说明：本文华算科技主要介绍了扫描电子显微镜（SEM）中二次电子（SE）像、背散射电子（BSE）像和能量色散光谱（EDS）数据的信号原理、图像特点及解读方法。详细阐述了SE像用于表征微观形貌，BSE像用于区分成分差异，EDS用于成分定性和半定量分析，以及如何结合这些技术进行科学分析。
图1：电子束与样品作用激发各种信号。
二次电子信号是SEM中最常用的成像信号，几乎所有材料的微观形貌表征都依赖它。要读懂二次电子图像，首先得理解其信号来源与形貌的关联逻辑。
信号原理
当SEM的入射电子束（能量通常5-30 kV）轰击样品表面时，会与样品原子的核外价电子发生非弹性碰撞——价电子获得能量后脱离原子束缚，从样品表面逸出，这些逸出的电子就是二次电子（Secondary Electron，SE）。
图2：二次电子激发示意图。
关键特点
1.产生深度浅：二次电子能量极低（通常 二次电子信号仅反映样品 “最表层” 的结构信息。
2.对形貌极敏感：样品表面的凹凸起伏会直接影响二次电子的“逃逸效率”：
凸起处（如纳米颗粒顶端、台阶边缘）：入射电子束易与表层原子作用，二次电子能顺利逸出，探测器收集到的信号强，在图像中呈现亮区；
凹陷处（如孔洞内部、沟槽底部）：二次电子逸出时会被周围结构遮挡，探测器收集到的信号弱，在图像中呈现暗区。
图3：实际样品中二次电子激发示意图。
图4：形貌衬度原理。
这种“亮凸暗凹” 的信号差异，正是二次电子图像能呈现三维立体形貌的核心原因。
数据解读
二次电子图像的解读核心是通过明暗分布还原表面拓扑结构，需结合放大倍数、标尺和样品背景，重点关注三类关键信息：
1）整体形貌与尺寸：
整体形貌判断：在低放大倍数下，观察样品的整体结构特征——例如金属粉末是否团聚、聚合物薄膜是否存在裂纹、陶瓷样品是否含有气孔。
微观尺寸测量：借助图像标尺（SEM图像右下角通常标注，如“Scale bar=1 μm”），使用软件（如ImageJ）测量关键尺寸——包括纳米颗粒的直径、纤维的直径与长度、孔洞的孔径等。
图5：不同水灰比混凝土的二次电子像。DOI：10.1038/s41467-025-58339-8。
2）表面缺陷与细节
二次电子图像能清晰呈现样品表面的微小缺陷，这些缺陷往往对材料性能至关重要：
凸起类细节：如薄膜表面的凸起颗粒，需确认其是否为目标结构（如有意合成的纳米晶）或制备过程中引入的杂质（如灰尘）。
凹陷类缺陷：如金属表面的腐蚀坑（暗点）、聚合物的应力裂纹（暗线），需结合实验背景分析成因——例如金属腐蚀坑的分布是否均匀，可判断腐蚀类型为局部点蚀还是全面腐蚀；聚合物裂纹的走向是否与拉伸方向一致，可关联力学性能失效机制。
图6：纳米晶镍受应力后表面裂缝的二次电子像。DO：10.1038/srep00493。
与二次电子聚焦形貌不同，背散射电子（Back scattered Electron，BSE）的核心价值是区分样品的成分差异。很多人会混淆两者的信号逻辑，导致误读成分信息，需重点关注它的原子序数依赖性。
信号原理
入射电子束与样品作用时，一部分电子会与样品原子的原子核发生弹性碰撞——由于原子核质量远大于电子，碰撞后电子会改变运动方向并反弹出样品表面，这些反弹的电子就是背散射电子（BSE）。
图7：二次电子与背散射电子激发示意图对比。
关键规律
背散射电子的强度与样品原子序数（Z）正相关——原子序数越大，原子核对入射电子的散射能力越强，背散射电子的产额越高，探测器收集到的信号越强。
具体表现：
高原子序数区域（如金属Cu、Au）：背散射电子信号强，图像中呈亮区；
低原子序数区域（如聚合物中的C、陶瓷中的O）：背散射电子信号弱，图像中呈暗区；
同一元素的不同区域（如纯Cu的晶粒与晶界）：因原子序数相同，背散射电子强度差异极小，图像明暗均匀（仅能通过二次电子观察晶界形貌）。
此外，背散射电子的产生深度较深（几百纳米到几微米），能反映样品“近表层”的成分分布，而非仅局限于最表面。
图8：二次电子像与背散射电子像的对比图。
数据解读
背散射电子图像的解读核心是“通过明暗差异对应原子序数差异”，需结合样品的预设成分（如复合材料的基体与填料、合金的不同相），重点分析三类信息：
1）成分分布
对于多组分材料，背散射电子图像能直观呈现各成分的空间分布；
2）成分定性
若未知样品的成分，可通过背散射电子的明暗程度初步定性：
极亮区：通常为高原子序数元素（如金属 Ag、Pt，Z>40）；
中亮区：中等原子序数元素（如金属 Fe、Cu，Z=26-29）；
暗区：低原子序数元素（如 C、O、Al，Z
注意：这是定性判断，不能直接确定元素种类（如亮区可能是Cu或Ni，需结合EDS验证）。
图9：三种合金的背散射电子像。DOI：10.1038/s41586-025-09516-8。
EDS（Energy Dispersive Spectroscopy，X射线能谱分析）是与SEM配套使用的成分分析工具，能实现定性和半定量分析。
信号原理
入射电子束轰击样品时，会将样品原子的内层电子击出（形成空位），外层电子会跃迁到内层空位，跃迁过程中释放的能量以“特征X射线”的形式逸出——不同元素的电子能级差固定，释放的特征X射线能量也固定（如C的特征X射线能量为0.277keV，Fe为6.40keV，Au为9.71keV）。
图10：特征X射线激发示意图。
EDS探测器通过检测特征X射线的“能量”和“强度”，实现：
定性分析：根据特征X射线的能量确定元素种类（“能量–元素” 一一对应）；
定量分析：根据特征X射线的强度（峰面积）计算元素含量（强度越高，含量通常越高，需经校正）。
数据解读
EDS数据通常以能谱图（横坐标：X射线能量，keV；纵坐标：计数率，cps，反映X射线强度）和元素定量表（包含元素符号、原子百分比、重量百分比）呈现：
1）定性分析：
核心步骤：在能谱图中找到“特征峰”，根据峰位对应的能量确定元素——例如在2.01 keV处出现峰，对应Al元素；在8.04 keV处出现峰，对应Cu元素。
检测限：EDS的检测限通常为0.1%-1%（重量百分比），低于此含量的元素可能无法检出（或峰强度过低，难以与背景区分），不能仅凭无峰判断元素不存在。
2）定量分析：
EDS定量分析结果通常以“原子百分比（At%）”和“重量百分比（Wt%）”呈现，需注意：定量结果是相对值，而非绝对值。EDS定量结果不能替代化学分析（如ICP-MS、元素分析）。
C、O、N等轻元素的特征X射线能量低（），易被样品或探测器吸收，定量误差较大。
图11：EDS能谱图及定量分析结果。
3）进阶分析：
除了“点分析”（分析某一点的元素组成），EDS还可进行“线扫描”和“面扫描”，获取元素的空间分布：
线扫描：沿样品某条直线（如界面、裂纹）采集EDS信号，生成“元素-位置”曲线——例如分析金属涂层与基体的界面，线扫描曲线中涂层元素（如Cr）的强度从表面到基体逐渐降低，基体元素（如Fe）的强度逐渐升高，可直观确定涂层厚度。
图12：Ti/SKD和Ti/ITO/SKD的SEM-EDS线扫图谱（图中蓝色线为Ti、红色线为Sb、绿色线为Co）。DOI：10.1021/acsaem.0c00100。
面扫描：对样品某一区域采集EDS信号，生成“元素分布伪彩图”（不同颜色代表不同元素，颜色深浅代表含量高低）,可判断其分散均匀性。
图13：三金属Fe-Co-Ni MOF的FE-SEM-EDS元素分布图。DOI：10.1021/jacs.1c10963。
SEM数据解读不仅是看图片、读数值的简单过程，还需要基于信号原理、结合实验背景的科学分析。掌握二次电子、背散射电子、EDS的信号原理，才能让SEM真正成为材料和化学研究中的得力助手。
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