扫描电子显微镜(SEM)的形貌观察和波谱/能谱的成分分析是对电子枪发射的高能电子与试样相互作用产生的各种信息进行检测和分析获得的。当高能入射电子与试样的原子核和核外电子发生弹性散射或非弹性散射的相互作用时，将发生运动轨迹的偏移或能量的交换，并激发样品原子，从而产生大量携带样品形貌、结构和组成的信号电子，主要有二次电子、背散射电子、特征性X射线、俄歇电子、透射电子、吸收电子和阴极发光等，可利用这些信号电子成像来分析试样。

　　不同类型信号电子具有不用的激发体积和形状，其逸出范围取决于加速电压和材料类型，入射电子束与样品相互作用范围示意图如下。

　　各种信号作用深度：

　　俄歇电子：0.4-2nm

　　二次电子：5-10nm

　　背散射电子：0.1-1um

　　特征X射线：0.5-5um

　　01透射电子：透射电镜成像主要信号电子

　　当样品厚度比较薄(100nm以内)时，部分高能入射电子就可能穿透整个样品，从样品的下表面出射，即为透射电子。

　　特点：

　　1.透射电子产率与加速电压和样品质量厚度有关，加速电压越高，样品质量厚度越小，电子穿透力越强，成像分辨率越高。

　　2.透射电子信号由微区厚度、成分和晶体结构决定。透射电子中除了有能量和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，其中有些特征能量损失电子和分析区域的成分有关。

　　用途：

　　1.透射电镜成像的主要信号，用于高倍形貌像观察，高分辨原子、分子、晶格像观察和电子衍射晶体结构分析。

　　2.可以利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。

　　02二次电子：扫描电镜中应用最多的信号电子

　　当高能入射电子与试样原子核外内层电子或价电子发生相互作用时，将部分能量传递给核外电子，使其获取能量后发生电离形成自由电子，通过克服材料的逸出功离开样品即为二次电子。

　　特点：1.能量低，只有样品表面5-10nm区域产生的二次电子才能够克服材料的逸出功，离开样品到达探测器。2.空间分辨率高，一般为5-10nm。3.对表面形貌变化非常敏感，能够真实地反映样品表面和极表面形貌特征。4. 二次电子的产额与原子序数没有明显的依赖关系，所以不能用来进行成分分析。

　　用途：用于样品表面和极表面形貌特征的观察

　　03背散射电子

　　当高能入射电子轰击试样时，由于受样品原子核的库仑作用，将在任意方向上发生弹性散射，当其中部分入射电子所累积的总散射角大于90°时，这部分电子会重新返回试样表面，称之为背散射电子。根据其能量损失与否，分为弹性背散射电子和非弹性背散射电子，其中前者占大部分。

　　特点：1.背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围，成像分辨率小于二次电子，一般为50-200nm。2.背散射电子产额与样品倾斜角和原子序数密切相关，随二者的增大而增加，特别依赖于原子序数的变化，所以背散射电子信号与样本化学组成有关。

　　用途：既可以用作形貌分析，也可以显示试样的原子序数衬度，定性的做成分分析。

　　04特征X射线

　　当高能入射电子轰击试样后，部分入射电子与原子中的内层电子发生非弹性散射，将其部分能量传递给内层电子使其激发并脱离该原子。此时，内壳层上将出现一个空位，整个原子处于一种不稳定的高能激发态，在受激后的瞬间(约10-12s)会有一系列外层电子相继向内壳层空位进行补位跃迁，同时产生一系列特征X射线和俄歇电子，释放出多余的能量促使原子恢复到更低能量的基态。

　　特点：1.特征X射线的波长和强度决定于原子的核外电子能级结构，每种元素都有自己特定的特征X射线谱，入射深度一般为0.5-5um。2.随着原子序数增加，产生特征X射线的几率增加。

　　用途：通过探测特征X射线能量可以反映样品中元素组成的变化，进行定量成分分析。

　　05俄歇电子

　　当高能入射电子与样品原子发生相互作用后，原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以特征X射线的形式释放，而是用这部分能量把空位层的另一个电子发射出去(或使空位层的外层电子发射出去)，这个被电离出来的电子叫俄歇电子。示意图如下

　　特点：

　　1.能量低，只能从样品小于2nm深度的浅表层逸出。

　　2.具备样品原子的特征能量，特别适合做浅表层成分分析，用在俄歇电子能谱仪AES上。

　　3.分析元素广，适合除氢氦元素外的所有元素，对轻元素敏感。

　　4.俄歇电子产额αK与特征X射线的荧光产额ωK关系为αK+ ωK=1。

　　用途：

　　特别适合做浅表层成分分析。比如表面物理化学性质的变化(表面吸附、脱附以及表面化学反应)，用于材料组分的确定、纯度的检测、材料尤其是薄膜材料的生长等。

　　06吸收电子

　　当电子束入射至样品中时，部分入射电子经历多次散射作用后既没有转变成背散射电子，也没有穿透样品，而是在散射过程中将能量消耗殆尽之后，被样品所吸收，称之为吸收电子。

　　特点：1.吸收电子的数量与试样的厚度、密度和组成试样的原子序数有关。2.吸收电子信号强度与背散射电子信号强度相反，即背散射电子信号强度弱，则吸收电子信号强度就强，反之亦然，所以吸收电子像的衬度与背散射电子像的衬度相反。

　　用途：1.可以用其获取试样的形貌像和成分像。因为吸收电子像的分辨率不如背散射电子像的分辨率，所以一般很少用于图像观察。2.微区定性成分分析，在实际工作中，吸收电子像常用来分析试样中亚表面的缺陷，如潜在的微裂缝与空洞等。

　　07阴极荧光

　　某些材料，如硫化锌晶体、半导体、磷光体和荧光粉等，受到高能电子轰击后，会在紫外和可见光谱区发射长波长光子，这个现象称为阴极荧光，通过采集、检测阴极荧光进行成像，可研究该物质的成分和发光信息。

　　特点：产生阴极荧光的物质主要是那些含有杂质元素或晶格缺陷(如间隙原子、晶格空位等)的绝缘体或半导体

　　用途：1.用来研究矿物的发光性、所含杂质类型和晶格缺陷等。2.半导体材料中晶体的缺陷、位错、自由电子和掺杂浓度的变化。3.根据荧光材料的发光情况，研究其材料的均匀性和夹杂物的分布及种类。4.确定试样中某些微量元素的存在，特别是那些浓度接近和略低于能谱仪检测限的元素。