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掃描電子顯微鏡
較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具
基本信息
| 中文名 | 掃描電子顯微鏡 |
| 外文名 | scanning electron microscope（SEM） |
| 屬性 | 細(xì)胞生物學(xué)、材料等研究工具 |
| 簡(jiǎn)寫 | sem |
| 發(fā)明時(shí)間 |
簡(jiǎn)介
掃描電子顯微鏡
類型
掃描電子顯微鏡類型多樣,不同類型的掃描電子顯微鏡存在性能上的差異。根據(jù)電子槍種類可分為三種:場(chǎng)發(fā)射電子槍、鎢絲槍和六硼化鑭。其中,場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡根據(jù)光源性能可分為冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)真空條件要求高,束流不穩(wěn)定,發(fā)射體使用壽命短,需要定時(shí)對(duì)針尖進(jìn)行清洗,僅局限于單一的圖像觀察,應(yīng)用范圍有限;而熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡不僅連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng),還能與多種附件搭配實(shí)現(xiàn)綜合分析。在地質(zhì)領(lǐng)域中,我們不僅需要對(duì)樣品進(jìn)行初步形貌觀察,還需要結(jié)合分析儀對(duì)樣品的其它性質(zhì)進(jìn)行分析,所以熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡的應(yīng)用更為廣泛。
發(fā)展歷史
*1873Abbe和Helmholfz分別提出解像力與照射光的波長(zhǎng)成反比。奠定了顯微鏡的理論基礎(chǔ)。
1897J.J.Thmson發(fā)現(xiàn)電子
*1926Busch發(fā)現(xiàn)電子可像光線經(jīng)過玻璃透鏡偏折一般，由電磁場(chǎng)的改變而偏折。
1931德國物理學(xué)家Knoll及Ruska首先發(fā)展出穿透式電子顯微鏡原型機(jī)。
1932年，Knoll提出了SEM可成像放大的概念，并在1935年制成了極其原始的模型。
1937首部商業(yè)原型機(jī)制造成功（MetropolitanVickers牌）。
*1938第一部掃描電子顯微鏡由VonArdenne發(fā)展成功。
1938～39穿透式電子顯微鏡正式上市（西門子公司，50KV~100KV，解像力20~30?；）。
1938年，德國的阿登納制成了第一臺(tái)采用縮小透鏡用于透射樣品的SEM。由于不能獲得高分辨率的樣品表面電子像，SEM一直得不到發(fā)展，只能在電子探針X射線微分析儀中作為一種輔助的成像裝置。此后，在許多科學(xué)家的努力下，解決了SEM從理論到儀器結(jié)構(gòu)等方面的一系列問題。
最早期作為商品出現(xiàn)的是1965年英國劍橋儀器公司生產(chǎn)的第一臺(tái)SEM，它用二次電子成像，分辨率達(dá)25nm，使SEM進(jìn)入了實(shí)用階段。
1940～41RCA公司推出美國第一部穿透式電子顯微鏡（解像力50nm）。
*1941～63解像力提升至2~3?（穿透式）及100?（掃描式）
1960EverhartandThornley發(fā)明二次電子偵測(cè)器。
1965第一部商用SEM出現(xiàn)（Cambridge)
1958年中國科學(xué)院組織研制
1959年第一臺(tái)100KV電子顯微鏡1975年第一臺(tái)掃描電子顯微鏡DX3在中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠（現(xiàn)北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司）研發(fā)成功
1968年在美國芝加哥大學(xué)，Knoll成功研制了場(chǎng)發(fā)射電子槍，并將它應(yīng)用于SEM，可獲得較高分辨率的透射電子像。1970年他發(fā)表了用掃描透射電鏡拍攝的鈾和釷中的鈾原子和釷原子像，這使SEM又進(jìn)展到一個(gè)新的領(lǐng)域。
1980年中科科儀引進(jìn)美國技術(shù)，開發(fā)KYKY1000掃描電鏡
工作原理
掃描電子顯微鏡
掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對(duì)這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測(cè)試試樣表面形貌的觀察。
當(dāng)一束極細(xì)的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子)、電子振蕩（等離子體）。
背散射電子
背散射電子是指被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。
彈性背反射電子是指倍樣品中原子和反彈回來的，散射角大于90度的那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數(shù)千到數(shù)萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏。
從數(shù)量上看，彈性背反射電子遠(yuǎn)比非彈性背反射電子所占的份額多。背反射電子的產(chǎn)生范圍在100nm-1mm深度。
背反射電子產(chǎn)額和二次電子產(chǎn)額與原子序束的關(guān)系背反射電子束成像分辨率一般為50-200nm（與電子束斑直徑相當(dāng)）。背反射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加（右圖），所以，利用背反射電子作為成像信號(hào)不僅能分析新貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性進(jìn)行成分分析。
二次電子
二次電子是指背入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。
二次電子來自表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對(duì)試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒有多大區(qū)別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達(dá)到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。
二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它主要取決與表面形貌。
特征X射線
俄歇電子
如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮樱@種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內(nèi)。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個(gè)原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號(hào)適用與表層化學(xué)成分分析。
產(chǎn)生的次級(jí)電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，次級(jí)電子由探測(cè)體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。
為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級(jí)電子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級(jí)電子信號(hào)。
原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等等。
掃描電子顯微鏡正是根據(jù)上述不同信息產(chǎn)生的機(jī)理，采用不同的信息檢測(cè)器，使選擇檢測(cè)得以實(shí)現(xiàn)。如對(duì)二次電子、背散射電子的采集，可得到有關(guān)物質(zhì)微觀形貌的信息；對(duì)x射線的采集，可得到物質(zhì)化學(xué)成分的信息。正因如此，根據(jù)不同需求，可制造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。
光學(xué)顯微鏡（OM）、TEM、SEM成像原理比較
縮小形成能譜儀獲得。具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面2材料形貌分析觀察作柵網(wǎng)式掃描。聚焦電子束與試樣相互作，產(chǎn)生二次電子發(fā)射（以及其它物理信號(hào)）。
基本結(jié)構(gòu)
1-鏡筒;
2-樣品室;
3-EDS探測(cè)器;
5-EBSD探測(cè)器;
6-計(jì)算機(jī)主機(jī);
7-開機(jī)/待機(jī)/關(guān)機(jī)按鈕;
8-底座;
9-WDS探測(cè)器。
基本原理
掃描電子顯微鏡是一種大型分析儀器,它廣泛應(yīng)用于觀察各種固態(tài)物質(zhì)的表面超微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和組成。
所謂掃描是指在圖象上從左到右、從上到下依次對(duì)圖象象元掃掠的工作過程。它與電視一樣是由控制電子束偏轉(zhuǎn)的電子系統(tǒng)來完成的,只是在結(jié)構(gòu)和部件上稍有差異而已。
在電子掃描中,把電子束從左到右方向的掃描運(yùn)動(dòng)叫做行掃描或稱作水平掃描,把電子束從上到下方向的掃描運(yùn)動(dòng)叫做幀掃描或稱作垂直掃描。兩者的掃描速度完全不同,行掃描的速度比幀掃描的速度快,對(duì)于1000條線的掃描圖象來說,速度比為1000。
電子顯微鏡的工作是進(jìn)入微觀世界的工作。我們平常所說的微乎其微或微不足道的東西,在微觀世界中,這個(gè)微也就不稱其微,我們提出用納米作為顯微技術(shù)中的常用度量單位,即1nm=10-6mm。
掃描電鏡成像過程與電視成像過程有很多相似之處,而與透射電鏡的成像原理完全不同。透射電鏡是利用成像電磁透鏡一次成像,而掃描電鏡的成像則不需要成象透鏡,其圖象是按一定時(shí)間、空間順序逐點(diǎn)形成并在鏡體外顯像管上顯示。
二次電子成象是使用掃描電鏡所獲得的各種圖象中應(yīng)用最廣泛,分辨本領(lǐng)最高的一種圖象。我們以二次電子成象為例來說明掃描電鏡成象的原理。
由電子槍發(fā)射的電子束最高可達(dá)30keV,經(jīng)會(huì)聚透鏡、物鏡縮小和聚焦,在樣品表面形成一個(gè)具有一定能量、強(qiáng)度、斑點(diǎn)直徑的電子束。在掃描線圈的磁場(chǎng)作用下,入射電子束在樣品表面上按照一定的空間和時(shí)間順序做光柵式逐點(diǎn)掃描。由于入射電子與樣品之間的相互作用,將從樣品中激發(fā)出二次電子。由于二次電子收集極的作用,可將各個(gè)方向發(fā)射的二級(jí)電子匯集起來,再將加速極加速射到閃爍體上,轉(zhuǎn)變成光信號(hào),經(jīng)過光導(dǎo)管到達(dá)光電倍增管,使光信號(hào)再轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)又經(jīng)視頻放大器放大并將其輸送至顯像管的柵極,調(diào)制顯像管的亮度。因而,再熒光屏上呈現(xiàn)一幅亮暗程度不同的、反映樣品表面形貌的二次電子象。
在掃描電鏡中,入射電子束在樣品上的掃描和顯像管中電子束在熒光屏上的掃描是用一個(gè)共同的掃描發(fā)生器控制的。這樣就保證了入射電子束的掃描和顯像管中電子束的掃描完全同步,保證了樣品上的“物點(diǎn)”與熒光屏上的“象點(diǎn)”在時(shí)間和空間上一一對(duì)應(yīng),稱其為“同步掃描”。一般掃描圖象是由近100萬個(gè)與物點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的圖象單元構(gòu)成的,正因?yàn)槿绱?才使得掃描電鏡除能顯示一般的形貌外,還能將樣品局部范圍內(nèi)的化學(xué)元素、光、電、磁等性質(zhì)的差異以二維圖象形式顯示。
掃描電子顯微鏡電子槍發(fā)射出的電子束經(jīng)過聚焦后匯聚成點(diǎn)光源;點(diǎn)光源在加速電壓下形成高能電子束;高能電子束經(jīng)由兩個(gè)電磁透鏡被聚焦成直徑微小的光點(diǎn),在透過最后一級(jí)帶有掃描線圈的電磁透鏡后,電子束以光柵狀掃描的方式逐點(diǎn)轟擊到樣品表面,同時(shí)激發(fā)出不同深度的電子信號(hào)。此時(shí),電子信號(hào)會(huì)被樣品上方不同信號(hào)接收器的探頭接收,通過放大器同步傳送到電腦顯示屏,形成實(shí)時(shí)成像記錄(圖a)。由入射電子轟擊樣品表面激發(fā)出來的電子信號(hào)有:俄歇電子(AuE)、二次電子(SE)、背散射電子(BSE)、X射線(特征X射線、連續(xù)X射線)、陰極熒光(CL)、吸收電子(AE)和透射電子(圖b)。每種電子信號(hào)的用途因作用深度而異。
特點(diǎn)
掃描電鏡雖然是顯微鏡家族中的后起之秀,但由于其本身具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),發(fā)展速度是很快的。
1儀器分辨率較高,通過二次電子像能夠觀察試樣表面6nm左右的細(xì)節(jié),采用LaB6電子槍,可以進(jìn)一步提高到3nm。
2儀器放大倍數(shù)變化范圍大,且能連續(xù)可調(diào)。因此可以根據(jù)需要選擇大小不同的視場(chǎng)進(jìn)行觀察,同時(shí)在高放大倍數(shù)下也可獲得一般透射電鏡較難達(dá)到的高亮度的清晰圖像。
3觀察樣品的景深大,視場(chǎng)大,圖像富有立體感,可直接觀察起伏較大的粗糙表面和試樣凹凸不平的金屬斷口象等,使人具有親臨微觀世界現(xiàn)場(chǎng)之感。
4樣品制備簡(jiǎn)單,只要將塊狀或粉末狀的樣品稍加處理或不處理,就可直接放到掃描電鏡中進(jìn)行觀察,因而更接近于物質(zhì)的自然狀態(tài)。
5可以通過電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像質(zhì)量,如亮度及反差自動(dòng)保持,試樣傾斜角度校正,圖象旋轉(zhuǎn),或通過Y調(diào)制改善圖象反差的寬容度,以及圖象各部分亮暗適中。采用雙放大倍數(shù)裝置或圖象選擇器,可在熒光屏上同時(shí)觀察放大倍數(shù)不同的圖象。
6可進(jìn)行綜合分析。裝上波長(zhǎng)色散X射線譜儀(WDX)或能量色散X射線譜儀(EDX),使具有電子探針的功能,也能檢測(cè)樣品發(fā)出的反射電子、X射線、陰極熒光、透射電子、俄歇電子等。把掃描電鏡擴(kuò)大應(yīng)用到各種顯微的和微區(qū)的分析方式,顯示出了掃描電鏡的多功能。另外,還可以在觀察形貌圖象的同時(shí),對(duì)樣品任選微區(qū)進(jìn)行分析;裝上半導(dǎo)體試樣座附件,通過電動(dòng)勢(shì)象放大器可以直接觀察晶體管或集成電路中的PN結(jié)和微觀缺陷。由于不少掃描電鏡電子探針實(shí)現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)和半自動(dòng)控制,因而大大提高了定量分析的速度。
原理結(jié)構(gòu)
光源。在2-30KV的加速電壓下，經(jīng)過2-3個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成孔徑角較小，束斑為5-10mm的電子束，并在試樣表面聚焦。末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下，電子束在試樣表面掃描。高能電子束與樣品物質(zhì)相互作用產(chǎn)生二次電子，背反射電子，X射線等信號(hào)。這些信號(hào)分別被不同的接收器接收，經(jīng)放大后用來調(diào)制熒光屏的亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上的電流與顯象管相應(yīng)偏轉(zhuǎn)線圈上的電流同步，因此，試樣表面任意點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)與顯象管熒光屏上相應(yīng)的亮點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。也就是說，電子束打到試樣上一點(diǎn)時(shí)，在熒光屏上就有一亮點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)，其亮度與激發(fā)后的電子能量成正比。換言之，掃描電鏡是采用逐點(diǎn)成像的圖像分解法進(jìn)行的。光點(diǎn)成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最后一行右下方的像元掃描完畢就算完成一幀圖像。這種掃描方式叫做光柵掃描。
掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。
（以下提到掃描電子顯微鏡之處，均用SEM代替）
真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)
真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。有機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及渦輪分子泵三大類，機(jī)械泵加油擴(kuò)散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對(duì)于裝置了場(chǎng)致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機(jī)械泵加渦輪分子泵的組合。
成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。
之所以要用真空，主要基于以下兩點(diǎn)原因：
電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會(huì)迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時(shí)需要用真空以外，平時(shí)還需要以純氮?dú)?/a>或惰性氣體充滿整個(gè)真空柱。
電子光學(xué)系統(tǒng)
電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。
<1>電子槍
其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。其優(yōu)點(diǎn)是燈絲價(jià)格較便宜，對(duì)真空度要求不高，缺點(diǎn)是鎢絲熱電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，即使經(jīng)過二級(jí)或三級(jí)聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器分辨率受到限制?，F(xiàn)在，高等級(jí)掃描電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場(chǎng)發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達(dá)到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度。
<2>電磁透鏡
其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50mm的束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)nm的細(xì)小束斑。其工作原理與透射電鏡中的電磁透鏡相同。掃描電鏡一般有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)透鏡是強(qiáng)透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個(gè)聚光鏡是弱透鏡，具有較長(zhǎng)的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡的干擾。
<3>掃描線圈
其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號(hào)。改變?nèi)肷潆娮邮跇悠繁砻鎾呙枵穹垣@得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈試掃描點(diǎn)晶的一個(gè)重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級(jí)透鏡的空間內(nèi)。
<4>樣品室
樣品室中主要部件是樣品臺(tái)。它出能進(jìn)行三維空間的移動(dòng)，還能傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)，樣品臺(tái)移動(dòng)范圍一般可達(dá)40毫米，傾斜范圍至少在50度左右，轉(zhuǎn)動(dòng)360度。樣品室中還要安置各種型號(hào)檢測(cè)器。信號(hào)的收集效率和相應(yīng)檢測(cè)器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺(tái)還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺(tái)上加熱，冷卻或拉伸，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。近年來，為適應(yīng)斷口實(shí)物等大零件的需要，還開發(fā)了可放置尺寸在Φ125mm以上的大樣品臺(tái)。
信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)
其作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。不同的物理信號(hào)需要不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)，大致可分為三類：電子檢測(cè)器，應(yīng)急熒光檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測(cè)器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。
當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí)將引起電離；當(dāng)離子與自由電子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生可見光。光子沿著沒有吸收的光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出，電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。這種檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在很寬的信號(hào)范圍內(nèi)具有正比與原始信號(hào)的輸出，具有很寬的頻帶
（10Hz-1MHz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由于鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，熒光屏上的亮度是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來的信號(hào)強(qiáng)度來調(diào)制的，而由檢測(cè)器接收的信號(hào)強(qiáng)度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的反營(yíng)養(yǎng)品表面狀態(tài)的調(diào)制信號(hào)在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致的放大的掃描像。
主要性能參數(shù)
放大率
與普通光學(xué)顯微鏡不同，在SEM中，是通過控制掃描區(qū)域的大小來控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要掃描更小的一塊面積就可以了。放大率由屏幕/照片面積除以掃描面積得到。
所以，SEM中，透鏡與放大率無關(guān)。
場(chǎng)深
在SEM中，位于焦平面上下的一小層區(qū)域內(nèi)的樣品點(diǎn)都可以得到良好的會(huì)焦而成象。這一小層的厚度稱為場(chǎng)深，通常為幾納米厚，所以，SEM可以用于納米級(jí)樣品的三維成像。
作用體積
電子束不僅僅與樣品表層原子發(fā)生作用，它實(shí)際上與一定厚度范圍內(nèi)的樣品原子發(fā)生作用，所以存在一個(gè)作用“體積”。
作用體積的厚度因信號(hào)的不同而不同：
歐革電子：0.5～2納米。
次級(jí)電子：5λ，對(duì)于導(dǎo)體，λ=1納米；對(duì)于絕緣體，λ=10納米。
背散射電子：10倍于次級(jí)電子。
特征X射線：微米級(jí)。
X射線連續(xù)譜：略大于特征X射線，也在微米級(jí)。
工作距離
工作距離指從物鏡到樣品最高點(diǎn)的垂直距離。
如果增加工作距離，可以在其他條件不變的情況下獲得更大的場(chǎng)深。
如果減少工作距離，則可以在其他條件不變的情況下獲得更高的分辨率。
通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。
成象
次級(jí)電子和背散射電子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次級(jí)電子。
表面分析
歐革電子、特征X射線、背散射電子的產(chǎn)生過程均與樣品原子性質(zhì)有關(guān)，所以可以用于成分分析。但由于電子束只能穿透樣品表面很淺的一層（參見作用體積），所以只能用于表面分析。
表面分析以特征X射線分析最常用，所用到的探測(cè)器有兩種：能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高，后者非常精確，可以檢測(cè)到“痕跡元素”的存在但耗時(shí)太長(zhǎng)。
應(yīng)用范圍
⑴生物：種子、花粉、細(xì)菌……
⑵醫(yī)學(xué)：血球、病毒……
⑶動(dòng)物：大腸、絨毛、細(xì)胞、纖維……
⑷材料
⑸化學(xué)、物理、地質(zhì)、冶金、礦物、污泥（桿菌）、機(jī)械、電機(jī)及導(dǎo)電性樣品，如半導(dǎo)體(IC、線寬量測(cè)、斷面、結(jié)構(gòu)觀察……）電子材料等。
1顯微結(jié)構(gòu)的分析
在陶瓷的制備過程中，原始材料及其制品的顯微形貌、孔隙大小、晶界和團(tuán)聚程度等將決定其最后的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映和記錄這些微觀特征，是觀察分析樣品微觀結(jié)構(gòu)方便、易行的有效方法，樣品無需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察；同時(shí)掃描電子顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動(dòng)，還能夠根據(jù)觀察需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)動(dòng)，以利于使用者對(duì)感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析。掃描電子顯微鏡拍出的圖像真實(shí)、清晰，并富有立體感，在新型陶瓷材料的三維顯微組織形態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。
由于掃描電子顯微鏡可用多種物理信號(hào)對(duì)樣品進(jìn)行綜合分析，并具有可以直接觀察較大試樣、放大倍數(shù)范圍寬和景深大等特點(diǎn)，當(dāng)陶瓷材料處于不同的外部條件和化學(xué)環(huán)境時(shí)，掃描電子顯微鏡在其微觀結(jié)構(gòu)分析研究方面同樣顯示出極大的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)為：⑴力學(xué)加載下的微觀動(dòng)態(tài)（裂紋擴(kuò)展）研究；⑵加熱條件下的晶體合成、氣化、聚合反應(yīng)等研究；⑶晶體生長(zhǎng)機(jī)理、生長(zhǎng)臺(tái)階、缺陷與位錯(cuò)的研究；⑷成分的非均勻性、殼芯結(jié)構(gòu)、包裹結(jié)構(gòu)的研究；⑸晶粒相成分在化學(xué)環(huán)境下差異性的研究等。
2納米尺寸的研究
納米材料是納米科學(xué)技術(shù)最基本的組成部分，可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只有幾個(gè)納米的“顆?！薄＜{米材料的應(yīng)用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，納米陶瓷在一定的程度上也可增加韌性、改善脆性等，新型陶瓷納米材料如納米稱、納米天平等亦是重要的應(yīng)用領(lǐng)域。納米材料的一切獨(dú)特性主要源于它的納米尺寸，因此必須首先確切地知道其尺寸，否則對(duì)納米材料的研究及應(yīng)用便失去了基礎(chǔ)。縱觀當(dāng)今國內(nèi)外的研究狀況和最新成果，該領(lǐng)域的檢測(cè)手段和表征方法可以使用透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等技術(shù)，但高分辨率的掃描電子顯微鏡在納米級(jí)別材料的形貌觀察和尺寸檢測(cè)方面因具有簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)被大量采用。另外如果將掃描電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡結(jié)合起來，還可使普通的掃描電子顯微鏡升級(jí)改造為超高分辨率的掃描電子顯微鏡。圖2所示是納米鈦酸鋇陶瓷的掃描電鏡照片，晶粒尺寸平均為20nm。
3鐵電疇的觀測(cè)
壓電陶瓷由于具有較大的力電功能轉(zhuǎn)換率及良好的性能可調(diào)控性等特點(diǎn)在多層陶瓷驅(qū)動(dòng)器、微位移器、換能器以及機(jī)敏材料與器件等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，鐵電和壓電陶瓷材料與器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展，并在新型陶瓷材料的開發(fā)和研究中發(fā)揮重要作用。鐵電疇（簡(jiǎn)稱電疇）是其物理基礎(chǔ)，電疇的結(jié)構(gòu)及疇變規(guī)律直接決定了鐵電體物理性質(zhì)和應(yīng)用方向。電子顯微術(shù)是觀測(cè)電疇的主要方法，其優(yōu)點(diǎn)在于分辨率高，可直接觀察電疇和疇壁的顯微結(jié)構(gòu)及相變的動(dòng)態(tài)原位觀察（電疇壁的遷移）。
掃描電子顯微鏡觀測(cè)電疇是通過對(duì)樣品表面預(yù)先進(jìn)行化學(xué)腐蝕來實(shí)現(xiàn)的，由于不同極性的疇被腐蝕的程度不一樣，利用腐蝕劑可在鐵電體表面形成凹凸不平的區(qū)域從而可在顯微鏡中進(jìn)行觀察。因此，可以將樣品表面預(yù)先進(jìn)行化學(xué)腐蝕后，利用掃描電子顯微鏡圖像中的黑白襯度來判斷不同取向的電疇結(jié)構(gòu)。對(duì)不同的鐵電晶體選擇合適的腐蝕劑種類、濃度、腐蝕時(shí)間和溫度都能顯示良好的疇圖樣。圖3是掃描電子顯微鏡觀察到的PLZT材料的90°電疇。掃描電子顯微鏡與其他設(shè)備的組合以實(shí)現(xiàn)多種分析功能。
在實(shí)際分析工作中，往往在獲得形貌放大像后，希望能在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行原位化學(xué)成分或晶體結(jié)構(gòu)分析，提供包括形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向在內(nèi)的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進(jìn)行判斷分析。為了適應(yīng)不同分析目的的要求，在掃描電子顯微鏡上相繼安裝了許多附件，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，成為一種快速、直觀、綜合性分析儀器。把掃描電子顯微鏡應(yīng)用范圍擴(kuò)大到各種顯微或微區(qū)分析方面，充分顯示了掃描電鏡的多種性能及廣泛的應(yīng)用前景。
目前掃描電子顯微鏡的最主要組合分析功能有:X射線顯微分析系統(tǒng)（即能譜儀,EDS），主要用于元素的定性和定量分析，并可分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分等信息；電子背散射系統(tǒng)（即結(jié)晶學(xué)分析系統(tǒng)），主要用于晶體和礦物的研究。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，其他一些掃描電子顯微鏡組合分析功能也相繼出現(xiàn)，例如顯微熱臺(tái)和冷臺(tái)系統(tǒng)，主要用于觀察和分析材料在加熱和冷凍過程中微觀結(jié)構(gòu)上的變化；拉伸臺(tái)系統(tǒng)，主要用于觀察和分析材料在受力過程中所發(fā)生的微觀結(jié)構(gòu)變化。掃描電子顯微鏡與其他設(shè)備組合而具有的新型分析功能為新材料、新工藝的探索和研究起到重要作用。
參考資料
[1]
掃描電子顯微鏡在巖礦分析中的應(yīng)用 - 中國知網(wǎng) · 中國知網(wǎng)[引用日期2021-11-09]
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