SEM（扫描电子显微镜）简介

扫描电子显微镜，或 SEM，通过扫描物体的表面来生成高分辨率的图像，从而产生详细的放大图像。

SEM 使用聚焦的 电子束来做到这一点。

生成的图像显示了有关物体的构成及其物理特征的信息。

获得有关成分和形貌信息的仪器是扫描电子显微镜。

作为一种实用且有用的工具，SEM 在多个行业和部门中具有广泛的应用。它可以分析人造和天然材料。

SEM 期间会发生什么？

扫描电子显微镜通过用电子束扫描样品来工作。电子枪发射这些光束，然后加速扫描电子显微镜的柱子。

在此过程中，电子束通过一系列透镜和孔径，这些透镜和孔径起到聚焦作用。

这发生在 真空条件下，这可以防止显微镜柱中已经存在的分子或原子与电子束相互作用。

这确保了高质量的成像。

真空还保护电子源免受振动和噪音的影响。

电子束以光栅图案扫描样品，从一侧到另一侧、从上到下以线状扫描表面区域。

电子与样品表面的原子相互作用。这种相互作用以二次电子、背散射电子和射线的形式产生信号，这些信号是样品的特征。

显微镜中的探测器接收这些信号并创建显示在计算机屏幕上的高分辨率图像。

扫描电子显微镜如何工作？

用于 SEM 的仪器包括以下组件：

• 电子源

• 阳极

• 聚光镜

• 扫描线圈

• 物镜。

电子源在显微镜柱的顶部产生电子。

阳极板带有正电荷，它吸引电子形成束。

聚光透镜控制光束的大小，并确定光束中的电子数量。光束的大小将定义图像的分辨率。

孔径也可用于控制光束的大小。

扫描线圈使光束沿 x 轴和 y 轴偏转，以确保它以光栅方式扫描样品表面。

物镜是产生电子束的透镜序列中的最后一个透镜。作为最靠近样品的透镜，它将光束聚焦到样品上的一个非常小的点。

电子不能穿过玻璃，因此 SEM 透镜是电磁的。它们由金属杆内的一圈电线组成。

当电流通过这些线圈时，它们会产生 磁场。

电子对这些磁场高度敏感，因此显微镜中的镜头可以控制它们。

什么是背散射电子和二次电子

当来自显微镜的电子与样品相互作用时，会产生不同种类的其他电子、光子和辐射。

成像所必需的两种电子是背散射电子 (BSE) 和二次电子 (SE)。

• 当初级电子束与样品物体相互作用时，背散射电子被反射回来。这些是弹性相互作用。

• 二次电子不同，因为它们来自样品的原子，是非弹性相互作用的结果。

这些弹性和非弹性相互作用之间有什么区别？

• 当初级电子没有能量损失时会发生弹性相互作用，当这种情况发生时，电子可以改变方向但不会改变它们的波长

• 当相互作用导致初级电子的能量损失时，就会发生非弹性相互作用。

BSE 和 SE 包含不同类型的信息。BSE 来自样品的较深区域，而 SE 来自表面区域。

来自 BSE 的图像对原子序数差异表现出高度敏感性，这些差异会显示为更亮或更暗。

SE 图像包含更详细的表面信息。

扫描电子显微镜需要不同类型的反向散射和二次电子探测器。

通常，对于 SE，这将是一个 Everhart-Thornley 检测器。这包括法拉第笼内的闪烁体。该探测器带正电以吸引 SE。

为了检测疯牛病，显微镜将使用放置在样品上方的固态检测器。

是什么产生了 SEM 中使用的电子？

SEM仪器使用三种产生电子的方法：

• 场发射枪——这会产生强大的电场，将电子从原子中拉开并生成高分辨率图像。它采用真空设计。

• 热离子灯丝——在显微镜内，这种钨在白热化的温度下加热，直到它发射电子。在高温条件下，其寿命约为 100 小时。

• 六硼化铈阴极——亮度是钨的十倍，这种电子源提供了改进的信噪比和更好的比率，使用寿命超过 1,500 小时。

电子显微镜与光学显微镜有何不同？

在光学显微镜中，您使用光和透镜组合来放大图像。

这使您能够查看诸如细胞之类的小物体，但您可以实现的放大倍数有限，因此您可以分析的材料和物质也受到限制。

电子显微镜是不同的，因为您使用电子束而不是使用光束。

电子显微镜可以克服光学显微镜的局限性，因为它们使用更短的波长，从而产生更好的图像分辨率。

在适当的光量下，人眼可以在不使用镜片的情况下区分相距 0.2mm 的两点。

这个距离就是眼睛的分辨率。

光学显微镜可以放大这个分辨率，这样肉眼就可以看到距离小于 0.2 毫米的点。

光学显微镜的最大放大倍率约为 1000 倍。镜头的数量及其质量限制了其功能。但是另一个因素也限制了它的分辨率，这个因素就是光。

白光的波长为 400 至 700nm（纳米）。

平均波长为500nm。这给出了大约 200 到 250nm 的理论分辨率检测限。

因此，波长是光学显微镜分辨率的限制因素。电子显微镜克服了这一点，因为电子的较短波长可以实现更好的分辨率。

使用 SEM 可以实现的最大分辨率取决于各种因素，例如电子光斑尺寸和电子束与样品的相互作用体积。

一些扫描电子显微镜可以达到1nm以下的分辨率。

全尺寸仪器的分辨率通常在 1 到 20 纳米之间，而台式仪器的分辨率则为 20 纳米或更高。

SEM的优势是什么？

扫描电子显微镜具有广泛的研究和实际应用。

它提供详细的地形图像，提供多种数据。

经过适当的培训，SEM 设备操作简单，专业但用户友好的软件支持它。现代 SEM 数据以数字形式出现。

这是一个快速的过程，仪器可以在五分钟内完成分析。

有一定程度的样品制备是必要的，但通常这很少。

您如何为 SEM 准备样品？

首先，重要的是要考虑样品的大小、形状和状态，以及它是否具有导电性能。

• 如果样品不具有导电特性，则需要先使用溅射镀膜机对其进行镀膜。导电涂层包括金、银、铂和铬。除非导电材料外，涂层还适用于对电子束敏感的样品，例如塑料。

• 为确保图像清晰，您必须确保样品干净。

• 为了在此过程中保持其结构细节，请使用固定剂，或在必要时通过酒精使其脱水。

• 在将样品置于显微镜的真空环境中之前，样品必须完全干燥。如果不干燥，水汽化会阻碍电子束，影响图像的清晰度。

SEM 可以执行哪些类型的分析？

SEM 可以执行的主要分析类型有：

• BSE – 背散射电子检测

• EDS – 能量色散 X 射线光谱

• CL – 阴极发光

• EBSD——电子背散射衍射。

BSE 生成的图像会携带有关样本组成的信息。BSE 图像提供有价值的晶体学、形貌和磁场信息。

EDS 分离具有不同元素特征的 X 射线，有助于分析材料的能谱和化学成分。

CL 生成发光材料的高分辨率数字图像。

EBSD 提供有关材料晶体结构和取向的直接信息，并可对多晶聚集体进行分析。

哪些行业和部门使用 SEM？

扫描电子显微镜的适应性使其成为广泛的科学、研究、工业和商业应用的理想选择。

SEM 图像提供以下信息：

• 地形

• 作品

• 形态学

形貌是样品表面上特征或部分的分布。

成分是样品的组成部分。

形态是样品的形式、形状或结构。

生物科学

SEM 在生物科学中的用途包括鉴定细菌菌株和测试疫苗。

它也应用于遗传学。

SEM 还可以帮助衡量气候变化对不同物种的影响，并发现新物种。

取证

SEM 是分析枪击残留物以及分析犯罪现场的油漆颗粒和纤维的可靠方法。

它可以分析笔迹和印刷品，是检验钞票真伪的一种手段。

它用于分析交通事故现场的灯丝灯泡。

地质取样

扫描电子显微镜可以识别土壤和岩石样品的成分差异，并确定风化对材料的影响。

SEM 在考古遗址中用于识别早期工具和人工制品，以及确定历史遗迹的年代。

它可以测量农业和农业的土壤质量。

医药科学

SEM 用作比较患者和对照组的血液和组织样本的技术。

它可以帮助识别病毒和疾病，并测试新药。

电子产品

SEM 通过对设计进行详细检查并协助开发新的制造和生产方法来支持微芯片组装。

随着微芯片组装材料越来越小，SEM 的高分辨率能力在设计、研发过程中变得不可或缺。

SEM 提供的拓扑信息对于检查和测试半导体的可靠性和性能也是必不可少的。

扫描电子显微镜在质量控制过程中是必不可少的。

他们还 通过改进制造方法来支持纳米线的发展。

材料科学

在材料科学中，SEM 应用于广泛的领域和学科，从航空航天和化学到能源和电子。

应用包括合金、 介孔结构、纳米管和纳米纤维的研究。

微观质量控制

跨不同行业的许多现代开发和研究越来越需要微观水平的精确质量控制。

SEM 具有获得清晰、高分辨率图像的能力，是一种调查分析技术，在支持新技术的实际发展和工业 4.0 的发展方面发挥着关键作用。