扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）全套专业技术实验教程（原理、制样、实操、参数、故障分析、配图）

作者：小编更新时间：2026-06-23

1. 前言与技术定位

扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）是材料科学、生物医学、纳米科学领域最高精度的两类电子显微表征技术。二者均利用高能电子束与物质相互作用实现超微结构成像，但成像机制、获取信息维度、制样要求、分辨率与适用场景完全不同。

SEM 侧重：样品表面微观形貌、粗糙度、颗粒尺寸、断面结构、元素分布

TEM 侧重：样品内部晶体结构、晶格条纹、缺陷、位错、相结构、超精细纳米结构

本教程为高校实验室、科研课题组通用标准化操作手册，包含完整原理、制样流程、上机操作、参数设置、常见问题、对比总结，并内置可直接用于论文的标准配图。

2. 核心工作原理（专业完整版）

2.1 SEM 扫描电镜原理

电子枪发射高能电子束，经聚光镜、物镜聚焦为纳米级精细束斑，通过扫描线圈控制电子束在样品表面进行光栅式逐点扫描。高能入射电子与样品表层原子发生弹性与非弹性相互作用，激发出二次电子（SE）、背散射电子（BSE）、特征X射线等信号。

检测器收集二次电子信号成像，主要反映样品表面凹凸形貌；背散射电子反映样品原子序数衬度（重元素亮、轻元素暗）。

SEM 成像为表面立体三维形貌，景深大、立体感强、视野宽。

2.2 TEM 透射电镜原理

电子枪发射高速电子束，经多级电磁透镜聚焦形成平行高能电子束，穿透极薄样品。电子与样品内部原子发生散射、衍射、干涉，透过样品的电子携带内部结构、晶体相位、厚度差异信息。

通过物镜、中间镜、投影镜多级放大，最终在荧光屏/CCD相机形成明暗衬度图像。

TEM 成像为样品内部二维投影结构，分辨率远高于SEM，可观测晶格、缺陷、位错、纳米晶。

3. 设备结构组成（配图说明）

3.1 SEM 设备结构（配图1）

【配图1：SEM结构原理图（原创标准图）】

从上至下结构：电子枪 → 聚光镜 → 扫描线圈 → 物镜 → 样品台 → 二次电子检测器 → 背散射电子检测器 → 真空系统 → 成像系统

核心特点：电子束扫描样品表面，不穿透样品。

3.2 TEM 设备结构（配图2）

【配图2：TEM结构原理图（原创标准图）】

从上至下结构：电子枪 → 聚光镜系统 → 样品薄区 → 物镜（核心分辨率透镜） → 中间镜 → 投影镜 → 荧光屏/相机

核心特点：电子束穿透样品，多级透镜放大内部结构。

4. 实验样品制备（最关键、最容易失败环节）

4.1 SEM 样品制备标准流程

4.1.1 固体材料制样

样品尺寸：直径/边长 ≤10 mm，高度 ≤5 mm（适配样品台）
表面清洁：乙醇、超声清洗、去除粉尘油污
固定：导电胶（碳胶/铜胶）粘贴于样品台，保证导电接地
喷金/喷碳：绝缘样品必须溅射镀金（10–30 nm）消除荷电效应

4.1.2 粉末样品制样

粉末分散于乙醇，超声分散，滴于硅片/玻片
干燥后粘贴导电胶，轻微吹去浮粉
必须喷金，否则荷电严重、图像发白模糊

4.2 TEM 样品制备标准流程（高难度核心步骤）

TEM 对样品唯一硬性要求：必须超薄（50–200 nm）、电子可穿透

4.2.1 粉末样品制样（最常用）

样品粉末加入无水乙醇，低功率超声分散 3–5 min
形成均匀稀悬浮液
吸取微量液滴，滴于微栅铜网/碳膜铜网
室温自然晾干或红外低温烘干
保证铜网上颗粒稀疏、无堆叠、无团聚

4.2.2 块体样品制样

机械减薄 → 砂纸打磨 → 抛光 → 离子减薄 / 双喷电解减薄，最终获得电子透明薄区。

5. 上机标准化实验操作步骤

5.1 SEM 上机操作全流程

步骤1：样品装入样品台，确保牢固、接地良好

步骤2：关闭舱门，启动机械泵+分子泵抽真空（真空度达到 10⁻³–10⁻⁴ Pa 方可开机）

步骤3：开启电子束，设置加速电压

常规参数：5–15 kV；绝缘材料低电压 3–5 kV；高分辨 15–20 kV

步骤4：对焦、消像散、调整亮度对比度

步骤5：低倍定位 → 高倍精细拍摄

步骤6：可切换 SE（形貌）/ BSE（成分衬度）模式

5.2 TEM 上机操作全流程

步骤1：铜网样品装入样品杆，锁紧固定

步骤2：缓慢插入样品杆，逐级抽真空

步骤3：开启高压（常规 200 kV / 120 kV）

步骤4：低倍寻找薄区、无破损、无污染区域

步骤5：逐步调高倍数，聚焦、消像散

步骤6：明场（BF）成像、高分辨HRTEM成像、电子衍射（SAED）采集

6. 成像模式与信息解析（专业核心）

6.1 SEM 成像模式

SE二次电子像：表面形貌、立体感强、用于微观形貌观察
BSE背散射电子像：原子序数衬度，重元素亮、轻元素暗，用于相区分、合金分布
EDS能谱：元素定性、定量、元素mapping分布

6.2 TEM 成像模式

TEM明场像（BF）：颗粒形貌、尺寸、分散性、缺陷明暗衬度
HRTEM高分辨透射像：晶格条纹、晶面间距、晶体取向、缺陷、非晶区
SAED选区电子衍射：点阵衍射环/斑点，判断单晶、多晶、非晶
EDS/TEM-Mapping：单颗粒元素分布

7. 图文对照：SEM与TEM典型成像区别（配图3）

【配图3：SEM与TEM成像效果对比示意图（原创）】

SEM图像特征：立体凹凸、景深大、明暗反映起伏、适合看颗粒外观、表面纹路、断面形貌

TEM图像特征：平面投影、明暗反映厚度/原子密度、可看到内部晶格、缺陷、超细结构

8. 常见实验故障与解决方案（科研必备）

8.1 SEM 常见问题

故障现象	原因	解决方法
图像发白、漂移、模糊	样品不导电、荷电效应	绝缘样品必须喷金/喷碳，加强导电接地
图像有横纹、抖动	振动干扰、地线不良	关闭振动源，检查设备接地
分辨率差、边缘不锐利	真空度不足、电压参数不当	等待高真空，优化加速电压

8.2 TEM 常见问题

故障现象	原因	解决方法
全视野漆黑	样品太厚、电子无法穿透	重新制样，降低样品厚度
图像大面积雪花噪点	样品污染、碳膜破损	更换新铜网，重新分散样品
无法看到晶格条纹	对焦不准、像散未消、样品太厚	精细消像散、选用薄区、高倍聚焦

9. SEM与TEM核心区别总结表（配图4）

【配图4：SEM与TEM技术参数对比总图】

对比项目	SEM扫描电镜	TEM透射电镜
电子作用方式	扫描样品表面	穿透样品内部
成像信息	表面形貌、粗糙度、元素分布	内部结构、晶格、缺陷、晶体衍射
分辨率	1–3 nm	0.05–0.2 nm（原子级）
样品厚度	无严格厚度要求	必须 50–200 nm 超薄
制样难度	简单	极高
图像特点	立体、景深大、直观形貌	平面、超高分辨、结构精细

10. 实验结论与适用场景选择

1. 想看颗粒大小、表面形貌、材料断面、元素分布 → 选择 SEM

2. 想看晶格结构、晶体缺陷、位错、超细纳米结构、单颗粒内部 → 选择 TEM

3. 高水平科研通常SEM+TEM联合表征，实现“宏观形貌+微观结构”完整论证。

附录：本文内置4张原创配图（可直接另存使用）

配图1：SEM设备结构与电子束扫描原理示意图

配图2：TEM设备结构与透射成像原理示意图

配图3：SEM立体形貌成像 vs TEM超薄结构成像对比图

配图4：SEM/TEM技术参数与应用场景对比总图

00000_副本2.png