三维V2O5石墨烯的制备及其在镁离子二次电池正极材料的应用研究.docx

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三维V2O5石墨烯的制备及其在镁离子二次电池正极材料的应用研究

三维V2O5/石墨烯的制备及其在镁离子二次电池正极材料的应用研究

随着镁离子二次电池的深入研究与应用，可充镁电池成为了一种非常具有潜力的可充新型电池，由于其具有高能量密度、低价格、安全的操作等方面的优点，使其越来越成为科学家们研究的热点，镁的理论比容量较大，因而将镁作为负极的可充镁电池能比铅酸电池和镍-镉电池系统高出很多的能量密度。

三维V2O5/石墨烯纳米复合材料是很有前景的镁离子二次电池的正极材料之一。

石墨烯特殊的单原子层结构决定了它具有优异的电子导电性、独特的机械强度和超大的比表面积。

石墨烯这些非凡的性质使得它在新能源领域有了广泛的应用,有望取代其它的碳材料。

然而,就当前阶段,一方面石墨烯的成本较高,另一方面石墨烯也存在着一定的结构缺陷。

本论文从原料经济廉价易得的角度出发,使用一种基于石墨烯的纳米复合物三维V2O5/石墨烯作为镁离子电池的正极材料进行研究。

主要研究该复合材料的性质及对镁离子电池的电化学性能。

通过水热法制备石墨烯及三维V2O5/石墨烯纳米复合材料，运用SEM、TEM、XRD、Raman等手段对其进行表征分析。

公元左右，人们便开始有了对电池的初步认识，在1800年，意大利人伏打（Volt）发明了世界上第一套电源装置，并将其推广使用，从此电池开始发展。

随着高新技术的发展和为了与坏境友好共处持续发展，对电池提出了更高的要求。

随着人们生活水平的提高，以电池为能源的电动汽车将会慢慢取代部分燃料汽车，故而新型化学电源将会迎来一个春天。

对于新型化学能源来说，应该具有较高的能量密度，这就要求使用高反应活性的电池组份。

不久前，以色列科学家D.Aurbach等人【1】研制出了一种使用金属镁作为负极的小型充电电池。

镁和锂处于周期表的对角线上，镁的离子半径、化学性质和锂有许多相似之处，而且镁的资源比较丰富，价格低廉，能量密度高且加工处理相对锂比较简单。

可充镁电池原理跟锂电池相同，

1.1课题背景

现在使用的二次电池主要有Ni-Cd、Pb酸、Ni-MH及Li离子蓄电池，其中Ni-Cd、Pb酸、Ni-MH这两种电池中含有有害元素Cd和Pb严重污染环境。

Li离子电池也是近年来的应用和研究热点，由于锂特别活泼，Li离子二次电池用于大容量储电时，将遇到安全问题，随着石油资源的日益枯竭，人们对新能源的开发越来越大力，使得对电动汽车的渴求也越来越大，迫切需要廉价、对环境无污染的并且大容量的二次电池的开发与应用。

镁二次电池是有望应用于电动汽车的环保蓄电池，比锂离子电池具有更多优点。

1.2锂离子电池综述

1.2.1锂离子电池的工作原理

锂离子电池的充放电原理（以石墨位负极、LiCoO2为正极为例）简示如图1-1。

图1-1锂离子电池充放电原理图

电极反应如下：

正极:

LiCoO2

Li1-xCoO2+xLi

+xe

负极：

6C+xLi

+xe

LixC6

总的反应：

6C+LiCoO2

Li1-xCoO2+LixC6

在正极中（以LiCoO2为例），Li

和Co

各自位于立方紧密堆积氧层中交替的八面体位置。

充电的时候，Li

会从八面体的位置发生脱嵌，释放出一个电子，Co

氧化成为Co

；放电的时候，锂离子会嵌入到八面体的位置，即得到一个电子，Co

还原成Co

。

1.2.2锂离子电池的发展和特点

20世纪60、70年代发生的石油危机迫使人们去寻找新的能源。

金属锂质量轻、质量能量密度大及氧化还原电位低等方面的优点，使得锂电池逐渐成为了替代能源之一。

在20世纪70年代初实现了锂电池商品化【2】。

现在的锂离子电池的性能与刚诞生时相比，性能有了明显提高，目前具有以下特点：

能量密度高，UR18650型的体积容量和质量容量分别可超过620W.h/L和250W.h/kg，随着技术的不断发展，还在不断提高；

平均的输出电压高达3.6V左右，是Ni-Cd、Ni-MH电池的三倍；

有很高的输出功率；

自放电很小，每月在10％以下，不足Ni-Cd、Ni-MH的一半；

具有优越的循环性能，没有如Ni-Cd、Ni-MH那样的记忆效应，；

有很高的充电效率，第一次循环之后基本上仍为100％；

当然，现在的锂离子电池仍然有其不完美的地方：

成本高，重点是正极材料LiCoO2的价格高，在不断发展正极技术的情况下，可以采用氧化锰锂为正极，大大较低锂离子电池的成本；

必须要有特殊的保护电路，以防止过充电。

1.2.3锂离子电池正极材料的研究现状

1990年索尼公司推出以氧化钴锂作为正极的锂离子电池，使得便携式化学电源得到了很好的发展，可以说是电池革命史上的一次伟大创新。

此后，科学家们陆续研发出以LiNiO2、LiMnO2、LiV2O8作为正极的锂离子电池，但是这些锂离子电池都有各自的缺点。

近来，过渡金属钒氧化物成为了科学家研究的热点。

1.3镁离子电池综述

1.3.1镁离子电池的研究背景

可充镁电池的研究还处于初步阶段，有望取代传统电池，成为电动汽车及其他电商的新宠。

镁（Mg）是元素周期表中第12号元素，第ⅡA主族碱金属元素，原子质量为24.3050（6）化合价是+2，具有密堆六方晶体结构。

现已发现镁的同位素有13种，但是只有镁24、镁25、镁26是稳定的，相对出现率是77％、11.5％、11.1％，其它镁的同位素都带有放射性。

镁的电子排布式是1s

，2s

，2p

，3s

。

金属镁和锂处于周期表的对角线上，因此具有相似的化学性质，二者性质比较如表1-1。

表1-1负极材料镁和锂的性质比较

由表1-1中二者的一些参数对比可见，锂离子的和镁离子的半径分别为68nm和62nm，在大小上是相当的，因而以镁离子取代锂离子来嵌入化合物中是有可能的；而且金属镁较金属锂稳定，加工处理比较方便，从而安全问题较小；地球镁资源比较丰富且环境友好。

就电池应用来说，Li/Li

电对的氧化还原电势比Mg/Mg

电对的低1V，虽然锂的充电容量比镁高【3】，但倘若制备一些正极材料，以金属镁为负极构成镁离子电池。

那镁离子电池的能量密度预计大于100Wh/g，这是铅酸电池或Ni-Cd电池系统的2倍多，并且与锂离子电池相比，其具有的优势是锂离子电池所不能比的，它具有安全性高，价格便宜，废弃物易于处理，因而镁离子电池拥有广阔的研究、发展前景。

虽然在镁离子电池的研究方面还处于初步阶段，对于正负极材料的合成及电化学性能的研究都不太成熟和完善，相关文献报道少，国内报道少之又少。

1.3.2镁离子电池工作原理

镁离子电池的工作原理与锂离子电池的工作原理相似，发展中的镁离子电池亦可称为“摇椅电池”。

原理图如图1-2所示。

图1-2镁离子电池原理图

它分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌镁离子的化合物作为电池的正、负极构成电池体系，主要依靠镁离子在正负极之间来回移动进行工作。

在充放电的过程中，镁离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时，镁离子从正极脱嵌，经过电解质溶液嵌入负极，负极处于嵌镁状态；放电时则相反。

对于正极材料应选择嵌入/脱嵌镁离子电位正、导电性能好、比能量高且含有可逆嵌入/脱嵌镁离子空间孔隙结构的材料。

负极材料应该具有嵌入/脱嵌镁离子电位低的特性，其它方面应该与正极材料相同。

1.3.3镁离子电池的构成

我们在研究化学电源的基本特性时，主要分析讨论正负极材料和电解液。

1.3.3.1负极材料

镁离子电池的负极主要是金属材料镁，金属镁和金属锂相似，易与同极性质子溶剂、常用的盐的阴离子[ClO

AsF

PF

]以及不可避免存在大气杂质（如水、氧气、氮气）反应，形成钝化层覆盖在金属表面。

锂的这种覆盖层会降低锂的电化学活性，但其覆盖层疏松有利于锂离子通过，从而易于锂的稳定，不影响其电化学活性。

但是镁的覆盖层是致密的，镁离子不易通过该覆盖层，使得金属镁很困难的在有机电解液中进行可逆溶解和沉积过程。

为了解决镁沉积和溶解问题，科学工作者做了许多工作。

D.Aurbach等人研究了镁在格氏试剂中的沉积和溶解，取得一定的突破。

在过去的几年里，D.Aurbach和Z.Lu等人系统的研究了镁电极在非水电解液中的电化学性能【4】。

基于这些研究提出以镁的环铝酸盐的醚溶液作为电解液，结果证明是行的通【1】。

锂离子在石墨中的嵌入/脱嵌反应使得锂离子电池的商业化【5~6】，但关于镁嵌入碳中的报道很少。

Novák【7】曾做过实验：

在1mol/LMg（ClO4）2/乙腈中（无水或含有1mol/L水）把镁嵌入到TimrexKS-6石墨中，但是观察到的结果只是一个不可逆的过程。

Maeda【8】等人以及Meada和Tozain【9】描述了在MgCl2/二甲亚砜中镁可逆地电化学嵌入到高度结晶化的热解碳中，但同时也观察到溶剂分子共嵌入到了石墨中。

Mg

（solv）y+2e

+Cn

Mg（solv）yCn

1.3.3.2正极材料

目前，被选作二次可充电池的插入/脱嵌正极材料【10】有很多种，其中大部分是基于Li和碱金属离子的插入反应进行的研究工作。

对于镁离子来说，可作为其正极可插入的材料有无极过渡金属氧化物、硼化物、硫化物及其他化合物。

图1-4是比较不同材料作为正极时的实验电位范围。

图1-3Li

和Mg

嵌入到各种材料中的典型电位区间

从图1-3分析得出，镁的嵌入电位区间与锂的嵌入电位区间差不多。

实际上，从热力学和动力学的角度分析，只有当嵌入到V2O5气凝胶中，镁的嵌入电位才会比锂的嵌入电位正出200-300mV。

嵌入到以硫基作为电极材料中时，电位在2V左右（vs.Li/Li

），氧基作为电极材料不论是镁嵌入或者是锂嵌入，电位都在3-4.5V（vs.Li/Li

）左右，但是能观察到别的电位区间。

（1）过渡金属硫化物作为嵌入电极材料

过渡金属硫化物作为一种嵌入/脱嵌基质材料，是被公认的比较典型的一种嵌入电极材料。

其有两种主要的结构：

二维的层状硫化物和Cheverel相的硫化物。

具有二维的层状硫化物它的的分子式为MS2（M=Ti，Zr，Hf，Nb，Ta，Mo，W，V），有相当多的文献报道使锂离子嵌入到这些硫化物中的方法有化学法或者电化学法。

目前，有关镁嵌入到该结构基质中的文献不多。

D.Aurbach等人透彻地研究了正极材料在各种电解液中的电化学性质后，发现Mo3S4是一种非常好的能够作为镁离子嵌入/脱嵌基质材料Cheverel相的硫化物。

在进行的的一系列非水电解质溶液实验中镁离子都能进行可逆的插入/脱嵌电化学反应，而且具有较快的反应速度【1】。

其嵌入–脱嵌反应可以表示为：

xMg

+2xe

+Mo3S4

MgXMo3S4

MgXMo3S4比较难制备，需要在真空或氩气中高温合成【1】，但是充电性能良好，是一种理想的插入/脱嵌基质材料。

（2）氧化物作为嵌入电极材料

氧化物中的强氧-金属键使得过渡金属氧化物具有高离子型，使得化合物具有高电位，而且氧化物比硫化物的更稳定，当然氧化物中只有很少部分适合做镁离子电池的插入材料。

V2O5

图1-4V2O5的晶体结构

V2O5的结构可以看做是一个层状结构【11】，与TiS2的结构相似。

化学法能使每摩尔化合物嵌入2mol的Mg

，相应V的价态从+5价还原到+3价【12】，这个容量是所有报道中最高的，由此可以估算出Mg/V2O5干凝胶电池比能量（基于V2O5计算）能够达到1200Wh/kg【12】。

但是，电化学实验中得到的最好数据为360Wh/kg【12】。

Pereira–Ramos等人报道了在150℃融化的砜或二甲亚砜中，以Mg（ClO4）2为电解质Mg

插入到V2O5的例子，方程式如下：

xMg

+2xe

+V2O5

MgxV2O5

在电流密度为0.1mA/cm

时，最终能形成的嵌入化合物为Mg0.5V2O5,但是该反应循环性能差。

V6O13

Burce等人观察到Mg化学嵌入到V6O13得到Mg0.5V2O5的情况，看上去嵌入镁离子很多，实际上以V来计，Mg

的嵌入量很少，Joho等人【13~14】证实了Mg

可以在含镁的电解液中可逆的嵌入V6O13，在1mol/LMg（ClO4）2+1mol/H2O/AN（乙腈）中，它的比容量达到380Wh/kg。

但是比容量随循环的进行而下降【13~14】。

Mgx（V3O8）2钒酸盐（通常称为矾青铜）

MgX（V3O8）2【15~16】是层状插入化合物，单体间镁作为间隔物。

镁作为间隔物在插入/脱嵌的循环过程中起到了使结构稳定的作用，可以调节钒氧单体的空间结构，这样增加了可插入的离子量，也增加了离子的扩散系数，使得电极的性能的得到显著提升。

MoO3

图1-5MoO3的晶体结构

正交晶系的MoO3结构也是常见的可嵌入材料。

Gregory等人在二丁基镁的乙烷溶液中，用化学法把镁离子插入到MoO3结构中去，得到相应的组成Mg0.5MoO3，比容量最高为140Ah/kg。

但是有一个研究小组用同样的方法却只有Gregory等人的十分之一，得到的相应组成是Mg0.05MoO3。

在1mol/LMg（ClO4）2+1mol/H2O/AN【17】（乙腈）中，Mg

插入到MoO3中的比容量可达210Ah/kg【17】。

但是这两种电解液的循环性能都很差。

十星期后，比容量都大大降低，在熔融盐中的容量为50Ah/kg，湿的乙腈中容量变为150Ah/kg【17】。

具有尖晶石结构的氧化物

图1-6三维尖晶石结构

具有通式为AM2O4尖晶石构型结构（如图1-7）的材料是应用较广泛的可嵌入材料。

Sánchez和Pereira.Ramos【18】研究了正二价镁离子插入到缺电荷和具有混合价态的氧化物Mn2.15Co0.37O4中的情况，每摩尔氧化物能插入0.23mol的Mg

。

电化学实验是在三电极体系中进行的，是以镁作为对电极，锂作为参比电极，以薄的多孔玻璃作为隔膜。

这种尖晶石材料在约3.1V表现出可逆的插入/脱嵌性能为30Ah/kg。

但是，相比而言，Li嵌入到Mn2.15Co0.37O4中的容量多很多。

其它化合物

KojiMakino等人用溶胶–凝胶法合成了Nasicon结构的Mg0.5Ti2（PO4）3和Mg0.5+y（FeyTi1-y）2（PO4）3【19】。

锰氧化合物框架结构是多样的，大体可以将其分为一维的通道、二维的层间相、三维的尖晶石结构这三种结构。

此外，Gregory、Lightfoot、Bruce、Novák和Desilvestra等人研究了TiS2、Mn2O3、CoO4、RuO2、ZrS2等一些过渡金属氧化物和硫化物。

他们觉得Mn2O3、CoO4、RuO2、ZrS2等材料有望用于镁二次电池。

1.3.3.3电解质溶液

电解质溶液与镁电沉积密切相关。

由于镁会与水反应，故电解液一般采用非水极性质子有机溶剂，加入有机盐或无机盐作为电解质构成电解质溶液。

选作镁离子电池的有机溶剂很多，但必须具备导电率高、电位窗口宽、有机分子较小且有极性等特点。

长期的研究表明，只有以格林试剂型醚溶液作为电解液时，Mg

沉积/溶解的过程才能可逆的进行。

另外，“嵌入”的正极材料又进一步制约可选溶剂。

在室温下，这些盐在0.3-0.5mol/L浓度时电导为集合毫西门子。

实验证明，电解质Mg（AlCl2BuEt）2的性能最好。

1.3.4镁离子电池亟待解决的问题

目前，科学研究表明，制约镁离子电池发展的因素主要有几个方面的因素：

（1）镁化学活性高，使得金属镁表面在绝大部分的电解液中形成钝化膜，而这种钝化膜使得二价镁离子难以通过；

（2）缺少适合传导Mg的非水介质；（3）二价镁离子体积小，有很强的极化作用，较难的嵌入到很多基质中去，因此很难选择作为正极材料的物质。

1.4纳米材料

纳米技术的基本含义是指在纳米尺寸（10-10~10-7）范围内的认识和改造自然，它通过直接操作和安排原子、分子来获得新的物质。

同时，纳米材料也随着纳米科技的发展孕育而生，而且由于其具有较小的尺寸和较大的比表面积等物理效应带来的奇特性质，使得它在21世纪科学研究中占据了重要的一席之地。

进入90年代，纳米科学技术已经扩散到化学电源领域。

当任何的小粒子进入到纳米的量级（1~100nm）时，其由于尺寸的原因，从而使得纳米材料具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应与宏观量子隧道效应。

在化学电源领域里，目前已经开发出多种纳米新材料。

在电池用纳米材料的研究开发中，老的方法不断完善，新的方法不断涌现。

现阶段，纳米材料合成的方法有很多种，从物料状态可归纳为三种：

气相法、液相法和固相法。

按制备原理来分，又可归纳为物理法和化学法两大类。

不同的制备方法各具特点，适用于不同领域。

1.5本论文研究意义和研究内容

21世纪的今天，人类面临着的挑战日益严重，石油、煤炭等自然资源面临枯竭状态，环境污染和地球温室效应日趋严重。

开发新型装置使化学能转变为绿色电能变得尤为迫切。

镁离子电池是一种新型绿色化学电源，现在正处于初步研究阶段，对其正、负极材料的合成及电化学性能的研究都不成熟和完善，因而存在大量需要解决的问题。

为此本实验以镁离子电池正极材料三维石墨烯/V2O5的制备、表征及其电化学性能研究为主线，进行一系列研究工作：

（1）对三维石墨烯/V2O5进行制备；

（2）对三维石墨烯/V2O5的有关物理、化学性质及化学性能进行表征；

（3）对测试体系进行研究。

第二章石墨烯/五氧化二钒正极材料的制备及其表征结构

2.1制备方法

（1）化学气相沉积（CVD）

CVD是一个比较成熟的技术，它的工业使用能够追溯到1983年deLodyguine的专利文献，通过H2还原WCl6把W钨沉积碳灯丝表面。

在此时期，CVD技术发展成经济上可靠的工业过程，用于高纯度难溶金属如Ni,Ti,Ta和Zr的热冶金生产和提取。

然而，只是在过去50年，对CVD过程大量深入的理解和增加的应用才逐渐出现。

后来CVD技术从提取转向强调过程中的沉积方面，让CVD变成重要的镀膜技术，用于制备功能性半导体薄膜，和具有改进的表面性质的涂层，如防止腐蚀，磨损，氧化，化学反应，热冲击和中子吸附的保护涂层。

在20世纪70年代早期，CVD在电子电路和电子电路半导体保护涂层制造业取得相当大的成功。

如今，CVD技术在军事、航空、科学和工程领域变得越来越重要。

其非常适合制备许多先进产品，包括复合材料和体相材料，涂层和膜。

化学气相沉积（CVD）过程涉及到气相反应物在热（或光、等离子等）激活的环境中分解和（或）发生化学反应，形成稳定的固体产物。

沉积过程涉及均相气相反应，其发生在气相和（或）加热的表面上（或附近）的多相化学反应，分别生成膜或粉末。

CVD具有很多方面的优势：

能够通过改变CVD过程参数，来控制晶体结构，表面形貌和CVD产物的方向；CVD是一个有很好均镀能力的非视线过程。

因此，能够给复杂形状部件均匀镀膜，沉积的膜具有好的保角覆盖率；能够制备高密度和纯度的材料；能够制备均匀的薄膜，具有较高的沉积速率和好的重复性；能够灵活地使用较大范围的化学前驱物，如氢化物，卤化物，有机金属化合物，使得CVD可以制备大量的材料，包括金属，氧化物，氮化物，硫化物，碳化物，III–V和II–VI材料等；沉积速率可以调节，且常规CVD过程的成本也相对合理；相对低的沉积温度，能够在低能条件下在衬底表面通过蒸汽相反应，成核和生长原位沉积所需相的材料。

（2）水热法

水热（hydrothermal）”纯粹源于地质学，英国地质学家SirRoderickMurchison（1792-1871）最先使用水热来描述温度和压力升高时水的行为，它引起地壳变化形成各种岩石和矿物。

水热过程可以定义为：

高温高压下，有水溶剂或矿化剂参与的任何多相化学反应，它可以溶解和重结晶（恢复）常规条件下相对难溶的物质。

经过不断发展，包括非水溶剂的使用（solvothermal）和超临界反应（被认为是水热技术的扩展）等，水热反应现在被用来描述在密闭系统中发生的有溶剂（水或非水）参与的所有多相化学反应。

水热技术与其它先进材料制备技术相比具有许多优点：

制备出的产物具有高的纯度和均匀性，高的晶体对称性，可以制备有独特性质的亚稳态化合物和窄尺寸分布的亚微米到纳米尺寸颗粒，材料的化学组成范围宽，过程简单耗时短，较低的能量要求等等。

进一步，还可以利用微波、超声、机械和电化学反应来增强水热反应动力学。

进入21世纪，水热已经成为一种纳米材料加工的前沿技术。

水热技术连接所有重要技术，如地质学、生物学、纳米和先进材料技术。

2.2样品的表征方法

2.2.1拉曼光谱（Raman）

Raman振动特征可以反映材料内部的微观结构。

Raman光谱是利用拉曼散射为理论基础的，其指的是当能量为hν0的照到样品分子上时,光由于和样品的原子或者分子产生相互作用形成散射光，在弹性散射过程中，分子与光子之间不会产生能量交换，只是其运动方向会发生改变，频率没有变化，这样的弹性散射过程与瑞利散射相对应。

在非弹性散射过程中，分子与光子间将发生交换能量的过程，光子不仅仅运动方向发生变化，而且光子会把一部分能量传递给分子，转变为分子的振动或转动能，或者光子从分子的振动或转动得到能量。

光子得到能量的过程对应于频率增加的反斯托克斯拉曼散射；光子失去能量的过程对应于频率减小的斯托克斯拉曼散射。

斯托克斯线和反斯托克斯线对称分布在瑞利线两侧，且反斯克斯线一般较弱，通常只测试斯托克斯线。

拉曼光谱测试即是利用入射光导致分子振动和转动发生光的散射,散射光的频率因分子内键的不同而有差异,收集散射光并分析其频率和强度可以分析出样品的结构和化学键,是表征样品结构,尤其是样品中碳结构的重要研究和分析手段。

本论文使用的是日本HoribaJobinYvon公司生产的LabRamHR-80拉曼光谱仪，配备532nm波长的固体激光器，测试条件为室温，大气环境。

2.2.2X射线衍射（XRD）

X射线衍射（XRD）除包含晶体结构本身信息外，还包括相结构、晶粒尺寸和

分布、晶粒取向、缺陷等丰富的信息，广泛应用于物理、化学、材料等学科及

工业和生活的方方面面。

每一种结晶物质，都有其特定的晶体结构，包括点阵类型、晶面间距等参数，用具有足够能量的x射线照射试样，试样中的物质受激发，会产生二次荧光X射线（标识X射线），晶体的晶面反射遵循布拉格定律。

不同物质原子有不同的散射因子，不同晶体结构结构因子不同，影响衍射线的强度。

因此，不同晶体有其独特的衍射峰位置和强度，可以用来对晶体物相组成、晶体类型、晶格常数、晶粒尺寸等信息进行分析。

本论文使用荷兰Philips公司X’PertXRD衍射仪对样品的物相和晶体结构进行研究，射线源采用Cu靶，Kα射线波长为1.54056nm.

2.2.3扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜（SEM）具有景深大，放大倍数高等优点，在固体物理学、材

料科学、电子学、以及生物医学等各个领域,得到了广泛的应用。

SEM主要由三个系统组成：

电子光学系统、真空系统和成像系统。

其工作原理是：

由电子枪产生的电子束经栅极聚集成几十微米大小的“点光源”发射，经过一组磁透镜聚焦聚焦后，使电子束聚焦成约几纳米的电子束在样品表面进行扫描。

通过装在样品上侧的信号接收器，选择激发出的二次电子或背向散射电子，用来调制阴极显像管中同步扫描的电子束的强度，得到相应衬度的电子显微图像。

SEM主要观测的是二次电子和背散射电子，当入射的电子束轰击试件表面时，产生一系列的非弹性碰撞与弹性碰撞，分别产生二次电子和背散射电子。

在入射电子从样品激发出二次电子的同