一文搞懂四种电镜测试的区别(SEM、TEM、EDS、EBSD)

在材料科学与生物实验领域，电子显微镜（EM）作为关键的微结构表征手段，以电子束代替可见光作为照明源，可实现纳米级分辨能力，显著优于光学显微镜的观测极限。

扫描电子显微镜（SEM）

1. 原理SEM的核心工作原理是利用极细的电子束（直径约1-10纳米）对样品表面进行逐点扫描。

当这些高能电子与样品相互作用时，会激发出多种信号，其中最为重要的是二次电子和背散射电子。

二次电子主要反映样品表面形貌信息，成像具有立体感，适于观察表面起伏、颗粒分布及微观缺陷。背散射电子产额与原子序数相关，可用于成分衬度成像，高原子序数区域显示较亮。SEM 通常在高真空环境下运行，以保证电子束的稳定与信号的有效收集。

2. 测试项目

表面形貌成像是最基础也是最常用的功能，特别适合观察材料的表面结构、粗糙度、颗粒分布及微观缺陷。

3.样品要求

获得高质量SEM图像的关键在于合适的样品制备。

通用要求：样品需干燥洁净、无挥发物，在高真空下稳定，尺寸通常直径≤25mm，高度≤10mm

导电性：非导电样品需镀导电膜（如Au、Pt）

特殊类型：强磁性样品需消磁处理，粉末样品需牢固粘附。

4.应用

SEM 典型应用包括材料断口分析、半导体器件缺陷检测等。其优势在于成像快速、景深大、立体感强，是表面形貌表征的常用工具。金鉴实验室在进行试验时，严格遵循相关标准操作，确保每一个测试环节都精准无误地符合标准要求。

透射电子显微镜（TEM）

1. 原理

TEM 使用高能电子束穿透超薄样品（通常厚度 < 100 nm），通过透射电子与样品相互作用形成图像。其分辨率可达亚纳米级，配合球差校正技术甚至可实现原子级分辨。TEM 不仅可观察样品形貌，还可通过选区电子衍射（SAED）获取晶体结构信息，如晶面间距与晶体取向。

2. 测试项目

（1）形貌观察：明场/暗场像显示样品整体形貌与特定相分布

（2）高分辨结构分析：HRTEM直接观察原子排列，SAED/CBED确定晶体结构与取向

（3）成分与化学分析：结合EDS进行元素分析，EELS分析轻元素与化学态

（4）综合表征：STEM-EDS/EELS Mapping实现成分与结构的空间关联分析

3.样品要求

（1）核心要求：厚度通常<100 nm（理想<50 nm），直径≤3mm适配标准载网

（2）制备要求：非导电样品需镀导电膜，表面应平整，具代表性

（3）稳定性：在电子束照射下不挥发、不分解

4.应用

TEM 主要用于纳米材料结构表征、晶体缺陷分析（如位错、层错）等。其具备原子级分辨率，是微观结构研究的核心手段，但样品制备复杂，测试周期较长。

能量色散X射线谱（EDS）结合电镜

1.原理与成像机制

EDS 作为 SEM 或 TEM 的附加分析模块，利用电子束激发样品产生特征X射线，通过探测器（如硅漂移探测器）接收信号，实现元素定性与半定量分析。其分析范围通常涵盖铍（Be）至铀（U），能量分辨率约为 130–150 eV，对轻元素及相邻元素的分辨能力有限。

2.样品要求

样品应为无毒、无放射性、无腐蚀性的固体（块体或粉末），不含挥发物与水分。非导电样品需镀导电膜，强磁性样品通常不可测试。

3.应用

EDS 广泛用于材料成分偏析分析、矿物相鉴定、污染物分布检测等，结合电镜图像可同时获取形貌与成分信息。

电子背散射衍射（EBSD）

1.原理与成像机制

EBSD 系统集成于 SEM 中，通过采集背散射电子产生的菊池衍射花样，解析晶体取向、晶界类型、织构及相分布信息。其空间分辨率通常在 0.1–1 μm 范围内，依赖于样品表面质量与电子束参数。

2.主要测试功能

取向分析：极图、反极图和ODF分析晶体取向分布

组织表征：取向成像图示晶粒组织，相图区分不同物相

界面与统计：识别晶界类型，统计取向差与晶粒尺寸分布

3.样品要求

样品需表面平整、无应力、导电良好，尺寸通常长宽<8mm、厚度<3mm。需提供各相晶体结构信息与数据库来源。

4.应用

EBSD 适用于织构分析、相变过程研究、晶界与断裂行为关联分析等。结合应变绘图，可进一步评估晶粒细化对力学性能的影响。

总结

上述四种电镜技术虽均基于电子束与物质相互作用，但功能各有侧重：SEM 主要用于表面形貌观测，TEM 提供内部结构乃至原子级分辨率图像，EDS 用于元素成分分析，EBSD 则揭示晶体取向与织构信息。

研究人员应根据具体分析目标选择合适技术：如关注表面形貌可选用 SEM，需原子级结构则选用 TEM，成分分析可结合 EDS，晶体取向与织构研究则适用 EBSD。