扫描电子声显微镜(SEAM)，由于它具有独特的高分辨率、能同时获得试 样表面电子显微镜像(SEM)和不同深度的亚表面SEAM像，以及试样制备简 单等优点，目前在材料界观成像和表征方面得到了广泛应用。同时它作为一种 仍处于发展中的新技术，特别是其成像机理和分辨率等关键的一些理论仍还需 要不断的发展和完善。本文从理论和实验上研究了扫描电子声显微镜的信号激 发机理、分辨率和分层成像机理；利用SEAM技术对铁电单晶和铁磁体进行成 像研究；并对集成电路、长骨试样以及纤维材料进行SEAM成像研究。具体内 容如下： 首先理论上采用一个改进的二维热源模型分布激励一个单层各向同性试样， 采用积分变换和格林函数法，求解了该简谐电子束源在各向同性试样中所激发的 反对称Lamb波模式，以及耦合在试样背面的压电片的电压输出；利用格林函数 的特性，分析了温度场在该试样中不同深度处所产生的电声信号。在此基础上， 理论和实验研究了扫描电子声显微镜的信号激发、横向分辨率和分层成像机理。 结果表明：SEAM的信号反差主要取决于试样的被辐照区域的力学、热学以及电 子阻止能力。SEAM的最佳横向分辨率的理论预期值为√2倍的电子束焦斑直径； 实验上对钛酸钡陶瓷等试样的成像结果表明横向分辨率可达到0.2μm，已接近该 实验条件下的理论最佳分辨率0.14μm。由于每个深度z上形成的SEAM信号是 由电子束源和热波同时激发。其中由电子束源直接激发的声信号的幅度以电子衰 减系数随距离z增加而指数衰减，其相位基本不变；而热波激发的SEAM信号， 其幅度以热扩散长度随距离z增加而指数衰减，其相位也随深度z的变化而变 化。因此SEAM的分层成像技术主要包括改变电子束加速电压、改变相位和改 变频率实现。但由于信噪比原因，实际中一般采用的是改变频率而实现分层成像， 即固定锁相相位时，z与调制频率平方根成反比，于是调节频率f,可以得到不 同深度上高质量的SEAM像，它们反映了试样在其深度上约为一个热扩散长度 处材料的力学、热学或电学性质的变化和分布。实验上通过铝-环氧粘接界面， 分别采用改变频率和改变相位进行了成像研究，证实了上述理论预期。 为了进一步揭示SEAM亚表面成像机理，本文开展了两层板的SEAM信号 激发机理的研究。理论上采用积分变换和格林函数法，对铝(15μm)-环氧界面双 层板，考虑了其内部温度和温度沿深度方向梯度作用时，求解了电子束源在这 一双层板中激发的反对称Lamb波模式，和耦合在试样背面的压电换能器输出。 对温度场和温度梯度在该双层板试样中不同深度的激发的电声信号的计算结果 表明：温度场所激发的SEAM信号主要来自于上层具有高热导的铝膜，而界面 温度梯度激发的信号主要来自于界面的环氧层内约为其自身一个热扩散长度区 域内。同时，由于温度场和温度梯度的相位不同，以及它们在不同频率时的分 布范围也不一致，因此理论上同样可以通过改变频率和相位，分层得到粘接界 面附近的SEAM像。实验上，成功的对一埋入于铝(15μm)-环氧界面的铜丝的双 层试样进行了界面附近的分层成像研究，验证了上述理论预期。 另外本文利用扫描电子声显微镜对铁电单晶和磁性试样进行成像研究。其 中对铁电单晶的不同深度的亚表面成像结果揭示了电畴在不同深度的变化情 况。另外利用线性和非线性成像技术对磁性材料进行了成像研究，它们揭示了 磁性试样内部的物理信息。这些结果表明SEAM技术有可能成为一种新的，优 秀的畴成像观测技术。 最后本文还对集成电路、长骨试样以及纤维材料进行了SEAM成像研究。 得到了这些试样在不同深度的亚表面区域的微区物理特性，并且与其各自的传 统检测技术相比，均具有一定的优越性，拓宽了扫描电子声显微镜的应用范围。 关键词：扫描电子声显微镜 亚表面成像 分层成像 畴结构