黑白之间的微观真相：扫描电镜与原位SEM如何揭示材料结构与演化

当我们在扫描电子显微镜下观察材料时，首先映入眼帘的往往是一幅黑白灰构成的图像。没有色彩，却层次分明，没有宏观参照，却细节丰富。对于初次接触的人来说，这种“黑白世界"似乎缺少直观信息，但在材料科学与微观分析领域，这种灰度图像恰恰是高度凝练的物理表达形式。

扫描电镜所呈现的每一处明暗变化，背后都对应着电子与物质相互作用的客观规律。只要理解成像机理与信号来源，黑白影像不仅不单调，反而能够揭示材料成分差异、结构特征以及动态演变过程。

扫描电子显微镜的核心在于电子束与样品之间的相互作用。当聚焦电子束扫描样品表面时，会产生多种可被探测的信号，其中常用于成像的是二次电子（SE）和背散射电子（BSE）。

二次电子主要来自样品表层极浅区域，对表面形貌高度敏感，因此能够清晰呈现微观起伏、边缘形态以及细微结构变化。

背散射电子则与材料的平均原子序数相关，不同成分区域往往呈现不同灰度层次。这两类信号的结合，使扫描电镜在单幅黑白图像中同时蕴含形貌信息与成分对比信息。

图 SE的形成（左侧）和BSE的形成（右侧）。SE由非弹性散射事件产生，而BSE由弹性散射事件产生

图 左图：相比平坦区域，SE更容易从样品的边缘和斜坡表面逸出。右图：BSE的产率取决于材料的原子序数，金产生的背散射电子多于硅

灰度强度本质上反映的是探测器接收到的电子信号数量。亮区通常意味着信号较强，暗区则相对较弱。在二次电子模式下，表面突起或倾斜区域因几何效应产生更强信号，从而表现为更亮的边缘或轮廓。在背散射电子模式下，含有高原子序数元素的区域往往显得更亮。这种物理机制使研究者能够在不依赖颜色标记的情况下，通过灰度分布初步判断材料的成分分布与结构状态。

图 硫磺的SE和BSE模式下的对比图

纹理同样是重要线索，在多晶材料中，不同晶粒由于取向差异在一定成像条件下可能表现出轻微灰度变化，晶界位置因电子散射路径变化而显现轮廓。粉末冶金材料的颗粒连接状态、烧结颈部形态以及孔隙分布，都可以在扫描电镜图像中获得直观呈现。对于薄膜或涂层材料，界面连续性、裂纹萌生位置以及表面粗糙度变化，也常通过灰度和纹理对比反映出来。这些信息并非主观推测，而是建立在电子散射理论与大量实验验证基础之上的观察结果。

图 钙钛矿太阳能电池的SE和BSE模式下的对比图

扫描电镜的优势在于其对表面形貌与成分差异的综合表达能力。当二次电子图像强调形貌细节时，背散射电子图像可以补充成分对比；当两种信号进行合理组合时，研究者可以在同一视场中同时获取几何与材料信息。这种多信号融合能力，使扫描电镜在材料研发、失效分析与质量控制中发挥重要作用。

图 泽攸ZEM系列扫描电镜可同时采集SE及BSE图像，可任意比例混合成像，使图像信息更加丰富

泽攸科技部分扫描电子显微镜系统支持二次电子与背散射电子信号采集，并可根据应用需求进行信号调节与组合，以增强图像信息表达的层次性。这种设计理念强调的是信息整合与分析便利性，而非单一指标的强化。

图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜

在传统静态观察基础上，扫描电镜技术的发展逐步引入原位观测理念。所谓原位SEM，是指在扫描电镜腔体内对样品施加外部条件，例如加热、拉伸、压缩或冷却等，并在作用过程中实时记录微观结构变化。

图 泽攸科技TEC冷台案例图

通过这种方式，研究者不再局限于观察材料“结果状态"，而可以直接看到其演变过程。例如，例如配备TEC冷台，可以对含水样品进行冷冻观察，研究其在低温下的真实结构。配备原位拉伸台，则可以在纳米尺度下实时观察材料在受力过程中的裂纹萌生与扩展行为。这些拓展功能极大地提升了SEM的科研价值。

图 泽攸科技纳米力学台案例图

原位SEM与常规扫描电镜成像之间并不存在技术断裂，而是建立在同一电子束成像原理之上。区别在于样品台或附件提供了可控外场条件，使材料行为能够在真实或模拟工况下被观察。泽攸科技在扫描电镜平台上配套开发的原位附件，强调在成像稳定性的前提下实现加载与观测的协同，便于用户在同一系统中完成形貌记录与动态实验。这种整合思路有助于减少样品转移带来的不确定因素，并保持观察条件的一致性。

图 泽攸科技部分原位SEM产品

当我们重新审视电子显微镜中的黑白世界，会发现灰度不仅仅代表亮暗，而是材料物理特性的映射。强度差异可能源于成分变化，纹理变化可能对应结构演变，边界轮廓可能揭示晶粒或相界分布。

图 利用泽攸科技原位SEM对金属玻璃在不同拉伸加载阶段的图像观察，显示剪切带的阻挡情况

图 利用泽攸科技原位SEM对弹性体光刻胶进行原位压缩测试

在原位条件下，灰度随时间的变化还可能反映材料受力或受热过程中的微观响应。通过连续帧图像对比，研究者可以定量分析裂纹扩展速率、界面分离行为或形貌重构过程，从而将视觉信息转化为可讨论的数据。

图 利用泽攸科技原位SEM对Ti65合金进行拉伸测试：(a) 室温拉伸测试的断裂表面；(b) 高温拉伸测试的断裂表面

图 Ti65合金在室温（a-c）和高温（d-f）拉伸测试过程中两组选定晶粒之间的滑移传递行为

扫描电镜技术之所以能够在多个科研与工程领域持续应用，正是因为其黑白影像背后具有明确的物理依据，电子散射理论、信号探测机制以及成像几何关系共同构成了图像形成的基础框架。

在这一框架内，观察者通过系统性的分析方法，可以将灰度与材料属性联系起来。结合原位实验能力，扫描电镜不仅能够描述“材料是什么样"，还能够回答“材料如何变化"。

因此电子显微镜中的黑白世界并非信息的简化，而是一种高密度信息表达方式。扫描电镜通过二次电子与背散射电子信号的综合利用，为材料结构与成分提供可视化依据。原位SEM则在此基础上引入时间与外场变量，使材料行为的演变过程得以呈现。在严谨的实验设计与科学分析框架下，这些灰阶图像能够为材料研究、器件开发与工艺优化提供可靠支持。

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。