2020-02-26小刘科研笔记之扫描电子显微镜的结构组成、工作原理及其应用

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM），中文简称扫描电镜，是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段。在材料领域中，扫描电镜技术发挥着极其重要的作用，被广泛应用于各种材料的形态结构、界面状况、损伤机制及材料性能预测等方面的研究。

华慧高芯网蔡司Gemini 500

一、主要组成及工作原理

1.主要组成部分

扫描电镜主要由电子光学系统、信号收集处理系统、真空系统、图像处理显示和记录系统、样品室样品台、电源系统和计算机控制系统等组成。

2.工作原理

扫描电镜电子枪发射出来的电子束，在加速电压的作用下，经过电磁透镜系统汇聚，形成一个细的电子束斑聚焦在样品表面，末级透镜上装有的扫描线圈可控制电子束在样品表面扫描；同时高能电子束作用在样品表面会激发出各种信号，主要包括：二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子、阴极荧光和透射电子等；这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上，调制显像管的亮度，电子束打到样品上一点，在显像管荧光屏上就出现一个亮点，扫描电镜就是这样采用逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，按顺序成比例地转换为视频信号，从而使我们在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。

▲图1扫描电镜结构示意图

二、分辨率及影响分辨率的因素

在正常情况下，人眼能够分辨的两点之间的最小距离约为0.1nm。扫描电镜能够将样品表面细节放大，其分辨率是指扫描电镜图像中能肉眼分辨出的两点之间的最小距离。影响扫描电镜分辨率的主要因素包括以下三个方面：

1.电磁透镜的色差、球差等像差导致分辨率降低

色差由电磁透镜对能量不同的电子汇聚能力不同引起，电子枪产生的电子经过加速后形成的高能电子束能量存在一定的扩展范围，其中，能量大的电子聚焦在距透镜中心较远的位置，能量小的电子聚焦在距透镜中心较近的位置，如图2（a）所示。球差由电磁透镜中心和边缘部分对入射电子的汇聚能力不同引起，其中远轴电子比近轴电子经电磁透镜折射更严重，如图2（b）所示。

▲图2色差、球差示意图

2.入射电子束与样品表面的相互作用

扫描电镜的分辨率很大程度上由产生成像信号的电子束同样品的作用范围决定，而作用范围的大小受束斑直径以及电子束在样品内作用深度和横向直径决定。

3.信噪比因素

在实际成像观察中，为了得到一副清晰的扫描图像，往往需要图像有较高的信噪比。对于一些信噪比不好的情况，可以通过适当增加电压来提升信噪比；若加速电压因某些原因不能改变，可以通过其他方式来提升信噪比，如：增加束斑束流、选择更大孔径光阑、降低扫描速度、使用线积分或者面积累、减小工作距离、适当增加探测器的偏压和倾转试样。

三、不同信号成像对比

电子束与样品作用会产生各种信号，通过信号收集处理系统成像，对试样进行特殊性能的观察，下面就对扫描电镜分析中常用的二次电子及背散射电子进行介绍。

1.二次电子像

二次电子是在入射电子束作用下距样品表层5~10 nm深度范围内发射出的核外电子。它对样品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地显示样品的表面形貌，如图4所示。

▲图4二次电子像

2.背散射电子像

背散射电子是被样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，来自样品表层几百纳米深度范围。由于它的产能随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析，还可以显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。

▲图5背散射电子像

END（若有价值，还望您辛苦，点赞支持一下）

不积珪步，无以至千里；不积细流，无以成江海。做好每一份工作，都需要坚持不懈的学习。