探针等待点。扫描电镜的试样室空间很大，可以较方便地
配备拉伸、弯曲、加热或冷却等试样座，对试样进行一系列动
态观察。
(6) 可借助信号处理来调节图像衬度
扫描电镜中被检测的信号在成像前可经过种种处理，以使
图像的衬度得到改善。
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第 10章 聚合物的扫描电子显微术
(7) 采用极化相纸可立即得到正片
扫描电镜可以用软片记录图像，也可以用极化相纸记录。
极化相纸有两种：一种是只能得到正片，另一种是既能得正
片又能得负片。用极化相纸摄影时，在实验进行过程中就可
立即得知图像质量的优劣。如不满意，可及时重照。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
经电子透镜聚焦以后的高能电子束入射到固体样品表面上，
便与样品中的原子发生碰撞而产生弹性或非弹性散射等一系列
物理效应，如背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、
X射线、俄歇电子、阴极荧光及电子－空穴对，如图 10-1所示。
通过检测这些效应，就可以获得关于样品的表面形貌、组成和
结构的丰富信息。现只介绍与研究聚合物有关的前 4种成像电
子和特征 X射线的产生。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
7
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.1 背散射电子
入射电子中与试样表层原子碰撞发生弹性和非弹性散射后
从试样表面反射回来的那部分一次电子统称为 背散射电子 。发
生弹性碰撞时，入射的高速电子从试样原子核旁经过，在核电
荷的作用下，其运动方向发生偏斜，但能量几乎没有变化。偏
转角度 (也称散射角度 )的大小与试样原子的核电荷量的多少有
关，也与入射电子的能量 (即速度 )有关 (见图 10-2)。发生非弹性
散射时，入射的高速电子向前运动到十分靠近某个核外电子处，
在电场力的作用下把自身的一部分能量转移给核外电子，使它
或者摆脱原子核的束缚而飞离出去，或者被激发到该原子的高
能态轨道上去。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.1 背散射电子
由图 10-2可以看到，入射电
子本身的运动方向也要发生某
种程度的偏斜。但是非弹性散
射的角度要比弹性散射的角度
小得多。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.1 背散射电子
弹性背散射电子是只受到试样原子核单次或很少次大角度
弹性散射后反射回来的入射电子，其能量没有发生变化。通常
把能量稍有变化的反射电子也归于这一类。
非弹性背散射电子是指那些经过几十次或上百次的非弹性
碰撞 (也许含有几次弹性碰撞 )后，最终仍然从样品表面反射回
来的入射电子。它们的能量高于 50eV。
背散射电子反射回来时的方向是不规则的。它们的数量则
与入射角和样品的平均原子序数 有关。 越大，被散射的入
射电子也越多。背散射电子的发射深度约为 10nm～ 1?m。
Z Z
10
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.2 二次电子
进入样品表面的部分一次电子能使样品原子发生单电子激
发，并将其轰击出来。那些被轰击出来的电子称为 二次电子 。
背散射电子在穿出试样表面时，也会激发出一些二次电子，它
们在成像时仅形成本底。
一次电子的能量较低，约为 0～ 50eV，大部分为 2～ 3eV，
其发射深度一般不超过 5～ 10nm。正因为如此，试样深处激发
的二次电子没有足够的能量逸出表面。二次电子的发射与试样
表面的形貌及物理、化学性质有关，所以二次电子像能显示出
试样表面丰富的细微结构。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.3 吸收电子
随着入射电子在试样中发生非弹性散射次数的增多，其能
量不断下降，最后为样品所吸收。如果通过一个高电阻和高灵
敏度的电流表把样品接地，在高电阻或电流表上可检测到样品
对地的电流信号，这就是吸收电子的信号。吸收电流经过适当
放大后也可成像，形成吸收电流像。它很像是背散射电子像的
负片，明暗正好相反。用吸收电流像观察形貌复杂的样品时，
无阴影效应，像的衬度比较柔和。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.4 透射电子
当试样薄至 101nm数量级时，便会有相当数量的入射电子
穿透试样。透射电子像的衬度能够反映试样不同部位的组成、
厚度和晶体取向方面的差异。
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.5 特征 X射线
部分入射电子将试样原子中内层 K,L或 M层上的电子激发
后，其外层电子就会补充到这些剩下的空位上去。这时它们的
多余能量便以 X射线形式释放出来。每一元素的核外电子轨道的
能级是特定的，因此所产生的 X射线波长也有特征值。这些 K、
L,M系 X射线的波长一经测定，就可用来确定发出这种 X射线
的元素。测定了这种 X射线的强度，就可确定该元素的含量。
测定 X射线波长有两种仪器：一种是 X射线能谱仪。它采用
锂漂移硅探测器检测，通过多道分析器和数据处理可迅速进行
元素分析。此法的灵敏度较高，但缺点是定量精度差；
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10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.5 特征 X射线
另一种是 X射线波谱仪。它采用 X射线在晶体上衍射的方法
来确定 X射线波长，其定量精度较高，但分析速度较慢。
也可以用特征 X射线来调制显像管以获得试样中所含某元素
的线分布或面分布像。
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10.2 扫描电镜的结构
可以把它分解为 5个
部分：电子光学系统、
扫描系统、信号检测系
统、显示系统和试样放
置系统。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.1 电子光学系统
电子光学系统通常称为镜筒，由电子枪、二级或三级缩
小电磁透镜及光阑、合轴线圈、消像散器等辅助装置组成。
它们的作用是提供一束直径足够小、亮度足够高的扫描电子
束。实现这一目标的第一步就是选择合适的电子枪。目前有 3
种电子枪：发叉式钨丝热阴极电子枪、六硼化镧 (LaB6)阴极
电子枪和场发射电子枪。前两种均属热发射电子枪，后一种
为冷发射电子枪。它们的性能如表 10-2所示。场发射电子枪
在强电场作用下可以达到很高的电子发射率。使电子源的直
径可缩小至 10nm。但这种电子枪要求有 10-7～ 10-8Pa的高真
空度。它是高分辨率扫描电镜的理想电子源。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.1 电子光学系统
扫描电镜的分辨率在最佳条件下基本上与到达样品表面时
的扫描电子束的直径相等。三级磁透镜的作用就是逐级缩小电
子束的直径。只有当总缩小率小于 1/5000时，才能获得直径小
于 10nm的电子束，才有可能使仪器的最佳分辨率小于 10nm。
前二级透镜也因此而被称为 第一和第二聚光镜 。第三个聚光镜
又称为物镜。通过它把扫描电子束会聚到试样表面。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.1 电子光学系统
会聚镜光阑的作用是挡掉无用的杂散电子以保证获得微
细的扫描电子束，而又不致明显地减弱其亮度，还可以降低
噪声本底和防止绝缘物带电。第二聚光镜的光阑还可用来控
制选区衍射时电子束的发散角。
物镜光阑的作用是限制扫描电子束入射试样时的发散度
(它是物镜光阑的半径和光阑到试样表面的距离之比 )。减小
物镜光阑的孔径，可以减小物镜的球差，提高分辨本领和改
善景深，从而提高图像的质量和增强图像的立体感。
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扫描电镜的结构
和工作原理
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.2 扫描系统
这一系统的作用是驱使电子束以不同的速度和不同的方式
在试样表面扫描，以适应各种观察方式的需要和获得合理的信
噪比。目前扫描电镜的最高扫描频率与电视接收频率相同。
快速扫描在调整成像时使用，或在作动态观察时使用。其
信噪比低，图像质量较差。慢扫描一般都用于记录图像。在高
倍工作时，由于束流很小，有了足够长的信号收集时间便可以
提高信噪比，从而改善图像质量。最慢的扫描时间可长达每帧
100秒或数百秒。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.2 扫描系统
扫描电镜能提供的扫描方式也有几种。最常用的是 面扫描,
用于观察试样的表面形貌或某元素在试样表面的分布。 点扫
描 主要用于对试样表面的特定部位作 X射线元素分析。 线扫描
可以在元素分析时用来观察沿某一直线的分布状况。
镜筒中电子束的扫描与显像管中电子束的扫描是由同一扫
描发生器驱动的。因此两者完全同频地扫描，以形成逐点对
应的图像。图像的放大倍数通过改变电子束在试样表面的扫
描幅度加以调节。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
对于入射电子束和试样作用时产生的各种不同的信号，必
须采用相应的信号探测器，把这些信号转换成电信号加以放大。
现将几种探测器简介如下。
1．二次电子探测器
二次电子探测器一般都采用 闪烁体－光导－光电倍增管 系
统。这种方法可获得较高的增益和信噪比。闪烁体是受电子轰
击后可发光的物体。其作用是把电子的动能转换成光能。闪烁
体发出的光信号通过光导耦合到光电倍增管阴极，把光信号转
换成电信号。经光电倍增管多级倍增放大，得到较大的输出信
号。再经视频放大器放大后，用以调制显像管成像。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
2．背散射电子探测器
最简便的背散射电子检测方法是利用在收集罩上加了负偏
压的二次电子探测器。这时二次电子被排斥，只有高能的背散
射电子才能穿过收集罩进入闪烁体。由子背散射电子的能量较
大，收集的效率取决于截获背散射电子的立体角，故其收集效
率要比二次电子低得多。
3．试样电流放大器
试样电流放大器能把试样所吸收的电子、试样中被激发的
电子－空穴对等信号加以放大并成像。其收集电流必须大于
10-8A，这时不可能得到分辨率高的图像。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
若把束流减小，信噪比也随之下降，所得的图像会因噪声
较大而变得模糊。
4．透射电子接收器
在试样室的下面有一个透射电子室。内有透射电子接收器，
还有两块光阑片。一块是中心孔光阑，用来保留中心束以获得
明场像，另一块则用来挡住中心束以获得暗场像。室内另有一
组扫描线圈，用以获得电子衍射图像。
5,X射线探测器
通常的扫描电镜都可配以 X射线谱仪，使仪器兼有电子探针
仪的功能。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
有的可配 X射线波谱仪 (WDX)，有的可配 X射线能谱仪
(EDX)，也有的两者兼备。这两种 X射线谱仪的作用虽然相似，
但对 X射线的检测方法则完全不同。
X射线波谱仪采用晶体－正比记数管系统作为探测器。仪
器所备的单晶体的晶面间距是已知的，可以根据衍射角来推
算信号 X射线的波长。正比记数管用来收集被衍射的 X射线，
并用电子分析系统来确定它的记数。其定量精度较高，但分
析速度较慢。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
X射线能谱仪的传感器是一个半导体二级管－锂漂移硅探
测器。当不同能量的 X射线照射到锂漂移硅探测器时，会使它
产生与入射 X射线能量成比例数量的电子－空穴对，从而形成
幅度与光量子能量成比例的电脉冲。通过多道分析器和数据
处理系统能快速进行元素分析，显示出元素的存在状况，定
性或半定量地给出它们的含量。
这种方法的灵敏度高，但定量精度差，且限于测原子序
数大于 10的元素。因此在分析聚合物时不能用来分析通常的
含 C,H,O,N等元素组成的聚合物，但可以用来分析含 Si，
S等元素的聚合物及聚合物中所含的杂质。
27
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.4 显示系统
它的作用是把已放大的被检信号显示成相应的图像，并加
以记录。为了达到图像观察和图像记录两个目的，一般扫描电
镜都采用一只长余辉显像管来显示图像和一只短余辉显像管来
记录图像。显像管本身的分辨率，即每帧能容纳的行数，对成
像质量有很大影响。 显像管的分辨率 高表示所能显示的像素也
多。在图像记录时扫描电镜最常用的是 1000行 /帧。这时包含的
像素为 1000× 1000＝ 106(个 )。如果显像管本身的分辨率不高，
即显像管的电子束在荧光屏上的光斑太大，就不能包含这么多
的像素，所以无法容纳检测系统所获得的信息量。
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10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.5 试样室和试样座
扫描电镜所观察的试样一般是大块的和表面粗糙的，必须
将其放在物镜的磁场之外，而不能像透射电镜那样置于物镜的
磁场之中。在实际的扫描电镜中，试样室位于电子光学系统之
下紧靠物镜的地方。放在这样的位置有优点，也有缺点。 优点
是试样室的容积很大，可以配置具有 x,y,z、旋转角和倾斜
角 5个自由度的试样座，也能够安装供进行动态观察的拉伸台、
弯曲台、加热台等专用试样座以及 X射线能谱仪和 X射线波谱
仪等附件。这种放置方法的 缺点 是物镜的色差和球差要比透射
电镜大 10～ 20倍，影响仪器的分辨本领。
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.1 放大倍数
在透射电镜中图像的放大是通过多级透镜逐步放大的方式
来实现的。扫描电镜则不然，它的图像扫描范围是固定的，图
像的放大是靠缩小电子束在试样表面上的扫描范围来实现的。
这就要求镜筒中的电子束在试样表面上的扫描与阴极射线管中
的电子束在荧光屏上的扫描保持精确的同步。扫描区域一般都
是方的。由大约 1000条扫描线组成。如果入射电子束在试样表
面的扫描幅度为 A1，阴极射线管中电子束在荧光屏上的扫描幅
度为 A2，那么图像的放大倍数就是
12 AAM ?
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.1 放大倍数
如果照相用阴极射线管荧光屏的尺寸为 100× 100mm2，即
A 2＝ 100mm，而电子束在试样表面的扫描幅度可根据需要通
过扫描放大控制器加以调节。荧光屏上扫描像的放大倍数随
A1的缩小而增大。现在的扫描电镜在底片上打印出的是标尺。
改变扫描电镜的放大倍数是十分容易的事。目前大多数商
品扫描电镜的放大倍数均可以从 20倍连续调节到 20万倍左右。
对于高分子材料试样，实际上在 3万倍时，图像质量就较差了。
31
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
分辨本领 (或称 分辨率 )是扫描电镜的又一个主要的性能指
标。它可以用能够清楚地分辨的两个点或两个细节间的最小距
离来衡量，因而就与所选用的细节形状和它们相对于背景的衬
度等因素有关。具体的测定方法有两种：一种是测量相邻两条
亮线中心间的距离，所测得的最小值除以总放大倍数，就是分
辨本领；另一种是测量暗区的宽度，把测得的最小宽度除以总
放大倍数定为分辨本领 (图 10-4)。一般说来，在同一张照片上，
用后一种方法测得的分辨本领要稍高些。
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
影响扫描电镜分辨本领的主要
因素是入射电子束的直径与试样对
入射电子的散射状况。扫描电镜的
分辨本领不能小于电子束斑点的直
径。由于入射电子要受到试样的散
射，其有效斑点尺寸要大于入射斑
点的尺寸。
散射程度则依赖于加速电压、接收的信号种类和试样本身的
性质等。此外，信噪比、杂散电磁场及机械震动等因素都要影
响分辨率。下面讨论几种信号成像时的分辨本领。
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
1．二次电子成像时的分辨本领
这种情况下所接受的信号来自于试样表面发出的二次电子，
其能量较低，为 0～ 50eV。二次电子只能从试样表面很薄的一
层区域内激发出来，其厚度为 5～ 10nm(图 10-5)。所以入射电子
束斑点的大小直接决定了二次电子像的分辨率。
二次电子有两种途径产生，即入射电子束进入试样时激发
出的二次电子，和由背散射电子穿出试样表面时激发的二次电
子。前者能显示试样表面的细节，而后者的产生与试样表面状
况无关，故只能形成本底噪音。二次电子像特别适合于研究试
样表面的形貌。
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
背散射电子的能量较大，基
本上和入射电子的能量接近，它
们是从试样表面以下 10nm～
1?m 处背散射出来的。由图 10-5
可以看到，漫散射所引起的散射
范围扩展效应使背散射电子显微
像的分辨率显著下降，一般达
50～ 200nm。
2．背散射电子成像时的分辨本领
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
这种图像反映的是试样表面下较深层的情况。而且背散
射电子信号的强度与试样的平均原子序数有关。因此背散射
电子不仅可以显示出试样起伏的形貌，还可以反映出试样的
平均原子序数效应。
3．吸收电子成像时的分辨本领
吸收电子像以试样到地的电流为信号，它与背散射电子像
和二次电子像的衬度互补。试样任何一处的二次电子或背散
射电子的增加，将导致吸收电流的相应减小。由于电子的吸
收发生在整个电子散射区，所以其图像的分辨率较低，一般
仅为 ?m的数量级。
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
4．扫描透射电子显微像的分辨率
透射电子成像时所接受的信号来自于透过试样薄膜的电子。
在扫描透射成像时所用的试样可以比普通透射电镜中的试样厚
些，所得图像的衬度也会更好些。由于所用样品很薄，在入射
电子穿透试样的过程中只能发生不多次的散射，散射范围的扩
展很小，所以其图像的分辨率基本上等于扫描电子束斑的直径，
即 5～ 10nm。这一分辨率和二次电子像的分辨率相仿，但比普
通透射电子显微像的分辨率差许多。
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10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
5,X射线扫描像的分辨率
X射线扫描像指的是入射电子束在试样表面扫描时，谱仪
固定接收试样中某一特定元素的特征 X射线信号，并以它来调
制阴极射线管荧光屏的亮度而得到的该元素浓度分布的扫描
图像。图像中较亮的区域相应于样品表面该元素含量较高的
地方。通常在不同区域间浓度相差两倍以上时，才能得到衬
度较好的面扫描图像。 X射线发射区处于试样表面以下 1～
7?m的深层。该处的电子散射区域扩展效应很大，使得这种
图像的分辨率仅为 ?m的数量级。
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10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
扫描电子显微像的衬度原理明显地不同于透射电子显微
像的衬度原理。因此不仅对图像的解释各不相向，而且对衬
度的调节也各有方法。扫描像的衬度不仅强烈地依赖于试样
本身的材质，而且还可以十分容易地受控于对检测到信号的
处理技术。
试样表面微区的形貌、原子序数的差异是产生扫描电子
显微像衬度的主要原因。 ?控制、等高线、灰电平和衬度扩
展等信号处理方法可以快速而又方便地改变图像的衬度。本
节仅对衬度的形成和调节加以简要的讨论。
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10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
聚合物试样表面也无非是由一些具有不同倾斜角的大小刻
面、曲面、尖棱、小粒子和沟槽等表面形貌基元组合而成的。
通常选用二次电子信号来显示试样表面形貌。这是因为二次电
子信号主要来自样品表面下 5～ 10nm以内的浅层，其信号强度
与原子序数没有明显的依赖性，而对微区刻面相对于入射电子
束的位向却十分敏感的缘故。再加上二次电子像的分辨率较高，
也有利于辨认表面形貌的细节。
在扫描电镜中，二次电子检测器一般安装在试样上侧与入
射电子束轴线垂直的方向上。
40
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
能量低于 50eV的二次电子在收集罩上所加的 250～ 500V正
偏压的吸引下，可以弯曲的轨迹穿过收集罩到达闪烁体，如图
10-6所示。这就增大了二次电子的有效收集立体角，提高了它
的信号强度。而且也使不朝向检测器的那些刻面和被挡住的那
些区域发射的二次电子仍有相当一部分可以通过弯曲的轨迹到
达检测器。
有利于显示那些刻面和区域
的表面形貌的细节，而不致于形
成阴影。
41
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
为了阐明二次电子信号对刻面位向的敏感性，可以先来考
察一个平表面试样的二次电子产额 ?对试样平表面法线的倾斜角
?的依赖关系 (图 10-7)。
42
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
所谓 二次电子产额 是指二次电子信号强度 is与入射电子束强
度 ip的比值，即 ?＝ is/ip。而试样平表面法线的倾斜角 ?则用该法
线与入射电子束轴线间的夹角来衡量。实测结果表明，随着 ?
的增大，也即随着试样的平表面逐步朝向电子检测器，二次电
子的产额不断地增大，特别是在 ?＞ 40?以上 (见图 10-8)。
这是因为随着 ?的增大，入射电子束在试样的 5～ 10nm浅表
层内运动的总轨迹增长了，使沿途撞击出来的二次电子数增多。
?的增大也使入射电子束作用体积更靠近试样的表层，导致此
体积内所产生的大量自由电子离开表面的机会增大。
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10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
44
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
如果有一块试样如图 10-9中的 (a)所示，由 4个刻面 A,B,C
和 D组成。其中 ?C＞ 0,?B ＜ 0,?A ＝ ?D＝ 0，所以信号强度
(Sse)C＞ (Sse)A＝ (Sse)D＞ (Sse)B,如图 (b)所示。这个试样的扫描
电子显微像的衬度分布如图 (c)所示，其中 C刻面最亮,B刻面
最暗。如果试样表面有尖棱、小粒子和坑穴边缘存在，由图
10-10可看出，入射电子束的作用体积十分靠近试样表面，大
大增加了二次电子的产额，使扫描电子显微像上与之对应的部
位显得特别亮。掌握了这些表面形貌基元的衬度特征，有助于
解释更加复杂的试样表面的扫描电子显微像。
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10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
背散射电子信号虽然也可用来显示试样的表面形貌，但它
对试样表面形貌的变化并不敏感，而对原子序数效应却相当敏
感，且背散射电子的能量较高，离开试样表面后近似沿直线轨
迹运动，有效收集立体角小，只能检测到直接射向检测器的背
散射电子，而检测不到那些背向检测器的刻面和被挡住的区域
产生的背散射电子，致使在扫描电子显微像上产生阴影，掩盖
了那些部位的表面细节。
46
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
扫描电子束入射试样时产生的背散射电子、吸收电子和特
征 X射线等信号对试样表层微区的原子序数或化学成分的差异
相当敏感。实验指出，当入射电子的能量为 10～ 40keV时，试
样的背散射系数 ?随元素原子序数 Z的
增大而增加，如图 10-11所示。所谓
背散射系数 是指背散射电子信号的强
度 ib与入射电子强度 ip的比值，即 ?＝
ib / ip。
47
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
? 随 Z而增大是因为入射电子与试样表层作用时产生大角
度弹性散射的比例随原子序数的增大而增多的缘故。 总的来
说，背散射系数对于碘以前的元素，随原子序数的变化还是
相当敏感的。背散射系数越大，背散射电子信号越强，在背
散射电子像上显示出较亮的衬度。
我们可以根据这种衬度来观察多相体系的结构。但是在
通常的扫描电镜中都采用加负偏压的二次电子探测器作为背
散射电子探测器，它对各微区的平均原子序数的差异并不敏
感。而通常的聚合物多相体系中各组分间的平均原子序数差
别本来就不大，所以原子序数衬度效应并不明显。
48
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
只是对于一些特殊的聚合物多相体系可利用这种衬度成
像。例如掺金属的导电纤维和导电塑料以及掺碘的结构型导
电聚合物和其它聚合物的共混体系。
也有专用的背散射电子探测器对各微区的平均原子序数
差异十分敏感，相差 10-1时就能有明显的衬度差别。这种探测
器十分有利于聚合物多相体系的研究。
49
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
另外，还可以利用特征 X射线的原子序数衬度来成像。这
就是让扫描电子束在试样表面作光栅式扫描，并让谱仪专门接
收其中某一元素的特征 X射线，用这种射线来调制荧光屏亮度，
以获得该特征 X射线的面扫描像。由它可得到关于某元素浓度
在试样表面分布状况的信息。通常在不同微区间的浓度相差二
倍以上时，才能得到原子序数衬度较好的面扫描像。
在拍摄特征 X射线的面扫描像时，只有试样表面十分平整
才能提供关于某元素浓度曲面分布不均匀性的确切信息。
50
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.3 扫描电子显微像衬度的调节
?控制是用一个指数放大器来处理信号，使它们按指数律变
更强度。这时，输入信号与输出信号间的强度比为
?1入出 SS ?
由图 10-12可看到，当 ?＝ 1时，即为
线性放大器； ?>1时可用来抑制强信号，
提升弱信号，从而减小图像的反差； ?的
数值越大,?控制效应也越强； ?<1则相
反，弱信号变得更弱，强信号变得相对
更强，从而增大图像的反差。
51
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.3 扫描电子显微像衬度的调节
在观察表面有凹坑的试样时，发自坑内的信号过弱，而
发自凹坑边缘的信号又相对较强。如果为了使各部分的细节
都显示清楚而增加亮度，这时虽然可以多接收一些发自坑内
的信号，但发自凹坑边缘的信号就会过强，甚至烧坏显像管
的荧光屏；如果把亮度降低，则坑内的细节在电子显微像上
就显示不出来。通过 ? 控制处理后，强信号可被抑制到允许
强度以下，而弱信号的强度又可适当提高，从而改善了图像
的衬度，如图 10-13所示。
52
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.3 扫描电子显微像衬度的调节
53
粉状，高分子量 PAM
54
放大倍数相近的 SEM 照片来增加其可比性。图 2 为实验合
成 PAM 的 SEM 照片，从图 2中观察到 PAM 中存在一些多层纤
维层叠状的“结构”，也能看出有纤维状形态及表面略有孔状
结构 ; 从图 2 中也可以看到产品似乎有些粘连，可能是由于它
们具有较大的内比表面积而极易吸潮所致。同样从图 3 中可以
看出国产 PAM 的形态结构，其成大团状，比表面积小，表面
较光滑。 从图 4 中可以看出法国产的 PAM 略具有纤维状结构，
但是其主要是以小团状为主，其表面有明显凸凹。
55
图 2为球形碳酸钙复合物的 SEM照片。复合物 A具有较大
的球体尺寸，约 7-8?m，其所含微晶尺寸在 100nm左右，依层
次阶梯状堆砌，微晶棱角分明，是结晶较完整的方解石型碳酸
钙典型的斜方六面体形貌。复合物 B的球体尺寸略小于 A，约
为 4?m；但其所含微晶为细小颗粒，约 30～ 60nm，无序聚集
体，颗粒间有明显的微间隙。复合物 C大致呈现直径约 2?m球，
但球体形状不太规整，大小差异较大，均匀性略差，其所含微
晶呈碎米粒状，约 50～ 100nm，微晶间存在一定的空隙。复合
物 B,C中的微晶均没有明显的斜方六面体形貌，说明其晶体
生长不太规整。
56
采用荷兰菲利普 S2515 型扫描电镜观察聚氨酯复合
硬泡塑料拉伸断口形貌。
图 3 是 30wt%含量 SiO2 颗
粒填充的聚氨酯复合硬泡塑
料拉伸断口 SEM形貌，由图
3 可观察到体系中 SiO2颗粒
有明显的聚集,这些 SiO2 聚
集区域会形成局部应力集中
区，这是导致体系强度下降
的重要原因。
57
58
图 7 (a) 为玻璃纤维横向分布复合硬泡塑料拉伸断口形貌，
由于横向纤维取向与载荷方向垂直,裂纹容易越过纤维基质界
面而扩展，所以横向分布的纤维本身强度对硬泡强度增强的
贡献相对较小。图 7 (b),7 (c),7 (d)为三种纤维纵向分布时
复合硬泡塑料拉伸断口 SEM 形貌，其胞体尺寸大约为 60 Im,
胞体壁厚大约为 3Im。从图中还可以看出，纵向纤维受力痕
迹非常明显，在较大的拉伸应力作用下，纤维或是断裂，或
是挤压。图中还可以看出断口上还残存一些纤维被拔出的孔
洞，表明纤维和基体之间确实发生了分离。
59
由此可以推断，纤维本身的力学性能对聚氨酯复合硬泡
材料的拉伸强度起重要的作用。从这些图中还可以看出，由
玻璃纤维增强的聚氨酯硬泡的胞体完整性没有由尼龙和碳纤
维增强的聚氨酯硬泡胞体完整性好。在前者的拉伸断口 SEM
扫描图片中，胞体破碎现象比较严重；后两者的胞体则比较
完整。 PAN 基碳纤维的拉伸强度最好，尼龙 66 纤维次之，无
碱 42S 玻璃纤维最差。
60
下图中图 a是它的取向膜中典型的条带织构，相邻白带内
微纤的取向方向是不同的。经浓硫酸蚀刻 0.5h后，在 SEM下
观察到由微纤波浪形组成的条带 (图 b和 c)。用金投影后反差
显著增加 (图 d)。
? 对一种共聚芳酯的条带织构进行了电镜研究，其化学
结构下：
61
a一正交偏光显微镜照片（ 2500X）
62
63
织物是由纱组成的，而纱又是由许多单根纤维经纺纱时拧绞
而成的。左图是典型织物的二次电子像。
无纺布是一种新纺织形式的织物，它们比普通织物更不规则，
结构更不均匀。从右图可以看到，经碾压法生产的无纺布中有些
纤维明显变形，纤维完全是无规交叉。图中白色圆点是局部熔融
区，靠这些点将纤维固定在一起。
64
图 16-38所示的是一种用于
分离的功能膜 — 微孔膜。一般
的过滤器能分离出 10～ 1000?m
的颗粒，而微孔膜能分离
0.05～ 1?m甚至更小的小颗粒。
它的孔平行排列，并沿机器方
向取向，孔之间被拉伸了的微
纤分隔开。从未被拉伸的区域
可以看到与机器方向垂直的晶
片。
65
图 16-39所示的是聚缩醛 /
聚丙烯的缺口悬臂梁冲击样
品的断面，可见有 0.5～ 2?m
的分散相颗粒和圆洞，圆洞
是断裂时颗粒被抽出造成的。
该图是垂直断面的 SEI照片，
所以颗粒较圆，如果稍倾斜
样品会不难观察到微区是椭
球形的，其伸长程度可表征
两相粘接性的好坏。
66
从玻纤表面的洁净程度可以判断玻纤与基体高分子间的
粘接好坏。图 16-42a中玻纤表面比较洁净，说明粘接较差；
而 b中玻纤与高分子有较多粘连，因而力学性能较好。
a b
67
图 16-44是一种胶带的
SEM研究实例。试验是先将
两片胶带对粘，再剥离开，
然后作电镜观察。从图上可
见未粘接的高分子胶质为球
状，一旦粘接，可被拉出很
长的丝。因此，电镜可用来
研究粘合剂的粘结性能。
第 10章 聚合物的扫描电子显微术
扫描电镜 (scanning electron microscope,SEM)可以研究
高分子多相体系的微观相分离结构，聚合物树脂粉料的颗粒形
态，泡沫聚合物的孔径与微孔分布，填充剂和增强材料在聚合
物基体中的分布情况与结合状况，高分子材料的表面、界面和
断口，粘合剂的粘结效果及聚合物涂料的成膜特性等。扫描电
镜之所以有如此广泛的用途是因为它有以下一些独特的优点：
(1) 试样制备方法简便
可从一些待研究的样品中直接取样，为了使样品导电以避
免电荷积累，要在聚合物试样的表面蒸镀或溅射上一层金属薄
膜，但此膜的厚度十分有限，故并不改变原有的形貌特征。
2
第 10章 聚合物的扫描电子显微术
(2) 放大倍数在大范围内连续可调
其放大倍数在几十倍至几十万倍内连续可调。即使在高放
大倍数下，也可得到高亮度的清晰图像。
(3) 景深长、视野大
在放大 100倍时，光学显微镜的景深仅为 1?m，而扫描电
镜的景深可达 1mm，增大了 1000倍。随着放大倍数的增大，
景深要缩短。所以扫描电子显微像的立体感强，可以直接观
察到粗糙表面上起伏不平的微细结构。
(4) 分辨本领高
光学显微镜分辨本领的极限值仅为 200nm，而要使扫描电
镜的分辨本领达到 10nm以下并不困难。
3
第 10章 聚合物的扫描电子显微术
(5) 可对试样进行综合分析和动态观察
把扫描电镜和 X能谱微区分析及电子衍射等仪器相结合，
可以在观察微观形貌的同时逐点分析其化学成分和晶体结构，
这样就打破了显微镜只能观察形貌、成分分析仪只能分析成分
的局限性，从而使扫描电镜兼具有电子显微镜、电子衍射仪和
电子探针等待点。扫描电镜的试样室空间很大，可以较方便地
配备拉伸、弯曲、加热或冷却等试样座，对试样进行一系列动
态观察。
(6) 可借助信号处理来调节图像衬度
扫描电镜中被检测的信号在成像前可经过种种处理，以使
图像的衬度得到改善。
4
第 10章 聚合物的扫描电子显微术
(7) 采用极化相纸可立即得到正片
扫描电镜可以用软片记录图像，也可以用极化相纸记录。
极化相纸有两种：一种是只能得到正片，另一种是既能得正
片又能得负片。用极化相纸摄影时，在实验进行过程中就可
立即得知图像质量的优劣。如不满意，可及时重照。
5
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
经电子透镜聚焦以后的高能电子束入射到固体样品表面上，
便与样品中的原子发生碰撞而产生弹性或非弹性散射等一系列
物理效应，如背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、
X射线、俄歇电子、阴极荧光及电子－空穴对，如图 10-1所示。
通过检测这些效应，就可以获得关于样品的表面形貌、组成和
结构的丰富信息。现只介绍与研究聚合物有关的前 4种成像电
子和特征 X射线的产生。
6
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
7
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.1 背散射电子
入射电子中与试样表层原子碰撞发生弹性和非弹性散射后
从试样表面反射回来的那部分一次电子统称为 背散射电子 。发
生弹性碰撞时，入射的高速电子从试样原子核旁经过，在核电
荷的作用下，其运动方向发生偏斜，但能量几乎没有变化。偏
转角度 (也称散射角度 )的大小与试样原子的核电荷量的多少有
关，也与入射电子的能量 (即速度 )有关 (见图 10-2)。发生非弹性
散射时，入射的高速电子向前运动到十分靠近某个核外电子处，
在电场力的作用下把自身的一部分能量转移给核外电子，使它
或者摆脱原子核的束缚而飞离出去，或者被激发到该原子的高
能态轨道上去。
8
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.1 背散射电子
由图 10-2可以看到，入射电
子本身的运动方向也要发生某
种程度的偏斜。但是非弹性散
射的角度要比弹性散射的角度
小得多。
9
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.1 背散射电子
弹性背散射电子是只受到试样原子核单次或很少次大角度
弹性散射后反射回来的入射电子，其能量没有发生变化。通常
把能量稍有变化的反射电子也归于这一类。
非弹性背散射电子是指那些经过几十次或上百次的非弹性
碰撞 (也许含有几次弹性碰撞 )后，最终仍然从样品表面反射回
来的入射电子。它们的能量高于 50eV。
背散射电子反射回来时的方向是不规则的。它们的数量则
与入射角和样品的平均原子序数 有关。 越大，被散射的入
射电子也越多。背散射电子的发射深度约为 10nm～ 1?m。
Z Z
10
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.2 二次电子
进入样品表面的部分一次电子能使样品原子发生单电子激
发，并将其轰击出来。那些被轰击出来的电子称为 二次电子 。
背散射电子在穿出试样表面时，也会激发出一些二次电子，它
们在成像时仅形成本底。
一次电子的能量较低，约为 0～ 50eV，大部分为 2～ 3eV，
其发射深度一般不超过 5～ 10nm。正因为如此，试样深处激发
的二次电子没有足够的能量逸出表面。二次电子的发射与试样
表面的形貌及物理、化学性质有关，所以二次电子像能显示出
试样表面丰富的细微结构。
11
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.3 吸收电子
随着入射电子在试样中发生非弹性散射次数的增多，其能
量不断下降，最后为样品所吸收。如果通过一个高电阻和高灵
敏度的电流表把样品接地，在高电阻或电流表上可检测到样品
对地的电流信号，这就是吸收电子的信号。吸收电流经过适当
放大后也可成像，形成吸收电流像。它很像是背散射电子像的
负片，明暗正好相反。用吸收电流像观察形貌复杂的样品时，
无阴影效应，像的衬度比较柔和。
12
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.4 透射电子
当试样薄至 101nm数量级时，便会有相当数量的入射电子
穿透试样。透射电子像的衬度能够反映试样不同部位的组成、
厚度和晶体取向方面的差异。
13
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.5 特征 X射线
部分入射电子将试样原子中内层 K,L或 M层上的电子激发
后，其外层电子就会补充到这些剩下的空位上去。这时它们的
多余能量便以 X射线形式释放出来。每一元素的核外电子轨道的
能级是特定的，因此所产生的 X射线波长也有特征值。这些 K、
L,M系 X射线的波长一经测定，就可用来确定发出这种 X射线
的元素。测定了这种 X射线的强度，就可确定该元素的含量。
测定 X射线波长有两种仪器：一种是 X射线能谱仪。它采用
锂漂移硅探测器检测，通过多道分析器和数据处理可迅速进行
元素分析。此法的灵敏度较高，但缺点是定量精度差；
14
10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
? 10.1.5 特征 X射线
另一种是 X射线波谱仪。它采用 X射线在晶体上衍射的方法
来确定 X射线波长，其定量精度较高，但分析速度较慢。
也可以用特征 X射线来调制显像管以获得试样中所含某元素
的线分布或面分布像。
15
10.2 扫描电镜的结构
可以把它分解为 5个
部分：电子光学系统、
扫描系统、信号检测系
统、显示系统和试样放
置系统。
16
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.1 电子光学系统
电子光学系统通常称为镜筒，由电子枪、二级或三级缩
小电磁透镜及光阑、合轴线圈、消像散器等辅助装置组成。
它们的作用是提供一束直径足够小、亮度足够高的扫描电子
束。实现这一目标的第一步就是选择合适的电子枪。目前有 3
种电子枪：发叉式钨丝热阴极电子枪、六硼化镧 (LaB6)阴极
电子枪和场发射电子枪。前两种均属热发射电子枪，后一种
为冷发射电子枪。它们的性能如表 10-2所示。场发射电子枪
在强电场作用下可以达到很高的电子发射率。使电子源的直
径可缩小至 10nm。但这种电子枪要求有 10-7～ 10-8Pa的高真
空度。它是高分辨率扫描电镜的理想电子源。
17
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.1 电子光学系统
扫描电镜的分辨率在最佳条件下基本上与到达样品表面时
的扫描电子束的直径相等。三级磁透镜的作用就是逐级缩小电
子束的直径。只有当总缩小率小于 1/5000时，才能获得直径小
于 10nm的电子束，才有可能使仪器的最佳分辨率小于 10nm。
前二级透镜也因此而被称为 第一和第二聚光镜 。第三个聚光镜
又称为物镜。通过它把扫描电子束会聚到试样表面。
18
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.1 电子光学系统
会聚镜光阑的作用是挡掉无用的杂散电子以保证获得微
细的扫描电子束，而又不致明显地减弱其亮度，还可以降低
噪声本底和防止绝缘物带电。第二聚光镜的光阑还可用来控
制选区衍射时电子束的发散角。
物镜光阑的作用是限制扫描电子束入射试样时的发散度
(它是物镜光阑的半径和光阑到试样表面的距离之比 )。减小
物镜光阑的孔径，可以减小物镜的球差，提高分辨本领和改
善景深，从而提高图像的质量和增强图像的立体感。
19
扫描电镜的结构
和工作原理
20
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.2 扫描系统
这一系统的作用是驱使电子束以不同的速度和不同的方式
在试样表面扫描，以适应各种观察方式的需要和获得合理的信
噪比。目前扫描电镜的最高扫描频率与电视接收频率相同。
快速扫描在调整成像时使用，或在作动态观察时使用。其
信噪比低，图像质量较差。慢扫描一般都用于记录图像。在高
倍工作时，由于束流很小，有了足够长的信号收集时间便可以
提高信噪比，从而改善图像质量。最慢的扫描时间可长达每帧
100秒或数百秒。
21
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.2 扫描系统
扫描电镜能提供的扫描方式也有几种。最常用的是 面扫描,
用于观察试样的表面形貌或某元素在试样表面的分布。 点扫
描 主要用于对试样表面的特定部位作 X射线元素分析。 线扫描
可以在元素分析时用来观察沿某一直线的分布状况。
镜筒中电子束的扫描与显像管中电子束的扫描是由同一扫
描发生器驱动的。因此两者完全同频地扫描，以形成逐点对
应的图像。图像的放大倍数通过改变电子束在试样表面的扫
描幅度加以调节。
22
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
对于入射电子束和试样作用时产生的各种不同的信号，必
须采用相应的信号探测器，把这些信号转换成电信号加以放大。
现将几种探测器简介如下。
1．二次电子探测器
二次电子探测器一般都采用 闪烁体－光导－光电倍增管 系
统。这种方法可获得较高的增益和信噪比。闪烁体是受电子轰
击后可发光的物体。其作用是把电子的动能转换成光能。闪烁
体发出的光信号通过光导耦合到光电倍增管阴极，把光信号转
换成电信号。经光电倍增管多级倍增放大，得到较大的输出信
号。再经视频放大器放大后，用以调制显像管成像。
23
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
2．背散射电子探测器
最简便的背散射电子检测方法是利用在收集罩上加了负偏
压的二次电子探测器。这时二次电子被排斥，只有高能的背散
射电子才能穿过收集罩进入闪烁体。由子背散射电子的能量较
大，收集的效率取决于截获背散射电子的立体角，故其收集效
率要比二次电子低得多。
3．试样电流放大器
试样电流放大器能把试样所吸收的电子、试样中被激发的
电子－空穴对等信号加以放大并成像。其收集电流必须大于
10-8A，这时不可能得到分辨率高的图像。
24
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
若把束流减小，信噪比也随之下降，所得的图像会因噪声
较大而变得模糊。
4．透射电子接收器
在试样室的下面有一个透射电子室。内有透射电子接收器，
还有两块光阑片。一块是中心孔光阑，用来保留中心束以获得
明场像，另一块则用来挡住中心束以获得暗场像。室内另有一
组扫描线圈，用以获得电子衍射图像。
5,X射线探测器
通常的扫描电镜都可配以 X射线谱仪，使仪器兼有电子探针
仪的功能。
25
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
有的可配 X射线波谱仪 (WDX)，有的可配 X射线能谱仪
(EDX)，也有的两者兼备。这两种 X射线谱仪的作用虽然相似，
但对 X射线的检测方法则完全不同。
X射线波谱仪采用晶体－正比记数管系统作为探测器。仪
器所备的单晶体的晶面间距是已知的，可以根据衍射角来推
算信号 X射线的波长。正比记数管用来收集被衍射的 X射线，
并用电子分析系统来确定它的记数。其定量精度较高，但分
析速度较慢。
26
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.3 信号检测系统
X射线能谱仪的传感器是一个半导体二级管－锂漂移硅探
测器。当不同能量的 X射线照射到锂漂移硅探测器时，会使它
产生与入射 X射线能量成比例数量的电子－空穴对，从而形成
幅度与光量子能量成比例的电脉冲。通过多道分析器和数据
处理系统能快速进行元素分析，显示出元素的存在状况，定
性或半定量地给出它们的含量。
这种方法的灵敏度高，但定量精度差，且限于测原子序
数大于 10的元素。因此在分析聚合物时不能用来分析通常的
含 C,H,O,N等元素组成的聚合物，但可以用来分析含 Si，
S等元素的聚合物及聚合物中所含的杂质。
27
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.4 显示系统
它的作用是把已放大的被检信号显示成相应的图像，并加
以记录。为了达到图像观察和图像记录两个目的，一般扫描电
镜都采用一只长余辉显像管来显示图像和一只短余辉显像管来
记录图像。显像管本身的分辨率，即每帧能容纳的行数，对成
像质量有很大影响。 显像管的分辨率 高表示所能显示的像素也
多。在图像记录时扫描电镜最常用的是 1000行 /帧。这时包含的
像素为 1000× 1000＝ 106(个 )。如果显像管本身的分辨率不高，
即显像管的电子束在荧光屏上的光斑太大，就不能包含这么多
的像素，所以无法容纳检测系统所获得的信息量。
28
10.2 扫描电镜的结构
? 10.2.5 试样室和试样座
扫描电镜所观察的试样一般是大块的和表面粗糙的，必须
将其放在物镜的磁场之外，而不能像透射电镜那样置于物镜的
磁场之中。在实际的扫描电镜中，试样室位于电子光学系统之
下紧靠物镜的地方。放在这样的位置有优点，也有缺点。 优点
是试样室的容积很大，可以配置具有 x,y,z、旋转角和倾斜
角 5个自由度的试样座，也能够安装供进行动态观察的拉伸台、
弯曲台、加热台等专用试样座以及 X射线能谱仪和 X射线波谱
仪等附件。这种放置方法的 缺点 是物镜的色差和球差要比透射
电镜大 10～ 20倍，影响仪器的分辨本领。
29
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.1 放大倍数
在透射电镜中图像的放大是通过多级透镜逐步放大的方式
来实现的。扫描电镜则不然，它的图像扫描范围是固定的，图
像的放大是靠缩小电子束在试样表面上的扫描范围来实现的。
这就要求镜筒中的电子束在试样表面上的扫描与阴极射线管中
的电子束在荧光屏上的扫描保持精确的同步。扫描区域一般都
是方的。由大约 1000条扫描线组成。如果入射电子束在试样表
面的扫描幅度为 A1，阴极射线管中电子束在荧光屏上的扫描幅
度为 A2，那么图像的放大倍数就是
12 AAM ?
30
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.1 放大倍数
如果照相用阴极射线管荧光屏的尺寸为 100× 100mm2，即
A 2＝ 100mm，而电子束在试样表面的扫描幅度可根据需要通
过扫描放大控制器加以调节。荧光屏上扫描像的放大倍数随
A1的缩小而增大。现在的扫描电镜在底片上打印出的是标尺。
改变扫描电镜的放大倍数是十分容易的事。目前大多数商
品扫描电镜的放大倍数均可以从 20倍连续调节到 20万倍左右。
对于高分子材料试样，实际上在 3万倍时，图像质量就较差了。
31
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
分辨本领 (或称 分辨率 )是扫描电镜的又一个主要的性能指
标。它可以用能够清楚地分辨的两个点或两个细节间的最小距
离来衡量，因而就与所选用的细节形状和它们相对于背景的衬
度等因素有关。具体的测定方法有两种：一种是测量相邻两条
亮线中心间的距离，所测得的最小值除以总放大倍数，就是分
辨本领；另一种是测量暗区的宽度，把测得的最小宽度除以总
放大倍数定为分辨本领 (图 10-4)。一般说来，在同一张照片上，
用后一种方法测得的分辨本领要稍高些。
32
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
影响扫描电镜分辨本领的主要
因素是入射电子束的直径与试样对
入射电子的散射状况。扫描电镜的
分辨本领不能小于电子束斑点的直
径。由于入射电子要受到试样的散
射，其有效斑点尺寸要大于入射斑
点的尺寸。
散射程度则依赖于加速电压、接收的信号种类和试样本身的
性质等。此外，信噪比、杂散电磁场及机械震动等因素都要影
响分辨率。下面讨论几种信号成像时的分辨本领。
33
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
1．二次电子成像时的分辨本领
这种情况下所接受的信号来自于试样表面发出的二次电子，
其能量较低，为 0～ 50eV。二次电子只能从试样表面很薄的一
层区域内激发出来，其厚度为 5～ 10nm(图 10-5)。所以入射电子
束斑点的大小直接决定了二次电子像的分辨率。
二次电子有两种途径产生，即入射电子束进入试样时激发
出的二次电子，和由背散射电子穿出试样表面时激发的二次电
子。前者能显示试样表面的细节，而后者的产生与试样表面状
况无关，故只能形成本底噪音。二次电子像特别适合于研究试
样表面的形貌。
34
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
背散射电子的能量较大，基
本上和入射电子的能量接近，它
们是从试样表面以下 10nm～
1?m 处背散射出来的。由图 10-5
可以看到，漫散射所引起的散射
范围扩展效应使背散射电子显微
像的分辨率显著下降，一般达
50～ 200nm。
2．背散射电子成像时的分辨本领
35
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
这种图像反映的是试样表面下较深层的情况。而且背散
射电子信号的强度与试样的平均原子序数有关。因此背散射
电子不仅可以显示出试样起伏的形貌，还可以反映出试样的
平均原子序数效应。
3．吸收电子成像时的分辨本领
吸收电子像以试样到地的电流为信号，它与背散射电子像
和二次电子像的衬度互补。试样任何一处的二次电子或背散
射电子的增加，将导致吸收电流的相应减小。由于电子的吸
收发生在整个电子散射区，所以其图像的分辨率较低，一般
仅为 ?m的数量级。
36
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
4．扫描透射电子显微像的分辨率
透射电子成像时所接受的信号来自于透过试样薄膜的电子。
在扫描透射成像时所用的试样可以比普通透射电镜中的试样厚
些，所得图像的衬度也会更好些。由于所用样品很薄，在入射
电子穿透试样的过程中只能发生不多次的散射，散射范围的扩
展很小，所以其图像的分辨率基本上等于扫描电子束斑的直径，
即 5～ 10nm。这一分辨率和二次电子像的分辨率相仿，但比普
通透射电子显微像的分辨率差许多。
37
10.3 扫描电镜的放大倍数和分辨本领
? 10.3.2 分辨本领
5,X射线扫描像的分辨率
X射线扫描像指的是入射电子束在试样表面扫描时，谱仪
固定接收试样中某一特定元素的特征 X射线信号，并以它来调
制阴极射线管荧光屏的亮度而得到的该元素浓度分布的扫描
图像。图像中较亮的区域相应于样品表面该元素含量较高的
地方。通常在不同区域间浓度相差两倍以上时，才能得到衬
度较好的面扫描图像。 X射线发射区处于试样表面以下 1～
7?m的深层。该处的电子散射区域扩展效应很大，使得这种
图像的分辨率仅为 ?m的数量级。
38
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
扫描电子显微像的衬度原理明显地不同于透射电子显微
像的衬度原理。因此不仅对图像的解释各不相向，而且对衬
度的调节也各有方法。扫描像的衬度不仅强烈地依赖于试样
本身的材质，而且还可以十分容易地受控于对检测到信号的
处理技术。
试样表面微区的形貌、原子序数的差异是产生扫描电子
显微像衬度的主要原因。 ?控制、等高线、灰电平和衬度扩
展等信号处理方法可以快速而又方便地改变图像的衬度。本
节仅对衬度的形成和调节加以简要的讨论。
39
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
聚合物试样表面也无非是由一些具有不同倾斜角的大小刻
面、曲面、尖棱、小粒子和沟槽等表面形貌基元组合而成的。
通常选用二次电子信号来显示试样表面形貌。这是因为二次电
子信号主要来自样品表面下 5～ 10nm以内的浅层，其信号强度
与原子序数没有明显的依赖性，而对微区刻面相对于入射电子
束的位向却十分敏感的缘故。再加上二次电子像的分辨率较高，
也有利于辨认表面形貌的细节。
在扫描电镜中，二次电子检测器一般安装在试样上侧与入
射电子束轴线垂直的方向上。
40
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
能量低于 50eV的二次电子在收集罩上所加的 250～ 500V正
偏压的吸引下，可以弯曲的轨迹穿过收集罩到达闪烁体，如图
10-6所示。这就增大了二次电子的有效收集立体角，提高了它
的信号强度。而且也使不朝向检测器的那些刻面和被挡住的那
些区域发射的二次电子仍有相当一部分可以通过弯曲的轨迹到
达检测器。
有利于显示那些刻面和区域
的表面形貌的细节，而不致于形
成阴影。
41
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
为了阐明二次电子信号对刻面位向的敏感性，可以先来考
察一个平表面试样的二次电子产额 ?对试样平表面法线的倾斜角
?的依赖关系 (图 10-7)。
42
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
所谓 二次电子产额 是指二次电子信号强度 is与入射电子束强
度 ip的比值，即 ?＝ is/ip。而试样平表面法线的倾斜角 ?则用该法
线与入射电子束轴线间的夹角来衡量。实测结果表明，随着 ?
的增大，也即随着试样的平表面逐步朝向电子检测器，二次电
子的产额不断地增大，特别是在 ?＞ 40?以上 (见图 10-8)。
这是因为随着 ?的增大，入射电子束在试样的 5～ 10nm浅表
层内运动的总轨迹增长了，使沿途撞击出来的二次电子数增多。
?的增大也使入射电子束作用体积更靠近试样的表层，导致此
体积内所产生的大量自由电子离开表面的机会增大。
43
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
44
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
如果有一块试样如图 10-9中的 (a)所示，由 4个刻面 A,B,C
和 D组成。其中 ?C＞ 0,?B ＜ 0,?A ＝ ?D＝ 0，所以信号强度
(Sse)C＞ (Sse)A＝ (Sse)D＞ (Sse)B,如图 (b)所示。这个试样的扫描
电子显微像的衬度分布如图 (c)所示，其中 C刻面最亮,B刻面
最暗。如果试样表面有尖棱、小粒子和坑穴边缘存在，由图
10-10可看出，入射电子束的作用体积十分靠近试样表面，大
大增加了二次电子的产额，使扫描电子显微像上与之对应的部
位显得特别亮。掌握了这些表面形貌基元的衬度特征，有助于
解释更加复杂的试样表面的扫描电子显微像。
45
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.1 表面形貌衬度
背散射电子信号虽然也可用来显示试样的表面形貌，但它
对试样表面形貌的变化并不敏感，而对原子序数效应却相当敏
感，且背散射电子的能量较高，离开试样表面后近似沿直线轨
迹运动，有效收集立体角小，只能检测到直接射向检测器的背
散射电子，而检测不到那些背向检测器的刻面和被挡住的区域
产生的背散射电子，致使在扫描电子显微像上产生阴影，掩盖
了那些部位的表面细节。
46
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
扫描电子束入射试样时产生的背散射电子、吸收电子和特
征 X射线等信号对试样表层微区的原子序数或化学成分的差异
相当敏感。实验指出，当入射电子的能量为 10～ 40keV时，试
样的背散射系数 ?随元素原子序数 Z的
增大而增加，如图 10-11所示。所谓
背散射系数 是指背散射电子信号的强
度 ib与入射电子强度 ip的比值，即 ?＝
ib / ip。
47
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
? 随 Z而增大是因为入射电子与试样表层作用时产生大角
度弹性散射的比例随原子序数的增大而增多的缘故。 总的来
说，背散射系数对于碘以前的元素，随原子序数的变化还是
相当敏感的。背散射系数越大，背散射电子信号越强，在背
散射电子像上显示出较亮的衬度。
我们可以根据这种衬度来观察多相体系的结构。但是在
通常的扫描电镜中都采用加负偏压的二次电子探测器作为背
散射电子探测器，它对各微区的平均原子序数的差异并不敏
感。而通常的聚合物多相体系中各组分间的平均原子序数差
别本来就不大，所以原子序数衬度效应并不明显。
48
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
只是对于一些特殊的聚合物多相体系可利用这种衬度成
像。例如掺金属的导电纤维和导电塑料以及掺碘的结构型导
电聚合物和其它聚合物的共混体系。
也有专用的背散射电子探测器对各微区的平均原子序数
差异十分敏感，相差 10-1时就能有明显的衬度差别。这种探测
器十分有利于聚合物多相体系的研究。
49
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.2 原子序数衬度
另外，还可以利用特征 X射线的原子序数衬度来成像。这
就是让扫描电子束在试样表面作光栅式扫描，并让谱仪专门接
收其中某一元素的特征 X射线，用这种射线来调制荧光屏亮度，
以获得该特征 X射线的面扫描像。由它可得到关于某元素浓度
在试样表面分布状况的信息。通常在不同微区间的浓度相差二
倍以上时，才能得到原子序数衬度较好的面扫描像。
在拍摄特征 X射线的面扫描像时，只有试样表面十分平整
才能提供关于某元素浓度曲面分布不均匀性的确切信息。
50
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.3 扫描电子显微像衬度的调节
?控制是用一个指数放大器来处理信号，使它们按指数律变
更强度。这时，输入信号与输出信号间的强度比为
?1入出 SS ?
由图 10-12可看到，当 ?＝ 1时，即为
线性放大器； ?>1时可用来抑制强信号，
提升弱信号，从而减小图像的反差； ?的
数值越大,?控制效应也越强； ?<1则相
反，弱信号变得更弱，强信号变得相对
更强，从而增大图像的反差。
51
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.3 扫描电子显微像衬度的调节
在观察表面有凹坑的试样时，发自坑内的信号过弱，而
发自凹坑边缘的信号又相对较强。如果为了使各部分的细节
都显示清楚而增加亮度，这时虽然可以多接收一些发自坑内
的信号，但发自凹坑边缘的信号就会过强，甚至烧坏显像管
的荧光屏；如果把亮度降低，则坑内的细节在电子显微像上
就显示不出来。通过 ? 控制处理后，强信号可被抑制到允许
强度以下，而弱信号的强度又可适当提高，从而改善了图像
的衬度，如图 10-13所示。
52
10.4 扫描电子显微像的衬度及其调节
? 10.4.3 扫描电子显微像衬度的调节
53
粉状，高分子量 PAM
54
放大倍数相近的 SEM 照片来增加其可比性。图 2 为实验合
成 PAM 的 SEM 照片，从图 2中观察到 PAM 中存在一些多层纤
维层叠状的“结构”，也能看出有纤维状形态及表面略有孔状
结构 ; 从图 2 中也可以看到产品似乎有些粘连，可能是由于它
们具有较大的内比表面积而极易吸潮所致。同样从图 3 中可以
看出国产 PAM 的形态结构，其成大团状，比表面积小，表面
较光滑。 从图 4 中可以看出法国产的 PAM 略具有纤维状结构，
但是其主要是以小团状为主，其表面有明显凸凹。
55
图 2为球形碳酸钙复合物的 SEM照片。复合物 A具有较大
的球体尺寸，约 7-8?m，其所含微晶尺寸在 100nm左右，依层
次阶梯状堆砌，微晶棱角分明，是结晶较完整的方解石型碳酸
钙典型的斜方六面体形貌。复合物 B的球体尺寸略小于 A，约
为 4?m；但其所含微晶为细小颗粒，约 30～ 60nm，无序聚集
体，颗粒间有明显的微间隙。复合物 C大致呈现直径约 2?m球，
但球体形状不太规整，大小差异较大，均匀性略差，其所含微
晶呈碎米粒状，约 50～ 100nm，微晶间存在一定的空隙。复合
物 B,C中的微晶均没有明显的斜方六面体形貌，说明其晶体
生长不太规整。
56
采用荷兰菲利普 S2515 型扫描电镜观察聚氨酯复合
硬泡塑料拉伸断口形貌。
图 3 是 30wt%含量 SiO2 颗
粒填充的聚氨酯复合硬泡塑
料拉伸断口 SEM形貌，由图
3 可观察到体系中 SiO2颗粒
有明显的聚集,这些 SiO2 聚
集区域会形成局部应力集中
区，这是导致体系强度下降
的重要原因。
57
58
图 7 (a) 为玻璃纤维横向分布复合硬泡塑料拉伸断口形貌，
由于横向纤维取向与载荷方向垂直,裂纹容易越过纤维基质界
面而扩展，所以横向分布的纤维本身强度对硬泡强度增强的
贡献相对较小。图 7 (b),7 (c),7 (d)为三种纤维纵向分布时
复合硬泡塑料拉伸断口 SEM 形貌，其胞体尺寸大约为 60 Im,
胞体壁厚大约为 3Im。从图中还可以看出，纵向纤维受力痕
迹非常明显，在较大的拉伸应力作用下，纤维或是断裂，或
是挤压。图中还可以看出断口上还残存一些纤维被拔出的孔
洞，表明纤维和基体之间确实发生了分离。
59
由此可以推断，纤维本身的力学性能对聚氨酯复合硬泡
材料的拉伸强度起重要的作用。从这些图中还可以看出，由
玻璃纤维增强的聚氨酯硬泡的胞体完整性没有由尼龙和碳纤
维增强的聚氨酯硬泡胞体完整性好。在前者的拉伸断口 SEM
扫描图片中，胞体破碎现象比较严重；后两者的胞体则比较
完整。 PAN 基碳纤维的拉伸强度最好，尼龙 66 纤维次之，无
碱 42S 玻璃纤维最差。
60
下图中图 a是它的取向膜中典型的条带织构，相邻白带内
微纤的取向方向是不同的。经浓硫酸蚀刻 0.5h后，在 SEM下
观察到由微纤波浪形组成的条带 (图 b和 c)。用金投影后反差
显著增加 (图 d)。
? 对一种共聚芳酯的条带织构进行了电镜研究，其化学
结构下：
61
a一正交偏光显微镜照片（ 2500X）
62
63
织物是由纱组成的，而纱又是由许多单根纤维经纺纱时拧绞
而成的。左图是典型织物的二次电子像。
无纺布是一种新纺织形式的织物，它们比普通织物更不规则，
结构更不均匀。从右图可以看到，经碾压法生产的无纺布中有些
纤维明显变形，纤维完全是无规交叉。图中白色圆点是局部熔融
区，靠这些点将纤维固定在一起。
64
图 16-38所示的是一种用于
分离的功能膜 — 微孔膜。一般
的过滤器能分离出 10～ 1000?m
的颗粒，而微孔膜能分离
0.05～ 1?m甚至更小的小颗粒。
它的孔平行排列，并沿机器方
向取向，孔之间被拉伸了的微
纤分隔开。从未被拉伸的区域
可以看到与机器方向垂直的晶
片。
65
图 16-39所示的是聚缩醛 /
聚丙烯的缺口悬臂梁冲击样
品的断面，可见有 0.5～ 2?m
的分散相颗粒和圆洞，圆洞
是断裂时颗粒被抽出造成的。
该图是垂直断面的 SEI照片，
所以颗粒较圆，如果稍倾斜
样品会不难观察到微区是椭
球形的，其伸长程度可表征
两相粘接性的好坏。
66
从玻纤表面的洁净程度可以判断玻纤与基体高分子间的
粘接好坏。图 16-42a中玻纤表面比较洁净，说明粘接较差；
而 b中玻纤与高分子有较多粘连，因而力学性能较好。
a b
67
图 16-44是一种胶带的
SEM研究实例。试验是先将
两片胶带对粘，再剥离开，
然后作电镜观察。从图上可
见未粘接的高分子胶质为球
状，一旦粘接，可被拉出很
长的丝。因此，电镜可用来
研究粘合剂的粘结性能。
