知识科普|认识扫描电子显微镜（SEM）

展源 0 2023-12-26

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描电子显微镜（SEM）

知识科普|认识扫描电子显微镜（SEM）

"什么是扫描电子显微镜"

扫描电子显微镜 (scanning electron microscope, SEM) 是一种用于高分辨力微区形貌分析的大型精密仪器。具有景深大、分辨力高, 成像直观、立体感强、放大倍数范围宽以及待测样品可在三维空间内进行旋转和倾斜等特点。根据电子枪种类可分为三种：场发射电子枪、钨丝枪和六硼化镧枪。其中, 场发射扫描电子显微镜又可分为冷场发射扫描电子显微镜、热场发射扫描电子显微镜和肖特基扫描电子显微镜。

主

要

结

构

扫描电子显微镜结构图（图片来源：西南石油大学能源材料实验教学中心）

扫描电子显微镜主要由七大系统组成，即电子光学系统、信号探测处理和显示系统、图像记录系统、样品室、真空系统、冷却循环水系统、电源供给系统。

工

作

原

理

扫描电子显微镜是利用材料表面微区特征（如形貌、原子序数、化学成分、或晶体结构等）的差异，在电子束作用下通过样品不同区域产生不同的亮度差异，从而获得具有一定衬度的图像。成像信号是二次电子、背散射电子或吸收电子，其中二次电子是最主要的成像信号。

二次电子（SE）：入射电子受样品的散射与样品的原子进行能量交换，使样品原子的外层电子受激发而逸出样品表面，称为二次电子。二次电子来自样品表面十几纳米的区域，其能量小于50eV，不包含与元素相关的信息，二次电子探测图对二次电子试样表面状态非常敏感，能有效显示试样表面的微观形貌，分辨力可达5～10nm，适用于表征样品的表面信息。如左下图所示，是二次电子形貌图。

背散射电子（BSE）：入射电子受到样品原子核散射而大角度反射回来的电子称为背散射电子，作用于样品表面的深度可达1um，其产额随原子序数的增加而增加，因此背散射电子探测图用背反射信号进行形貌分析时，其分辨力远比二次电子低。但可根据背散射电子像的亮暗程度，判别出相应区域的原子序数的相对大小，由此可对材料的显微组织进行成分分析。如图右下图所示，是背散射电子形貌图。

样

品

要

求

1、不会被电子束分解；

2、在电子束扫描下热稳定性要好；

3、能提供导电和导热通道;

4、大小与厚度要适于样品台的安装;

5、观察面应该清洁，无污染物;

6、进行微区成分分析的表面应平整;

7、磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。

相

关

应

用

扫描电子显微镜是一种多功能的仪器、具有很多优越的性能、是用途最为广泛的一种仪器．它可以进行如下基本分析：
1、观察纳米材料：其具有很高的分辨力，可以观察组成材料的颗粒或微晶尺寸在0.1-100nm范围内，在保持表面洁净的条件下加压成型而得到的固体材料。

2、材料断口的分析：其景深大，图像富立体感，具有三维形态，能够从断口形貌呈现材料断裂的本质，在材料断裂原因的分析、事故原因的分析以及工艺合理性的判定等方面是一个强有力的手段。
3、直接观察大试样的原始表面：它能够直接观察直径100mm，高50mm，或更大尺寸的试样，粗糙表面也能观察，这便免除了制备样品的麻烦，而且能真实观察试样本身物质成分不同的衬度（背散射电子像）。

4、观察厚试样：其在观察厚试样时，能得到高的分辨力和最真实的形貌。

5、观察试样的各个区域的细节：试样在样品室中可动的范围非常大，可以在三度空间内有6个自由度运动（即三度空间平移、三度空间旋转），这对观察不规则形状试样的各个区域带来极大的方便。

6、在大视场、低放大倍数下观察样品，用扫描电子显微镜观察试样的视场大：大视场、低倍数观察样品的形貌对有些领域是很必要的，如刑事侦察和考古。
7、进行从高倍到低倍的连续观察：扫描电子显微镜的放大倍数范围很宽（从5到20万倍连续可调），且一次聚焦好后即可从高倍到低倍、从低倍到高倍连续观察，不用重新聚焦，这对进行分析特别方便。

8、观察生物试样：由于电子照射面发生试样的损伤和污染程度很小，这一点对观察一些生物试样特别重要。
9、进行动态观察：如果在样品室内装有加热、冷却、弯曲、拉伸和离子刻蚀等附件，则可以观察相变、断裂等动态的变化过程。

10、从试样表面形貌获得多方面资料：因为扫描电子像不是同时记录的，它是分解为近百万个逐次依此记录构成的。使得扫描电子显微镜除了观察表面形貌外还能进行成分和元素的分析，以及通过电子通道花样进行结晶学分析，选区尺寸可以从10μm到3μm。

由于扫描电子显微镜具有上述特点和功能，所以越来越受到科研人员的重视，用途日益广泛。现在扫描电子显微镜已广泛用于材料科学（金属材料、非金属材料、纳米材料）、冶金、生物学、医学、半导体材料与器件、地质勘探、病虫害的防治、灾害（火灾、失效分析）鉴定、刑事侦察、宝石鉴定、工业生产中的产品质量鉴定及生产工艺控制等。

参考资料：

1、曾毅, 吴伟, 高建华. 扫描电镜和电子探针的基础及应用[M]. 上海科学技术出版社, 2009.

2、张大同. 扫描电镜与能谱仪分析技术[M]. 华南理工大学出版社, 2009.

3、章晓中. 电子显微分析[M]. 清华大学出版社, 2006.

4、日立设备使用说明书