第八章 扫描电子显微镜与电子
探针显微分析
序
? 扫描电子显微镜（ Scanning Electron
Microscope，简称 SEM）是继透射电镜（ TEM）
之后发展起来的一种电子显微镜
? 扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或
透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照
明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描
方式照射到试样上，产生各种与试样性质有
关的信息，然后加以收集和处理从而获得微
观形貌放大像。
序
? 在最近 20多年的时间内，扫描电子显微镜
发展迅速，又综合了 X射线分光谱仪、电子
探针以及其它许多技术而发展成为分析型
的扫描电子显微镜，仪器结构不断改进，
分析精度不断提高，应用功能不断扩大，
越来越成为众多研究领域不可缺少的工具，
目前已广泛应用于冶金矿产、生物医学、
材料科学、物理和化学等领域。
SEM
?
SEM
SEM
SEM
特点
? 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达
1.0nm(场发射 ),3.0nm(钨灯丝 )；
? 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），
且连续可调；
? 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大
的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；
? 试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或
不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放
到 SEM中进行观察。一般来说，比透射电子显微镜
（ TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真
实状态；
特点
? 可做综合分析。
? SEM装上波长色散 X射线谱仪（ WDX）（简称波谱仪）
或能量色散 X射线谱仪（ EDX）（简称能谱仪）后，
在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行
元素分析。
? 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或
集成电路的 p-n结及器件失效部位的情况。
? 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处
于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显
微结构形态的动态变化过程（动态观察）。
电子束与固体样品相互作用时产生
的物理信号
一、背散射电子
（ backscattering electron）
? 背散射电于是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分
入射电子。
? 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。
? 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大
于 90?的那些入射电子，其能量基本上没有变化。
? 弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。
? 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹
性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。
? 如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形
成非弹性背散射电子。
一、背散射电子
（ backscattering electron）
? 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，
从数十电子伏到数千电子伏。
? 从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性
背散射电子所占的份额多。
? 背散射电子的产生范围在 1000 ?到 1 ?m深，
由于背散射电子的产额随原子序数的增加
而增加，所以，利用背散射电子作为成像
信号 不仅能分析形貌特征，也可用来显示
原子序数衬度,定性地进行成分分析。
二、二次电子
（ secondary electron）
? 二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。
? 由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此
外层的电子比较容易和原子脱离。当原子的核外
电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量
后，可离开原子而变成自由电子。
? 如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那
些能量尚大于材料逸出功的自由电子可从样品表
面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。
? 一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生
许多自由电子，而在样品表面上方检测到的二次
电子绝大部分来自价电子。
二、二次电子
（ secondary electron）
? 二次电子来自表面 50-500 ?的区域，能量为 0-50
eV。
? 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样
表面的微观形貌。
? 由于它发自试样表面层，入射电子还没有较多次
散射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照
射面积没多大区别。所以二次电子的分辨率较高，
一般可达到 50-100 ?。
? 扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子分辨
率。二次电于产额随原于序数的变化不明显，它
主要决定于表面形貌。
三、吸收电子
（ absorption electron）
? 入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量
损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子
产生），最后被样品吸收。
? 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，
就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收
电子提供的。
? 入射电子束与样品发生作用，若逸出表面的背散
射电子或二次电子数量任一项增加，将会引起吸
收电子相应减少，若把吸收电子信号作为调制图
像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子
像的反差是互补的。
三、吸收电子
（ absorption electron）
? 入射电子束射入一含有多元素的样品时，
由于二次电子产额不受原子序数影响，则
产生背散射电子较多的部位其吸收电子的
数量就较少。
? 因此，吸收电流像可以反映原子序数衬度，
同样也可以用来进行定性的微区成分分析。
四、透射电子
（ transmission electron）
? 如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那
么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而
成为透射电子。
? 一般金属薄膜样品的厚度在 2000-5000 ?左右，
在入射电子穿透样品的过程中将与原子核或核外
电子发生有限次数的弹性或非弹性散射。
? 因此，样品下方检测到的透射电子信号中，除了
有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有
各种不同能量损失的非弹性散射电子。
? 其中有些待征能量损失 ?E的非弹性散射电子和分
析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失
电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。
五、特征 X射线
（ characteristic X-ray）
? 特征 X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能
级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的
一种电磁波辐射。
? 入射电子与核外电子作用，产生非弹性散射，外
层电子脱离原子变成二次电子，使原于处于能量
较高的激发状态，它是一种不稳定态。较外层的
电子会迅速填补内层电子空位，使原子降低能量，
趋于较稳定的状态。
? 具体说来，如在高能入射电子作用下使 K层电子逸
出，原于就处于 K激发态，具有能量 EK。当一个 L2
层电子填补 K层空位后，原于体系由 K激发态变成
L2激发态，能量从 EK降为 EL2，这时就有 ?E＝
(EK-EL2)的能量释放出来。
五、特征 X射线
（ characteristic X-ray）
? 若这一能量以 X射线形式放出，这就是该元素的 K?辐射，
此时 X射线的波长为：
? (8-1)
? 式中,h为普朗克常数,c为光速。对于每一元素,EK、
EL2都有确定的特征值，所以发射的 X射线波长也有特征值，
这种 X射线称为特征 X射线。
? X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：
? (8-2)
? 式中,Z为原子序数,K,?为常数。可以看出，原子序数
和特征能量之间是有对应关系的，利用这一对应关系可以
进行成分分析。如果用 X射线探测器测到了样品微区中存
在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。
K
K L 2
hc
EE??? ?
? ? 2
K
Z
??
??
六、俄歇电子
（ Auger electron）
? 如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能
量 ?E不以 X射线的形式释放，而是用该能量将核
外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种
二次电子叫做俄歇电子。
? 因每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它
们的俄歇电子能量也各有特征值，一般在 50-1500
eV范围之内。俄歇电子是由试样表面极有限的几
个原于层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于
表层化学成分分析。
? 显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能
产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。
其它物理信号
? 除了上述六种信号外，固体样品中还会产
生例如阴极荧光、电子束感生效应和电动
势等信号，这些信号经过调制后也可以用
于专门的分析。
小节
X射线
与物质相互
作用
1.散射 (相干,非相干 )
2.光电效应 (俄歇,二次荧光,光电子 )
3.透射
4.热
电子束
与物质相互
作用
1.背散射 ; 2.二次电子
3.透射电子 ; 4.吸收电子
5.俄歇 ; 6.特征 X射线
7.阴极荧光 ……
§ 8.2 扫描电子显微镜的结构和工
作原理
? 扫描电子显微镜由电子光学
系统、信号收集及显示系统、
真空系统及电源系统组成。
其实物照片以及结构框图如
图 8-2所示。
1．电子光学系统
? 电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描
线圈和样品室等部件组成。
? 其作用是用来获得扫描电子束，作为使样
品产生各种物理信号的激发源。
? 为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。
1．电子光学系统
?
(1)电子枪
（ electron gun）
? 其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产
生高能量的电子束。
? 扫描电子显微镜电子枪与透射电子显微镜
的电子枪相似，只是加速电压比透射电子
显微镜的低。
(2)电磁透镜
（ electromagnetic lens）
? 其作用是把电子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来
直径约 50?m的束斑缩小成一个只有数 nm的细小束
斑。
? 扫描电子显微镜一般由三个聚光镜，前两个聚光
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，具有较长的焦距,该透
镜下方放置祥品，为避免磁场对二次电子轨迹的
干扰，该透镜采用上下极靴不同且孔径不对称的
特殊结构，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，
从而减小了试样表面的磁场强度。
(2)电磁透镜
?
(3)扫描线圈
（ scanning section coil）
? 其作用是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。
? 扫描线圈是扫描电子显微镜的一个重要组件，它一般放在
最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内，使电子
束进入末级透镜强磁场区前就发生偏转，为保证方向一致
的电子束都能通过末级透镜的中心射到样品表面；扫描电
子显微镜采用双偏转扫描线圈。
? 当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下
偏转线圈使它的方向发生第二次转折。在电子束偏转的同
时还进行逐行扫描，电子束在上下偏转线圈的作用下，扫
描出一个长方形，相应地在样品上画出一帧比例图像。
? 如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，
而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为
角光栅扫描或摇摆扫描。
(4)样品室
（ sample chamber）
? 扫描电子显微镜的样品室空间较大，一般可放置 ?20× 10
mm的块状样品。
? 为适应断口实物等大零件的需要，近年来还开发了可放置
尺寸在 ?125mm以上的大样品台。观察时，样品台可根据
需要沿 X,Y及 Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平
轴倾斜。
? 样品室内除放置样品外，还安置备种信号检测器。
? 信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系，如
果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从
而影响分析精度，新型扫描电子显微镜的样品室内还配有
多种附件，可使样品在样品台上能进行加热、冷却、拉伸
等试验，以便研究材料的动态组织及性能。
(4)样品室
2．信号收集和显示系统
? 信号收集和显示系统包括各种信号检测器，前置放大器和
显示装置，其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物
理信号，然后经视频放大，作为显像系统的调制信号，最
后在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描图像。
? 检测二次电子、背散射电子和透射电子信号时可以用闪烁
计数器来进行检测，随检测信号不同，闪烁计数器的安装
位置不同。闪烁计数器由闪烁体、光导管和光电倍增器所
组成。当信号电子进入闪烁体时，产生出光子，光子将沿
着没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大，后又转
化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为
调制信号。
信号收集
?
2．信号收集和显示系统
? 由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束
是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品
上被激发出来的信号强度来调制的，而由
检测器接收的信号强度随样品表面状态不
同而变化，从而，由信号检测系统输出的
反映样品表面状态特征的调制信号在图像
显示和记录系统中就转换成一幅与样品表
面特征一致的放大的扫描像。
3．真空系统和电源系统
? 真空系统的作用是为保证电子光学系统正
常工作，防止样品污染提供高的真空度，
一般情况下要求保持 10-4-10-5 mmHg的真
空度。
? 电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护
电路所组成，其作用是提供扫描电子显微
镜各部分所需要的电源。
二、工作原理
由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压
作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束
会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫
描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。
? 出于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：
二次电子、背散射电子、吸收电子,X射线、俄歇电子、阴极发
光和透射电于等。
? 这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，
调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应
的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像
管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的
方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频传
号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各
种特征图像。
三、扫描电子显微镜的主要性能
? 1．放大倍数（ magnification）
? 2．分辨率（ resolution）
? 3．景深（ depth of field / depth of
focus）
1．放大倍数
（ magnification）
? 当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在
样品表面扫描的幅度为 AS，在荧光屏上阴
极射线同步扫描的幅度为 AC，则扫描电子
显微镜的放大倍数为：
? (8-3)
? 由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定
不变的，因此，放大倍率的变化是通过改
变电子束在试样表面的扫描幅度 AS来实现
的。
C
S
AM
A
?
2．分辨率
（ resolution）
? 分辨率是扫描电子显微镜主要性能指标。对微区
成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成
像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。
? 这两者主要取决于入射电子束直径，电子束直径
愈小，分辨率愈高。
? 但分辨率并不直接等于电子束直径，因为入射电
子束与试样相互作用会使入射电子束在试样内的
有效激发范围大大超过入射束的直径。
2．分辨率
（ resolution）
? 在高能入射电子作
用下，试样表面激
发产生各种物理信
号，用来调制荧光
屏亮度的信号不同，
则分辨串就不同。
? 电子进入样品后,作
用区是一梨形区,激
发的信号产生与不
同深度
2．分辨率
（ resolution）
? 俄歇电子和二次电子
因其本身能量较低以
及平均自由程很短，
只能在样品的浅层表
面内逸出。入射电子
束进入浅层表面时，
尚未向横向扩展开来，
可以认为在样品上方
检测到的俄歇电子和
二次电子主要来自直
径与扫描束斑相当的
圆柱体内。
2．分辨率
（ resolution）
? 入射电子进入样品较深部位
时，已经有了相当宽度的横
向扩展，从这个范围中激发
出来的背散射电子能量较高，
它们可以从样品的较探部位
处弹射出表面，横向扩展后
的作用体积大小就是背散射
电子的成像单元，所以，背
散射电子像分辨率要比二次
电子像低，一般为 500-2000
?。
2．分辨率
（ resolution）
? 扫描电子显微镜的分辨率除受电子束直径
和调制信号的类型影响外，还受样品原于
序数、信噪比、杂散磁场、机械振动等因
素影响。样品原子序数愈大，电子束进入
样品表面的横向扩展愈大，分辨率愈低。
噪音干扰造成图像模糊；磁场的存在改变
了二次电子运动轨迹，降低图像质量；机
械振动引起电子束斑漂移，这些因素的影
响都降低了图像分辨率。
3．景深
（ depth of field / depth of focus）
? 景深是指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一
个能力范围，这个范围用一段距离来表示。如图 8-4所示
? ?为电子束孔径角。可见，电子束孔径角是控制扫描电子显微
镜景深的主要因素，它取决于末级透镜的光阑直径和工作距
离。 ?角很小（约 10-3 rad），所以它的景深很大。它比一般
光学显微镜景深大 100-500倍，比透射电子显微镜的景深大 10
倍。
00
S
2 R 2 RD
t a n
????
??
四、样品制备
? 扫描电于显微镜的最大优点之一是样品制
备方法简单，对金属和陶瓷等块状样品，
只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导
电胶将其粘贴在电镜的样品座上即可直接
进行观察。
? 为防止假象的存在，在放试祥前应先将试
祥用丙酮或酒精等进行清洗．必要时用超
声波振荡器振荡，或进行表面抛光
§ 8.3 表面形貌衬度原理及其应用
? 表面形貌衬度是由于试样表面形貌差别而形成的
衬度。利用对试样表面形貌变化敏感的物理信号
作为显像管的调制信号，可以得到形貌衬度图像。
? 形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、
背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数，
而试样表面微区形貌差别实际上就是各微区表面
相对于入射电子束的倾角不同，因此电子束在试
样上扫描时任何两点的形貌差别，表现为信号强
度的差别，从而在图像中形成显示形貌的衬度。
二次电子像的衬度是最典型的形貌衬度。
表面形貌衬度
? 由于二次电子信号主要来自样品表层 5-l0 nm深度范围，它的
强度与原子序数没有明确的关系，而仅对微区刻面相对于入
射电子束的位向十分敏感，且二次电子像分辨率比较高，所
以特别适用于显示形貌衬度。
? 入射电子束与试样表面法线间夹角愈大，二次电子产额愈大
探测效果
表面形貌衬度的应用
? 基于二次电子像（表面形貌衬度）的分辨
率比较高且不易形成阴影等诸多优点，使
其成为扫描电镜应用最广的一种方式，尤
其在失效工件的断口检测、磨损表面观察
以及各种材料形貌特征观察上，已成为目
前最方便、最有效的手段。
1．材料表面形态（组织）观察
2．断口形貌观察
2．断口形貌观察
3．磨损表面形貌观察
4．纳米结构材料形态观察
5．生物样品的形貌观察
§ 8.4 原子序数衬度原理及其应用
? 原子序数衬度是由于试样表面物质原子序
数（或化学成分）差别而形成的衬度。利
用对试样表面原子序数（或化学成分）变
化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，
可以得到原子序数衬度图像。
? 背散射电子像、吸收电子像的衬度都含有
原子序数衬度，而特征 X射线像的衬度就是
原子序数衬度。
SE and BE
背散射电子
? 背散射电子能量较高．离开样品表面后沿直线轨
迹运动。故检测到的信号强度远低于二次电子，
因而粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所
掩盖。为此，对于显示原子序数衬度的样品，应
进行磨平和抛光，但不能浸蚀。
? 样品表面平均原子序数大的微区，背散射电子信
号强度较高，而吸收电子信号强度较低，因此，
背散射电子像与吸收电子像的衬度正好相反。可
以根据背散射电子像的亮暗衬度来判断相应区域
原子序数的相对高低，对金属及其合金进行显微
组织分析。
原子序数衬度像
背散射电子衍射
? 背散射电子衍射可以
揭示样品的晶体结构
和取向
?
§ 8.5 电子探针 X射线显微分析
? 电子探针 X射线显微分析（简称电子探针显微分析）
（ Electron Probe Microanalysis，简称 EPMA）
是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，
它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，
因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为
有用的分析方法。
? 电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描电子显微
镜相同，只是在检测器部分使用的是 X射线谱仪，
专门用来检测 X射线的特征波长或特征能量，以此
来对微区的化学成分进行分析。
电子探针 X射线显微分析
? 常用的 X射线谱仪有两种：
? 一种是利用特征 X射线的波长不同来展谱，
实现对不同波长 X射线分别检测的波长色散
谱仪，简称波谱仪（ Wavelength
Dispersive Spectrometer，简称 WDS）
? 另一种是利用特征 X射线能量不同来展谱，
的能量色散谱仪，简称能谱仪（ Energy
Dispersive Spectrometer，简称 EDS）。
一、电子探针仪的结构与工作原理
? 电子探针仪的结构示
意图见图 8-23，由图
可见，电子探针仪除 X
射线谱仪外，其余部
分与扫描电子显微镜
相似。
1、波谱仪 （ WDS） 的结构和工作
原理
? X射线波谱仪的谱仪系统 —— 也即 X射线的分光和探测系统
是由分光晶体,X射线探测器和相应的机械传动装置构成
分光和探测原理
? X射线的分光和探测原理,
? 如果我们把分光晶体作适当地弹性弯曲，
并使射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口
位于同一个圆周上，这样就可以达到把衍
射束聚焦的目的。
? 此时，整个分光晶体只收集一种波长的 X射
线，使这种单色 X射线的衍射强度大大提高。
聚焦圆
? 图 8-25是两种 X射线聚焦的方法。第一种方法称
为约翰 (Johann)型聚焦法（图 8-25(a)），虚线圆
称为罗兰圆（ Rowland circle）或聚焦圆。
聚焦圆
? 把单晶体弯曲使它衍射晶面的曲率半径等于聚焦圆半
径 R的两倍，即 2R。当某一波长的 X射线自点光源 S处
发出时，晶体内表面任意点 A,B,C上接收到的 X射线
相对于点光源来说,入射角都相等，由此 A,B,C各点
的衍射线都能在 D点附近聚焦。
? 从图中可以看出，因 A,B,C三点的衍射线并不恰在
一点，故这是一种近似的聚焦方式。
? 另一种改进的聚焦方式叫做约翰逊 (Johansson)型聚
焦法。这种方法是把衍射晶面曲率半径弯成 2R的晶体，
表面磨制成和聚焦圆表面相合 (即晶体表面的曲率半
径和 R相等 )，这样的布置可以使 A,B,C三点的衍射
束正好聚焦在 D点，所以这种方法也叫做完全聚焦法
（图 8-25(b)）。
回转式波谱仪和直进式波谱仪
? 在电子探针中，一般点光源 S不动，改变晶体和探测器
的位置，达到分析检测的目的。根据晶体及探测器运
动方式，可将谱仪分为回转式波谱仪和直进式波谱仪
等。
回转式波谱仪
? 聚焦圆的中心 O固定，分光晶体和检测器在圆
周上以 1,2的角速度运动来满足布拉格衍射
条件。
? 这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而
使 X射线出射方向变化很大，在样品表面不平
度较大的情况下，由于 X射线在样品内行进的
路线不同，往往会造成分析上的误差。
X射线出射方向变化
直进式谱仪
? 直进式谱仪如图 8-26(b)所示，这种谱仪的
特点是分光晶体从点光源 S向外沿着一直线
运动,X射线出射角不变，晶体通过自转改
变 ?角。聚焦圆的中心 O在以 S为中心,R为
半径的圆周上运动。
? 这种谱仪结构复杂，但 X射线照射晶体的方
向固定，使 X射线穿出样品表面过程中所走
的路线相同，也就是吸收条件相同。
直进式谱仪
? 由图中几何条件可知：
? Li = SCi = CiDi = 2Rsin?i (i=1,2,3,… )
? 式中,Li为点光源到分光晶体的距离,?i为衍射角。
? 根据布拉格方程（ Bragg Formula） 2d sin? ＝ ?，则有,?
= KL
? 可见在直进式谱仪中，恃征 X射线的波长直接与分光晶体和
点光源间的距离成正比。 L由小变大意味着被检测的 X射线波
长 ?由短变长，改变 L就能检测到不同波长，即不同元素的 X
射线。
? 由于分光晶体衍射晶面间距是固定的，谱仪的 ?角也只能在
有限的范围以内变动，所以某一特定晶体只能限于检测某 —
波长范围的 X射线。为提高检测效率，电子探针仪通常配有
2-5道谱仪，同一道谱仪装有两块可以交换使用的晶体。
分光晶体
? 分光晶体是专门用来对 X射线起色散（分光）
作用的晶体，它应具有良好的衍射性能、
强的反射能力和好的分辨率。在 X射线谱仪
中使用的分光晶体还必须能弯曲成一定的
弧度、在真空中不发生变化等。
? 各种晶体能色散的 X射线波长范围，取决于
衍射晶面间距 d和布拉格角 ?的可变范围，
对波长大于 2d的 X射线则不能进行色散。
分光晶体
? 谱仪的 ?角有一定变动范围，如 15° -65° ；每一种
晶体的衍射晶面是固定的，因此它只能色散一段波
长范围的 X射线和适用于一定原子序数范围的元素分
析。
? 目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为 4
的铍（ Be）到原子序数为 92的铀（ U）。其中小于氟
（ F）的元素称为轻元素，它们的 X射线波长范围大
约在 18-113 ?。
? 表 8-1列出了波谱仪常用分光晶体的基本参数和可检
测范围。
X射线探测器
? 作为 X射线的探测器，要求有高的探测灵敏
度，与波长的正比性好和响应时间短。
? 波谱仪使用的 X射线探测器有流气正比记数
管、充气正比记数管和闪烁计数管等。
? 探测器每接受一个 X光子输出一个电脉冲信
号。
? 有关 X射线探测器的结构及工作原理可参看
“多晶体 X射线衍射分析方法”一章，此处
不再重复。
X射线记数和记录系统
? X射线探测器（例如正比计数管）输出的电脉冲信
号经前置放大器和主放大器放大后进入脉冲高度
分析器进行脉冲高度甄别。由脉冲高度分析器输
出的标准形式的脉冲信号，需要转换成 X射线的强
度并加以显示，可用多种显示方式。
? 脉冲信号输入计数计，提供在仪表上显示计数率
(cps)读数，或供记录绘出计数率随波长变化（波
谱）用的输出电压；此电压还可用来调制显像管，
绘出电子束在试样上作线扫描时的 X射线强度（元
素浓度）分布曲线。
波长色散谱
2、能谱仪 （ EDS） 的结构和工作原
理
? 能谱仪的主要组成部分如图所示，由探针器、前置放大器、
脉冲信号处理单元、模数转换器、多道分析器、小型计算机
及显示记录系统组成，它实际上是一套复杂的电子仪器。
锂漂移硅 Si(Li)探测器
? 能谱仪使用的是锂漂移硅 Si(Li)探测器，其结构如
图 8-29 所示。
? Si(Li)是厚度为 3-5 mm、直径为 3-10mm的薄片，它
是 p型 Si在严格的工艺条件下漂移进 Li制成的。
? Si(Li)可分为三层，中间是活性区 (1区 )，由于 Li
对 p型半导体起了补偿作用，是本征型半导体。 I区
的前面是一层 0.1 ?m的 p型半导体 (Si失效层 )，在
其外面镀有 20 nm的金膜。 I区后面是一层 n型 Si导
体。
? Si(Li)探测器实际上是一个 p-I-n型二级管，镀金
的 p型 Si接高压负端,n型 Si接高压正端并和前置放
大器的场效应管相连接。
锂漂移硅 Si(Li)探测器
锂漂移硅 Si(Li)探测器
? Si(Li)探测器处于真空系统内，其前方有
一个 7-8 ?m的铍窗，整个探头装在与存有
液氮的杜瓦瓶相连的冷指内。
? 漂移进去的 Li原子在室温很容易扩散，因
此探头必须一直保持在液氟温度下。
? Be窗口使探头密封在低温真空环境之中，
它还可以阻挡背散射电子以免探头受到损
伤。
? 低温环境还可降低前置放大器的噪声，有
利于提高探测器的峰 -背底比．
能谱仪的结构
能谱仪的工作原理
? 由试样出射的具有各种能量的 X光子 (图 8-
29)相继经 Be窗射入 Si(Li)内，在 I区产生
电子 -空穴对。每产生一对电子 -空穴对，
要消耗掉 X光子 3.8 eV的能量。因此每一个
能量为 E的入射光子产生的电子 -空穴对数
目 N＝ E/3.8。
? 加在 Si(Li)上的偏压将电子 -空穴对收集起
来，每入射一个 X光子，探测器输出 — 个微
小的电荷脉冲，其高度正比于入射的 X光子
能量 E。
能谱仪的工作原理
? 电荷脉冲经前置放大器，信号处理单元和模数转
换器处理后以时钟脉冲形式进入多道分析器。
? 多道分析器有一个由许多存储单元（称为通道）
组成的存储器。与 X光子能量成正比的时钟脉冲数
按大小分别进入不同存储单元。
? 每进入一个时钟脉冲数，存储单元记一个光子数，
因此通道地址和 X光子能量成正比，而通道的计数
为 X光子数。
? 最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数
（强度）为纵坐标的 X射线能量色散谱，并显示于
显像管荧光屏上。图 8-30为 NaCl的扫描形貌像及
其能量色散谱。
波谱仪和能谱仪的比较
操作特性 波谱仪（ WDS） 能谱仪（ EDS）
分析方式 用几块分光晶体
顺序进行分析
用 Si(Li) EDS
进行多元素同时分
析
分析元素范围 Z≥4 Z≥11 ( 铍
窗 )
Z≥6 ( 无窗 )
分辨率 与分光晶体有关，
~5 eV
与能量有关，
145~150 eV (5.9
keV)
几何收集效率 改变,< 0.2% < 2%
波谱仪和能谱仪的比较
量子效率 改变,< 30% ~ 100% (2.5~15 keV)
瞬时接收范
围
谱仪能分辨的范
围
全部有用能量范围
最大记数速
率
~ 50000 cps
(在一条谱线上 )
与分辨率有关，使在
全谱范围内得到最佳
分辨时,< 2000 cps
分析精度
(浓度 >10%，
Z>10)
?1~5% ? ?5%
波谱仪和能谱仪的比较
对表面要求 平整，光滑 较粗糙表面也适用
典型数据收集时间 ? 10 min 2~3 min
谱失真 少 主要包括：逃逸峰、峰重叠、
脉冲堆积、电子束散射、铍
窗吸收效应等
最小束斑直径 ~ 200 nm ~ 5 nm
探测极限 0.01~0.1% 0.1~0.5%
对试样损伤 大 小
波谱仪和能谱仪的比较
? 综上所述，波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、
分辨率高，适用于精确的定量分析。其缺点是要求
试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的
束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。
? 能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率等
方面不如波谱仪，但其分析速度快，可用较小的束
流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那
样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使
用。
? 目前扫描电镜与电子探针仪可同时配用能谱仪和波
谱仪，构成扫描电镜 -波谱仪 -能谱仪系统，使两种
谱仪优势互补，是非常有效的材料研究工具。
?
四、电子探针仪的分析方法及应用
? 1．电子探针仪的分析方法
? 电子探针分析有四种基本分析方法,定点
定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定
点定量分析 。
? 准确的分析对实验条件有两大方面的要求。
? 一是对样品有一定的要求：如良好的导电、
导热性，表面平整度等；
? 二是对工作条件有一定的要求：如加速电
压，计数率和计数时间,X射线出射角等。
(1) 定点定性分析
? 定点定性分析是对试样某一选定点（区域）
进行定性成分分析，以确定该点区域内存
在的元素。
? 其原理如下：用光学显微镜或在荧光屏显
示的图像上选定需要分析的点，使聚焦电
子束照射在该点上，激发试样元素的特征 X
射线。
? 用谱仪探测并显示 X射线谱。根据谱线峰值
位置的波长或能量确定分析点区域的试样
中存在的元素。
能谱定性分析
? 能谱谱线的鉴别可以用以下二种方法：
? (1)根据经验及谱线所在的能量位量估计某
一峰或几个峰是某元素的特征 X射线峰，让
能谱仪在荧光屏上显示该元素特征 X射线标
志线来核对；
? (2)当无法估计可能是什么元素时，根据谱
峰所在位置的能量查找元素各系谱线的能
量卡片或能量图来确定是什么元素。
能谱定性分析
? X射线能谱定性分析与定量分析相比，虽然
比较简单、直观，但也必须遵循一定的分
析方法，能使分析结果正确可靠。
? 一般来说，对于试样中的主要元素（例如
含量＞ 10％）的鉴别是容易做到正确可靠
的；但对于试样中次要元素（例如含量在
0.5-10％）或微量元素（例如含量＜ 0.5％）
的鉴别则必须注意谱的干扰、失真、谱线
的多重性等问题，否则会产生错误。
波谱定性分析
? 由于波谱仪的分辨率高（表 8-2），波谱的峰背比
至少是能谱的 10倍，因此对一给定元素，可以在
谱中出现更多的谱线。
? 此外，由于波谱仪的晶体分光特点，对波长为 ?的
X射线不仅可以在 ?＝ ?B处探测到 n＝ 1的一级 X射
线，同时可在其它 ?角处探测到 n = 2,3…… 的高
级衍射线。
? 同样，在某一 ?＝ ?B 处,n＝ 1,?＝ ?1的 X射线可
以产生衍射； n＝ 2,?＝ ?1/2的 X射线也可以产生
衍射，如果波谱仪无法将它们分离，则它们将出
现于波谱的同一波长（ ?角）处而不能分辨。
波谱定性分析
? 例如 SK? (n＝ 1) 线存在于 0.5372 nm处，而 CoK? (n
＝ 1) 存在于 0.1789 nm处，但 CoK? (n＝ 3) 的三级衍
射存在于 3?0.1789 nm＝ 0.5367 nm处，因而,SK? (n
＝ 1) 线和 CoK? (n＝ 3) 线靠得非常近而无法区分。
? 但是,SK?和 CoK?具有不同的能量，它们将使 X射线探
测器输出不同电压脉冲幅度。 CoK?的电压脉冲幅度是
SK?的三倍，因而可根据 SK?电压脉冲信号设置窗口电
压，通过脉冲高度分析器排除 CoK?的脉冲，从而使谱
中 0.5372 nm处仅存在 SK?线。
? 由此可知，波谱定性分析不象能谱定性分析那么简单、
直观，这就要求对波谱进行更合乎逻辑的分析，以免
造成错误。
(2) 线扫描分折
? 使聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直
线（穿越粒子或界面）进行慢扫描,X射线
谱仪处于探测某一元素特征 X射线状态。显
像管射线束的横向扫描与电子束在试样上
的扫描同步，用谱仪探测到的 X射线信号强
度（计数率）调制显像管射线束的纵向位
置就可以得到反映该元素含量变化的特征 X
射线强度沿试样扫描线的分布。
(2) 线扫描分折
? 通常将电子束扫描线，特征 X射线强度分布曲线重叠于二次电
子图象之上可以更加直观地表明元素含量分布与形貌、结构
之间的关系（参见图 8-31）。
(2) 线扫描分折
? 电子束在试样上扫描时，由于样品表面轰击点的变化，波
谱仪将无法保持精确的聚焦条件，为此可将电子束固定不
动而使样品以一定的速度移动，但这样做并不方便，重复
性也不易保证，特别是仍然不能解决粗糙表面分析的困难，
考虑到线扫描分析最多只能是半定量的，因而目前仍较多
采用电子束扫描的方法。如果使用能谱仪，则不存在 X射
线聚焦的问题。
? 线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫
化是十分有效的 。在有关扩散现象的研究中，电子探针比
剥层化学分析、放射性示踪原子等方法更方便。在垂直于
扩散界面的方向上进行线扫描，可以很快显示浓度与扩散
距离的关系曲线，若以微米级逐点分析，即可相当精确地
测定扩散系数和激活能。
(3) 面扫描分析
? 聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描,X射线谱仪
处于能探测某一元素特征 X射线状态，用谱仪输出
的脉冲信号（用波谱仪时为经放大的脉冲信号，
用能谱仪时，为多道分析器的相应于该元素 X射线
能量通道输出的信号）调制同步扫描的显像管亮
度,在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像,称
为 X射线扫描像或元素面分布图像。试样每产生一
个 X光子，探测器输出一个脉冲，显像管荧光屏上
就产生一个亮点。若试样上某区域该元素含量多，
荧光屏图像上相应区域的亮点就密集。根据图像
上亮点的疏密和分布，可确定该元素在试样中分
布情况。
(3) 面扫描分析
? 在一幅 X射线扫描像中，亮区代表元素含量高，灰
区代表元素含量较低，黑色区域代表元素含量很
低或不存在。
(4) 定量分析
? 在稳定的电子束照射下，由谱仪得到的 X射线谱在
扣除了背景计数率之后，各元素的同类特征谱线
（通常均采用 K线）的强度值应与它们的浓度相对
应。然而，由谱线强度的直接对比只能对元素的
相对含量作出粗略的估计，即使通过强度的归一
化求得的浓度值，最多也只能是 — 种半定量分析
结果，其误差是相当大的。
? 产生这种误差的原因是：谱线强度除与元素含量
有关外，还与试样的化学成分有关，通常称为
,基体效应,,谱仪对不同波长（或能量）随 X射
线探测的效率有所不同。如何消除这些误差，这
就是定量分析所要解决的问题。
SEM+(WDS+EDS)
2．电子探针仪的应用
? (1) 组分不均匀合金试样的微区成分分析
? (2) 扩散对试样中成分梯度的测定
? (3) 相图低温等温截面的测定
? (4) 金属／半导体界面反应产物
(1) 组分不均匀合金试样的微区成分
分析
? 利用背散射电子的原子序数衬度可以区别
平均原子序数不同的区域，但不能对具体
的元素及其含量进行分析。
? 利用 X射线光谱仪或能谱仪可以对微区成分
进行定量分析，在钢铁等复相材料中相的
鉴定和夹杂物分析中，在铸造合金的成分
偏析的分析中得到了广泛的应用。
? 在厚试样中，由于电子散射范围较大，微
区成分的空间分辨率约 1 ?m3，在薄试样中
空间分辨率可达 (10 nm)3。
微区成分分析
?
(2) 扩散对试样中成分梯度的测定
? 不同成分的二种材料紧密接触并加热后形
成扩散对，扩散对试样中的成分梯度可以
沿扩散方向每隔几个 ?m进行测定，和扩散
方程的结果进行对照后还可进一步测定扩
散系数。
(3) 相图低温等温截面的测定
? 合金的低温等温截面由于扩散缓慢试样成
分不均匀很难测定。但是这种成分不均匀
是宏观范围内的不均匀，在接触的两相界
面两侧微观范围内 (1?m量级 )成分还是均匀
的，并且达到了平衡状态。利用薄试样微
区成分分析方法可以测定相互接触的两相
的平衡成分，从而测定低温等温截面。
试样中的成分
?
(4) 金属／半导体界面反应产物
? 半导体 (硅、砷化钾等 )上通常沉积金属薄膜
(厚度约几百 nm)并经热处理后形成欧姆接
触或肖特基接触。热处理过程中，在界面
上常形成界面反应产生的化合物，利用薄
的截面试样可以测定这些厚度小于 100 nm
的化合物的成分、结构以及界面平整度等。
化合物的成分
?
总结
信号 产生机制,层深,特征,给出的信息
BE
SE
AE
TE
AES
X-RAY
总结
分辨率 衬度原理 应用
SEM
TEM
总结
能量 衬度原理 探测方式 图象特点
BE
SE
总结
功能 作用 (应用 ) 特点
光学显微镜
扫描电子显
微镜
透射电子显
微镜
探针显微分析
序
? 扫描电子显微镜（ Scanning Electron
Microscope，简称 SEM）是继透射电镜（ TEM）
之后发展起来的一种电子显微镜
? 扫描电子显微镜的成像原理和光学显微镜或
透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照
明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描
方式照射到试样上，产生各种与试样性质有
关的信息，然后加以收集和处理从而获得微
观形貌放大像。
序
? 在最近 20多年的时间内，扫描电子显微镜
发展迅速，又综合了 X射线分光谱仪、电子
探针以及其它许多技术而发展成为分析型
的扫描电子显微镜，仪器结构不断改进，
分析精度不断提高，应用功能不断扩大，
越来越成为众多研究领域不可缺少的工具，
目前已广泛应用于冶金矿产、生物医学、
材料科学、物理和化学等领域。
SEM
?
SEM
SEM
SEM
特点
? 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达
1.0nm(场发射 ),3.0nm(钨灯丝 )；
? 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），
且连续可调；
? 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大
的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；
? 试样制备简单。只要将块状或粉末的、导电的或
不导电的试样不加处理或稍加处理，就可直接放
到 SEM中进行观察。一般来说，比透射电子显微镜
（ TEM）的制样简单，且可使图像更近于试样的真
实状态；
特点
? 可做综合分析。
? SEM装上波长色散 X射线谱仪（ WDX）（简称波谱仪）
或能量色散 X射线谱仪（ EDX）（简称能谱仪）后，
在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行
元素分析。
? 装上半导体样品座附件，可以直接观察晶体管或
集成电路的 p-n结及器件失效部位的情况。
? 装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处
于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显
微结构形态的动态变化过程（动态观察）。
电子束与固体样品相互作用时产生
的物理信号
一、背散射电子
（ backscattering electron）
? 背散射电于是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分
入射电子。
? 其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。
? 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大
于 90?的那些入射电子，其能量基本上没有变化。
? 弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。
? 非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹
性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。
? 如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形
成非弹性背散射电子。
一、背散射电子
（ backscattering electron）
? 非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，
从数十电子伏到数千电子伏。
? 从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性
背散射电子所占的份额多。
? 背散射电子的产生范围在 1000 ?到 1 ?m深，
由于背散射电子的产额随原子序数的增加
而增加，所以，利用背散射电子作为成像
信号 不仅能分析形貌特征，也可用来显示
原子序数衬度,定性地进行成分分析。
二、二次电子
（ secondary electron）
? 二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。
? 由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此
外层的电子比较容易和原子脱离。当原子的核外
电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量
后，可离开原子而变成自由电子。
? 如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那
些能量尚大于材料逸出功的自由电子可从样品表
面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。
? 一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生
许多自由电子，而在样品表面上方检测到的二次
电子绝大部分来自价电子。
二、二次电子
（ secondary electron）
? 二次电子来自表面 50-500 ?的区域，能量为 0-50
eV。
? 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样
表面的微观形貌。
? 由于它发自试样表面层，入射电子还没有较多次
散射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照
射面积没多大区别。所以二次电子的分辨率较高，
一般可达到 50-100 ?。
? 扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子分辨
率。二次电于产额随原于序数的变化不明显，它
主要决定于表面形貌。
三、吸收电子
（ absorption electron）
? 入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量
损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子
产生），最后被样品吸收。
? 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，
就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收
电子提供的。
? 入射电子束与样品发生作用，若逸出表面的背散
射电子或二次电子数量任一项增加，将会引起吸
收电子相应减少，若把吸收电子信号作为调制图
像的信号，则其衬度与二次电子像和背散射电子
像的反差是互补的。
三、吸收电子
（ absorption electron）
? 入射电子束射入一含有多元素的样品时，
由于二次电子产额不受原子序数影响，则
产生背散射电子较多的部位其吸收电子的
数量就较少。
? 因此，吸收电流像可以反映原子序数衬度，
同样也可以用来进行定性的微区成分分析。
四、透射电子
（ transmission electron）
? 如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那
么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而
成为透射电子。
? 一般金属薄膜样品的厚度在 2000-5000 ?左右，
在入射电子穿透样品的过程中将与原子核或核外
电子发生有限次数的弹性或非弹性散射。
? 因此，样品下方检测到的透射电子信号中，除了
有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有
各种不同能量损失的非弹性散射电子。
? 其中有些待征能量损失 ?E的非弹性散射电子和分
析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失
电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。
五、特征 X射线
（ characteristic X-ray）
? 特征 X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能
级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的
一种电磁波辐射。
? 入射电子与核外电子作用，产生非弹性散射，外
层电子脱离原子变成二次电子，使原于处于能量
较高的激发状态，它是一种不稳定态。较外层的
电子会迅速填补内层电子空位，使原子降低能量，
趋于较稳定的状态。
? 具体说来，如在高能入射电子作用下使 K层电子逸
出，原于就处于 K激发态，具有能量 EK。当一个 L2
层电子填补 K层空位后，原于体系由 K激发态变成
L2激发态，能量从 EK降为 EL2，这时就有 ?E＝
(EK-EL2)的能量释放出来。
五、特征 X射线
（ characteristic X-ray）
? 若这一能量以 X射线形式放出，这就是该元素的 K?辐射，
此时 X射线的波长为：
? (8-1)
? 式中,h为普朗克常数,c为光速。对于每一元素,EK、
EL2都有确定的特征值，所以发射的 X射线波长也有特征值，
这种 X射线称为特征 X射线。
? X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：
? (8-2)
? 式中,Z为原子序数,K,?为常数。可以看出，原子序数
和特征能量之间是有对应关系的，利用这一对应关系可以
进行成分分析。如果用 X射线探测器测到了样品微区中存
在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。
K
K L 2
hc
EE??? ?
? ? 2
K
Z
??
??
六、俄歇电子
（ Auger electron）
? 如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能
量 ?E不以 X射线的形式释放，而是用该能量将核
外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种
二次电子叫做俄歇电子。
? 因每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它
们的俄歇电子能量也各有特征值，一般在 50-1500
eV范围之内。俄歇电子是由试样表面极有限的几
个原于层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于
表层化学成分分析。
? 显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能
产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。
其它物理信号
? 除了上述六种信号外，固体样品中还会产
生例如阴极荧光、电子束感生效应和电动
势等信号，这些信号经过调制后也可以用
于专门的分析。
小节
X射线
与物质相互
作用
1.散射 (相干,非相干 )
2.光电效应 (俄歇,二次荧光,光电子 )
3.透射
4.热
电子束
与物质相互
作用
1.背散射 ; 2.二次电子
3.透射电子 ; 4.吸收电子
5.俄歇 ; 6.特征 X射线
7.阴极荧光 ……
§ 8.2 扫描电子显微镜的结构和工
作原理
? 扫描电子显微镜由电子光学
系统、信号收集及显示系统、
真空系统及电源系统组成。
其实物照片以及结构框图如
图 8-2所示。
1．电子光学系统
? 电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描
线圈和样品室等部件组成。
? 其作用是用来获得扫描电子束，作为使样
品产生各种物理信号的激发源。
? 为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。
1．电子光学系统
?
(1)电子枪
（ electron gun）
? 其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产
生高能量的电子束。
? 扫描电子显微镜电子枪与透射电子显微镜
的电子枪相似，只是加速电压比透射电子
显微镜的低。
(2)电磁透镜
（ electromagnetic lens）
? 其作用是把电子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来
直径约 50?m的束斑缩小成一个只有数 nm的细小束
斑。
? 扫描电子显微镜一般由三个聚光镜，前两个聚光
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，具有较长的焦距,该透
镜下方放置祥品，为避免磁场对二次电子轨迹的
干扰，该透镜采用上下极靴不同且孔径不对称的
特殊结构，这样可以大大减小下极靴的圆孔直径，
从而减小了试样表面的磁场强度。
(2)电磁透镜
?
(3)扫描线圈
（ scanning section coil）
? 其作用是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。
? 扫描线圈是扫描电子显微镜的一个重要组件，它一般放在
最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内，使电子
束进入末级透镜强磁场区前就发生偏转，为保证方向一致
的电子束都能通过末级透镜的中心射到样品表面；扫描电
子显微镜采用双偏转扫描线圈。
? 当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下
偏转线圈使它的方向发生第二次转折。在电子束偏转的同
时还进行逐行扫描，电子束在上下偏转线圈的作用下，扫
描出一个长方形，相应地在样品上画出一帧比例图像。
? 如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，
而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为
角光栅扫描或摇摆扫描。
(4)样品室
（ sample chamber）
? 扫描电子显微镜的样品室空间较大，一般可放置 ?20× 10
mm的块状样品。
? 为适应断口实物等大零件的需要，近年来还开发了可放置
尺寸在 ?125mm以上的大样品台。观察时，样品台可根据
需要沿 X,Y及 Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平
轴倾斜。
? 样品室内除放置样品外，还安置备种信号检测器。
? 信号的收集效率和相应检测器的安放位置有很大关系，如
果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从
而影响分析精度，新型扫描电子显微镜的样品室内还配有
多种附件，可使样品在样品台上能进行加热、冷却、拉伸
等试验，以便研究材料的动态组织及性能。
(4)样品室
2．信号收集和显示系统
? 信号收集和显示系统包括各种信号检测器，前置放大器和
显示装置，其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物
理信号，然后经视频放大，作为显像系统的调制信号，最
后在荧光屏上得到反映样品表面特征的扫描图像。
? 检测二次电子、背散射电子和透射电子信号时可以用闪烁
计数器来进行检测，随检测信号不同，闪烁计数器的安装
位置不同。闪烁计数器由闪烁体、光导管和光电倍增器所
组成。当信号电子进入闪烁体时，产生出光子，光子将沿
着没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大，后又转
化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为
调制信号。
信号收集
?
2．信号收集和显示系统
? 由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束
是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品
上被激发出来的信号强度来调制的，而由
检测器接收的信号强度随样品表面状态不
同而变化，从而，由信号检测系统输出的
反映样品表面状态特征的调制信号在图像
显示和记录系统中就转换成一幅与样品表
面特征一致的放大的扫描像。
3．真空系统和电源系统
? 真空系统的作用是为保证电子光学系统正
常工作，防止样品污染提供高的真空度，
一般情况下要求保持 10-4-10-5 mmHg的真
空度。
? 电源系统由稳压、稳流及相应的安全保护
电路所组成，其作用是提供扫描电子显微
镜各部分所需要的电源。
二、工作原理
由最上边电子枪发射出来的电子束，经栅极聚焦后，在加速电压
作用下，经过二至三个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束
会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。在末级透镜上边装有扫
描线圈，在它的作用下使电子束在样品表面扫描。
? 出于高能电子束与样品物质的交互作用，结果产生了各种信息：
二次电子、背散射电子、吸收电子,X射线、俄歇电子、阴极发
光和透射电于等。
? 这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，
调制显像管的亮度。由于经过扫描线圈上的电流是与显像管相应
的亮度一一对应，也就是说，电子束打到样品上一点时，在显像
管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是这样采用逐点成像的
方法，把样品表面不同的特征，按顺序、成比例地转换为视频传
号，完成一帧图像，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各
种特征图像。
三、扫描电子显微镜的主要性能
? 1．放大倍数（ magnification）
? 2．分辨率（ resolution）
? 3．景深（ depth of field / depth of
focus）
1．放大倍数
（ magnification）
? 当入射电子束作光栅扫描时，若电子束在
样品表面扫描的幅度为 AS，在荧光屏上阴
极射线同步扫描的幅度为 AC，则扫描电子
显微镜的放大倍数为：
? (8-3)
? 由于扫描电子显微镜的荧光屏尺寸是固定
不变的，因此，放大倍率的变化是通过改
变电子束在试样表面的扫描幅度 AS来实现
的。
C
S
AM
A
?
2．分辨率
（ resolution）
? 分辨率是扫描电子显微镜主要性能指标。对微区
成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成
像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离。
? 这两者主要取决于入射电子束直径，电子束直径
愈小，分辨率愈高。
? 但分辨率并不直接等于电子束直径，因为入射电
子束与试样相互作用会使入射电子束在试样内的
有效激发范围大大超过入射束的直径。
2．分辨率
（ resolution）
? 在高能入射电子作
用下，试样表面激
发产生各种物理信
号，用来调制荧光
屏亮度的信号不同，
则分辨串就不同。
? 电子进入样品后,作
用区是一梨形区,激
发的信号产生与不
同深度
2．分辨率
（ resolution）
? 俄歇电子和二次电子
因其本身能量较低以
及平均自由程很短，
只能在样品的浅层表
面内逸出。入射电子
束进入浅层表面时，
尚未向横向扩展开来，
可以认为在样品上方
检测到的俄歇电子和
二次电子主要来自直
径与扫描束斑相当的
圆柱体内。
2．分辨率
（ resolution）
? 入射电子进入样品较深部位
时，已经有了相当宽度的横
向扩展，从这个范围中激发
出来的背散射电子能量较高，
它们可以从样品的较探部位
处弹射出表面，横向扩展后
的作用体积大小就是背散射
电子的成像单元，所以，背
散射电子像分辨率要比二次
电子像低，一般为 500-2000
?。
2．分辨率
（ resolution）
? 扫描电子显微镜的分辨率除受电子束直径
和调制信号的类型影响外，还受样品原于
序数、信噪比、杂散磁场、机械振动等因
素影响。样品原子序数愈大，电子束进入
样品表面的横向扩展愈大，分辨率愈低。
噪音干扰造成图像模糊；磁场的存在改变
了二次电子运动轨迹，降低图像质量；机
械振动引起电子束斑漂移，这些因素的影
响都降低了图像分辨率。
3．景深
（ depth of field / depth of focus）
? 景深是指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一
个能力范围，这个范围用一段距离来表示。如图 8-4所示
? ?为电子束孔径角。可见，电子束孔径角是控制扫描电子显微
镜景深的主要因素，它取决于末级透镜的光阑直径和工作距
离。 ?角很小（约 10-3 rad），所以它的景深很大。它比一般
光学显微镜景深大 100-500倍，比透射电子显微镜的景深大 10
倍。
00
S
2 R 2 RD
t a n
????
??
四、样品制备
? 扫描电于显微镜的最大优点之一是样品制
备方法简单，对金属和陶瓷等块状样品，
只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导
电胶将其粘贴在电镜的样品座上即可直接
进行观察。
? 为防止假象的存在，在放试祥前应先将试
祥用丙酮或酒精等进行清洗．必要时用超
声波振荡器振荡，或进行表面抛光
§ 8.3 表面形貌衬度原理及其应用
? 表面形貌衬度是由于试样表面形貌差别而形成的
衬度。利用对试样表面形貌变化敏感的物理信号
作为显像管的调制信号，可以得到形貌衬度图像。
? 形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、
背散射电子等，其强度是试样表面倾角的函数，
而试样表面微区形貌差别实际上就是各微区表面
相对于入射电子束的倾角不同，因此电子束在试
样上扫描时任何两点的形貌差别，表现为信号强
度的差别，从而在图像中形成显示形貌的衬度。
二次电子像的衬度是最典型的形貌衬度。
表面形貌衬度
? 由于二次电子信号主要来自样品表层 5-l0 nm深度范围，它的
强度与原子序数没有明确的关系，而仅对微区刻面相对于入
射电子束的位向十分敏感，且二次电子像分辨率比较高，所
以特别适用于显示形貌衬度。
? 入射电子束与试样表面法线间夹角愈大，二次电子产额愈大
探测效果
表面形貌衬度的应用
? 基于二次电子像（表面形貌衬度）的分辨
率比较高且不易形成阴影等诸多优点，使
其成为扫描电镜应用最广的一种方式，尤
其在失效工件的断口检测、磨损表面观察
以及各种材料形貌特征观察上，已成为目
前最方便、最有效的手段。
1．材料表面形态（组织）观察
2．断口形貌观察
2．断口形貌观察
3．磨损表面形貌观察
4．纳米结构材料形态观察
5．生物样品的形貌观察
§ 8.4 原子序数衬度原理及其应用
? 原子序数衬度是由于试样表面物质原子序
数（或化学成分）差别而形成的衬度。利
用对试样表面原子序数（或化学成分）变
化敏感的物理信号作为显像管的调制信号，
可以得到原子序数衬度图像。
? 背散射电子像、吸收电子像的衬度都含有
原子序数衬度，而特征 X射线像的衬度就是
原子序数衬度。
SE and BE
背散射电子
? 背散射电子能量较高．离开样品表面后沿直线轨
迹运动。故检测到的信号强度远低于二次电子，
因而粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所
掩盖。为此，对于显示原子序数衬度的样品，应
进行磨平和抛光，但不能浸蚀。
? 样品表面平均原子序数大的微区，背散射电子信
号强度较高，而吸收电子信号强度较低，因此，
背散射电子像与吸收电子像的衬度正好相反。可
以根据背散射电子像的亮暗衬度来判断相应区域
原子序数的相对高低，对金属及其合金进行显微
组织分析。
原子序数衬度像
背散射电子衍射
? 背散射电子衍射可以
揭示样品的晶体结构
和取向
?
§ 8.5 电子探针 X射线显微分析
? 电子探针 X射线显微分析（简称电子探针显微分析）
（ Electron Probe Microanalysis，简称 EPMA）
是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，
它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，
因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为
有用的分析方法。
? 电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描电子显微
镜相同，只是在检测器部分使用的是 X射线谱仪，
专门用来检测 X射线的特征波长或特征能量，以此
来对微区的化学成分进行分析。
电子探针 X射线显微分析
? 常用的 X射线谱仪有两种：
? 一种是利用特征 X射线的波长不同来展谱，
实现对不同波长 X射线分别检测的波长色散
谱仪，简称波谱仪（ Wavelength
Dispersive Spectrometer，简称 WDS）
? 另一种是利用特征 X射线能量不同来展谱，
的能量色散谱仪，简称能谱仪（ Energy
Dispersive Spectrometer，简称 EDS）。
一、电子探针仪的结构与工作原理
? 电子探针仪的结构示
意图见图 8-23，由图
可见，电子探针仪除 X
射线谱仪外，其余部
分与扫描电子显微镜
相似。
1、波谱仪 （ WDS） 的结构和工作
原理
? X射线波谱仪的谱仪系统 —— 也即 X射线的分光和探测系统
是由分光晶体,X射线探测器和相应的机械传动装置构成
分光和探测原理
? X射线的分光和探测原理,
? 如果我们把分光晶体作适当地弹性弯曲，
并使射线源、弯曲晶体表面和检测器窗口
位于同一个圆周上，这样就可以达到把衍
射束聚焦的目的。
? 此时，整个分光晶体只收集一种波长的 X射
线，使这种单色 X射线的衍射强度大大提高。
聚焦圆
? 图 8-25是两种 X射线聚焦的方法。第一种方法称
为约翰 (Johann)型聚焦法（图 8-25(a)），虚线圆
称为罗兰圆（ Rowland circle）或聚焦圆。
聚焦圆
? 把单晶体弯曲使它衍射晶面的曲率半径等于聚焦圆半
径 R的两倍，即 2R。当某一波长的 X射线自点光源 S处
发出时，晶体内表面任意点 A,B,C上接收到的 X射线
相对于点光源来说,入射角都相等，由此 A,B,C各点
的衍射线都能在 D点附近聚焦。
? 从图中可以看出，因 A,B,C三点的衍射线并不恰在
一点，故这是一种近似的聚焦方式。
? 另一种改进的聚焦方式叫做约翰逊 (Johansson)型聚
焦法。这种方法是把衍射晶面曲率半径弯成 2R的晶体，
表面磨制成和聚焦圆表面相合 (即晶体表面的曲率半
径和 R相等 )，这样的布置可以使 A,B,C三点的衍射
束正好聚焦在 D点，所以这种方法也叫做完全聚焦法
（图 8-25(b)）。
回转式波谱仪和直进式波谱仪
? 在电子探针中，一般点光源 S不动，改变晶体和探测器
的位置，达到分析检测的目的。根据晶体及探测器运
动方式，可将谱仪分为回转式波谱仪和直进式波谱仪
等。
回转式波谱仪
? 聚焦圆的中心 O固定，分光晶体和检测器在圆
周上以 1,2的角速度运动来满足布拉格衍射
条件。
? 这种谱仪结构简单，但由于分光晶体转动而
使 X射线出射方向变化很大，在样品表面不平
度较大的情况下，由于 X射线在样品内行进的
路线不同，往往会造成分析上的误差。
X射线出射方向变化
直进式谱仪
? 直进式谱仪如图 8-26(b)所示，这种谱仪的
特点是分光晶体从点光源 S向外沿着一直线
运动,X射线出射角不变，晶体通过自转改
变 ?角。聚焦圆的中心 O在以 S为中心,R为
半径的圆周上运动。
? 这种谱仪结构复杂，但 X射线照射晶体的方
向固定，使 X射线穿出样品表面过程中所走
的路线相同，也就是吸收条件相同。
直进式谱仪
? 由图中几何条件可知：
? Li = SCi = CiDi = 2Rsin?i (i=1,2,3,… )
? 式中,Li为点光源到分光晶体的距离,?i为衍射角。
? 根据布拉格方程（ Bragg Formula） 2d sin? ＝ ?，则有,?
= KL
? 可见在直进式谱仪中，恃征 X射线的波长直接与分光晶体和
点光源间的距离成正比。 L由小变大意味着被检测的 X射线波
长 ?由短变长，改变 L就能检测到不同波长，即不同元素的 X
射线。
? 由于分光晶体衍射晶面间距是固定的，谱仪的 ?角也只能在
有限的范围以内变动，所以某一特定晶体只能限于检测某 —
波长范围的 X射线。为提高检测效率，电子探针仪通常配有
2-5道谱仪，同一道谱仪装有两块可以交换使用的晶体。
分光晶体
? 分光晶体是专门用来对 X射线起色散（分光）
作用的晶体，它应具有良好的衍射性能、
强的反射能力和好的分辨率。在 X射线谱仪
中使用的分光晶体还必须能弯曲成一定的
弧度、在真空中不发生变化等。
? 各种晶体能色散的 X射线波长范围，取决于
衍射晶面间距 d和布拉格角 ?的可变范围，
对波长大于 2d的 X射线则不能进行色散。
分光晶体
? 谱仪的 ?角有一定变动范围，如 15° -65° ；每一种
晶体的衍射晶面是固定的，因此它只能色散一段波
长范围的 X射线和适用于一定原子序数范围的元素分
析。
? 目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为 4
的铍（ Be）到原子序数为 92的铀（ U）。其中小于氟
（ F）的元素称为轻元素，它们的 X射线波长范围大
约在 18-113 ?。
? 表 8-1列出了波谱仪常用分光晶体的基本参数和可检
测范围。
X射线探测器
? 作为 X射线的探测器，要求有高的探测灵敏
度，与波长的正比性好和响应时间短。
? 波谱仪使用的 X射线探测器有流气正比记数
管、充气正比记数管和闪烁计数管等。
? 探测器每接受一个 X光子输出一个电脉冲信
号。
? 有关 X射线探测器的结构及工作原理可参看
“多晶体 X射线衍射分析方法”一章，此处
不再重复。
X射线记数和记录系统
? X射线探测器（例如正比计数管）输出的电脉冲信
号经前置放大器和主放大器放大后进入脉冲高度
分析器进行脉冲高度甄别。由脉冲高度分析器输
出的标准形式的脉冲信号，需要转换成 X射线的强
度并加以显示，可用多种显示方式。
? 脉冲信号输入计数计，提供在仪表上显示计数率
(cps)读数，或供记录绘出计数率随波长变化（波
谱）用的输出电压；此电压还可用来调制显像管，
绘出电子束在试样上作线扫描时的 X射线强度（元
素浓度）分布曲线。
波长色散谱
2、能谱仪 （ EDS） 的结构和工作原
理
? 能谱仪的主要组成部分如图所示，由探针器、前置放大器、
脉冲信号处理单元、模数转换器、多道分析器、小型计算机
及显示记录系统组成，它实际上是一套复杂的电子仪器。
锂漂移硅 Si(Li)探测器
? 能谱仪使用的是锂漂移硅 Si(Li)探测器，其结构如
图 8-29 所示。
? Si(Li)是厚度为 3-5 mm、直径为 3-10mm的薄片，它
是 p型 Si在严格的工艺条件下漂移进 Li制成的。
? Si(Li)可分为三层，中间是活性区 (1区 )，由于 Li
对 p型半导体起了补偿作用，是本征型半导体。 I区
的前面是一层 0.1 ?m的 p型半导体 (Si失效层 )，在
其外面镀有 20 nm的金膜。 I区后面是一层 n型 Si导
体。
? Si(Li)探测器实际上是一个 p-I-n型二级管，镀金
的 p型 Si接高压负端,n型 Si接高压正端并和前置放
大器的场效应管相连接。
锂漂移硅 Si(Li)探测器
锂漂移硅 Si(Li)探测器
? Si(Li)探测器处于真空系统内，其前方有
一个 7-8 ?m的铍窗，整个探头装在与存有
液氮的杜瓦瓶相连的冷指内。
? 漂移进去的 Li原子在室温很容易扩散，因
此探头必须一直保持在液氟温度下。
? Be窗口使探头密封在低温真空环境之中，
它还可以阻挡背散射电子以免探头受到损
伤。
? 低温环境还可降低前置放大器的噪声，有
利于提高探测器的峰 -背底比．
能谱仪的结构
能谱仪的工作原理
? 由试样出射的具有各种能量的 X光子 (图 8-
29)相继经 Be窗射入 Si(Li)内，在 I区产生
电子 -空穴对。每产生一对电子 -空穴对，
要消耗掉 X光子 3.8 eV的能量。因此每一个
能量为 E的入射光子产生的电子 -空穴对数
目 N＝ E/3.8。
? 加在 Si(Li)上的偏压将电子 -空穴对收集起
来，每入射一个 X光子，探测器输出 — 个微
小的电荷脉冲，其高度正比于入射的 X光子
能量 E。
能谱仪的工作原理
? 电荷脉冲经前置放大器，信号处理单元和模数转
换器处理后以时钟脉冲形式进入多道分析器。
? 多道分析器有一个由许多存储单元（称为通道）
组成的存储器。与 X光子能量成正比的时钟脉冲数
按大小分别进入不同存储单元。
? 每进入一个时钟脉冲数，存储单元记一个光子数，
因此通道地址和 X光子能量成正比，而通道的计数
为 X光子数。
? 最终得到以通道（能量）为横坐标、通道计数
（强度）为纵坐标的 X射线能量色散谱，并显示于
显像管荧光屏上。图 8-30为 NaCl的扫描形貌像及
其能量色散谱。
波谱仪和能谱仪的比较
操作特性 波谱仪（ WDS） 能谱仪（ EDS）
分析方式 用几块分光晶体
顺序进行分析
用 Si(Li) EDS
进行多元素同时分
析
分析元素范围 Z≥4 Z≥11 ( 铍
窗 )
Z≥6 ( 无窗 )
分辨率 与分光晶体有关，
~5 eV
与能量有关，
145~150 eV (5.9
keV)
几何收集效率 改变,< 0.2% < 2%
波谱仪和能谱仪的比较
量子效率 改变,< 30% ~ 100% (2.5~15 keV)
瞬时接收范
围
谱仪能分辨的范
围
全部有用能量范围
最大记数速
率
~ 50000 cps
(在一条谱线上 )
与分辨率有关，使在
全谱范围内得到最佳
分辨时,< 2000 cps
分析精度
(浓度 >10%，
Z>10)
?1~5% ? ?5%
波谱仪和能谱仪的比较
对表面要求 平整，光滑 较粗糙表面也适用
典型数据收集时间 ? 10 min 2~3 min
谱失真 少 主要包括：逃逸峰、峰重叠、
脉冲堆积、电子束散射、铍
窗吸收效应等
最小束斑直径 ~ 200 nm ~ 5 nm
探测极限 0.01~0.1% 0.1~0.5%
对试样损伤 大 小
波谱仪和能谱仪的比较
? 综上所述，波谱仪分析的元素范围广、探测极限小、
分辨率高，适用于精确的定量分析。其缺点是要求
试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的
束流，从而容易引起样品和镜筒的污染。
? 能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率等
方面不如波谱仪，但其分析速度快，可用较小的束
流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那
样严格，因此特别适合于与扫描电子显微镜配合使
用。
? 目前扫描电镜与电子探针仪可同时配用能谱仪和波
谱仪，构成扫描电镜 -波谱仪 -能谱仪系统，使两种
谱仪优势互补，是非常有效的材料研究工具。
?
四、电子探针仪的分析方法及应用
? 1．电子探针仪的分析方法
? 电子探针分析有四种基本分析方法,定点
定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定
点定量分析 。
? 准确的分析对实验条件有两大方面的要求。
? 一是对样品有一定的要求：如良好的导电、
导热性，表面平整度等；
? 二是对工作条件有一定的要求：如加速电
压，计数率和计数时间,X射线出射角等。
(1) 定点定性分析
? 定点定性分析是对试样某一选定点（区域）
进行定性成分分析，以确定该点区域内存
在的元素。
? 其原理如下：用光学显微镜或在荧光屏显
示的图像上选定需要分析的点，使聚焦电
子束照射在该点上，激发试样元素的特征 X
射线。
? 用谱仪探测并显示 X射线谱。根据谱线峰值
位置的波长或能量确定分析点区域的试样
中存在的元素。
能谱定性分析
? 能谱谱线的鉴别可以用以下二种方法：
? (1)根据经验及谱线所在的能量位量估计某
一峰或几个峰是某元素的特征 X射线峰，让
能谱仪在荧光屏上显示该元素特征 X射线标
志线来核对；
? (2)当无法估计可能是什么元素时，根据谱
峰所在位置的能量查找元素各系谱线的能
量卡片或能量图来确定是什么元素。
能谱定性分析
? X射线能谱定性分析与定量分析相比，虽然
比较简单、直观，但也必须遵循一定的分
析方法，能使分析结果正确可靠。
? 一般来说，对于试样中的主要元素（例如
含量＞ 10％）的鉴别是容易做到正确可靠
的；但对于试样中次要元素（例如含量在
0.5-10％）或微量元素（例如含量＜ 0.5％）
的鉴别则必须注意谱的干扰、失真、谱线
的多重性等问题，否则会产生错误。
波谱定性分析
? 由于波谱仪的分辨率高（表 8-2），波谱的峰背比
至少是能谱的 10倍，因此对一给定元素，可以在
谱中出现更多的谱线。
? 此外，由于波谱仪的晶体分光特点，对波长为 ?的
X射线不仅可以在 ?＝ ?B处探测到 n＝ 1的一级 X射
线，同时可在其它 ?角处探测到 n = 2,3…… 的高
级衍射线。
? 同样，在某一 ?＝ ?B 处,n＝ 1,?＝ ?1的 X射线可
以产生衍射； n＝ 2,?＝ ?1/2的 X射线也可以产生
衍射，如果波谱仪无法将它们分离，则它们将出
现于波谱的同一波长（ ?角）处而不能分辨。
波谱定性分析
? 例如 SK? (n＝ 1) 线存在于 0.5372 nm处，而 CoK? (n
＝ 1) 存在于 0.1789 nm处，但 CoK? (n＝ 3) 的三级衍
射存在于 3?0.1789 nm＝ 0.5367 nm处，因而,SK? (n
＝ 1) 线和 CoK? (n＝ 3) 线靠得非常近而无法区分。
? 但是,SK?和 CoK?具有不同的能量，它们将使 X射线探
测器输出不同电压脉冲幅度。 CoK?的电压脉冲幅度是
SK?的三倍，因而可根据 SK?电压脉冲信号设置窗口电
压，通过脉冲高度分析器排除 CoK?的脉冲，从而使谱
中 0.5372 nm处仅存在 SK?线。
? 由此可知，波谱定性分析不象能谱定性分析那么简单、
直观，这就要求对波谱进行更合乎逻辑的分析，以免
造成错误。
(2) 线扫描分折
? 使聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直
线（穿越粒子或界面）进行慢扫描,X射线
谱仪处于探测某一元素特征 X射线状态。显
像管射线束的横向扫描与电子束在试样上
的扫描同步，用谱仪探测到的 X射线信号强
度（计数率）调制显像管射线束的纵向位
置就可以得到反映该元素含量变化的特征 X
射线强度沿试样扫描线的分布。
(2) 线扫描分折
? 通常将电子束扫描线，特征 X射线强度分布曲线重叠于二次电
子图象之上可以更加直观地表明元素含量分布与形貌、结构
之间的关系（参见图 8-31）。
(2) 线扫描分折
? 电子束在试样上扫描时，由于样品表面轰击点的变化，波
谱仪将无法保持精确的聚焦条件，为此可将电子束固定不
动而使样品以一定的速度移动，但这样做并不方便，重复
性也不易保证，特别是仍然不能解决粗糙表面分析的困难，
考虑到线扫描分析最多只能是半定量的，因而目前仍较多
采用电子束扫描的方法。如果使用能谱仪，则不存在 X射
线聚焦的问题。
? 线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫
化是十分有效的 。在有关扩散现象的研究中，电子探针比
剥层化学分析、放射性示踪原子等方法更方便。在垂直于
扩散界面的方向上进行线扫描，可以很快显示浓度与扩散
距离的关系曲线，若以微米级逐点分析，即可相当精确地
测定扩散系数和激活能。
(3) 面扫描分析
? 聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描,X射线谱仪
处于能探测某一元素特征 X射线状态，用谱仪输出
的脉冲信号（用波谱仪时为经放大的脉冲信号，
用能谱仪时，为多道分析器的相应于该元素 X射线
能量通道输出的信号）调制同步扫描的显像管亮
度,在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像,称
为 X射线扫描像或元素面分布图像。试样每产生一
个 X光子，探测器输出一个脉冲，显像管荧光屏上
就产生一个亮点。若试样上某区域该元素含量多，
荧光屏图像上相应区域的亮点就密集。根据图像
上亮点的疏密和分布，可确定该元素在试样中分
布情况。
(3) 面扫描分析
? 在一幅 X射线扫描像中，亮区代表元素含量高，灰
区代表元素含量较低，黑色区域代表元素含量很
低或不存在。
(4) 定量分析
? 在稳定的电子束照射下，由谱仪得到的 X射线谱在
扣除了背景计数率之后，各元素的同类特征谱线
（通常均采用 K线）的强度值应与它们的浓度相对
应。然而，由谱线强度的直接对比只能对元素的
相对含量作出粗略的估计，即使通过强度的归一
化求得的浓度值，最多也只能是 — 种半定量分析
结果，其误差是相当大的。
? 产生这种误差的原因是：谱线强度除与元素含量
有关外，还与试样的化学成分有关，通常称为
,基体效应,,谱仪对不同波长（或能量）随 X射
线探测的效率有所不同。如何消除这些误差，这
就是定量分析所要解决的问题。
SEM+(WDS+EDS)
2．电子探针仪的应用
? (1) 组分不均匀合金试样的微区成分分析
? (2) 扩散对试样中成分梯度的测定
? (3) 相图低温等温截面的测定
? (4) 金属／半导体界面反应产物
(1) 组分不均匀合金试样的微区成分
分析
? 利用背散射电子的原子序数衬度可以区别
平均原子序数不同的区域，但不能对具体
的元素及其含量进行分析。
? 利用 X射线光谱仪或能谱仪可以对微区成分
进行定量分析，在钢铁等复相材料中相的
鉴定和夹杂物分析中，在铸造合金的成分
偏析的分析中得到了广泛的应用。
? 在厚试样中，由于电子散射范围较大，微
区成分的空间分辨率约 1 ?m3，在薄试样中
空间分辨率可达 (10 nm)3。
微区成分分析
?
(2) 扩散对试样中成分梯度的测定
? 不同成分的二种材料紧密接触并加热后形
成扩散对，扩散对试样中的成分梯度可以
沿扩散方向每隔几个 ?m进行测定，和扩散
方程的结果进行对照后还可进一步测定扩
散系数。
(3) 相图低温等温截面的测定
? 合金的低温等温截面由于扩散缓慢试样成
分不均匀很难测定。但是这种成分不均匀
是宏观范围内的不均匀，在接触的两相界
面两侧微观范围内 (1?m量级 )成分还是均匀
的，并且达到了平衡状态。利用薄试样微
区成分分析方法可以测定相互接触的两相
的平衡成分，从而测定低温等温截面。
试样中的成分
?
(4) 金属／半导体界面反应产物
? 半导体 (硅、砷化钾等 )上通常沉积金属薄膜
(厚度约几百 nm)并经热处理后形成欧姆接
触或肖特基接触。热处理过程中，在界面
上常形成界面反应产生的化合物，利用薄
的截面试样可以测定这些厚度小于 100 nm
的化合物的成分、结构以及界面平整度等。
化合物的成分
?
总结
信号 产生机制,层深,特征,给出的信息
BE
SE
AE
TE
AES
X-RAY
总结
分辨率 衬度原理 应用
SEM
TEM
总结
能量 衬度原理 探测方式 图象特点
BE
SE
总结
功能 作用 (应用 ) 特点
光学显微镜
扫描电子显
微镜
透射电子显
微镜
