扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（scanning electron microscope）它是一种用电子探针扫描样品表面使其成像的电子显微镜。扫描电镜和光学显微镜的成像原理、透射电子显微镜则不同它使用电子束作为照明源，以光栅扫描方式用精细聚焦的电子束照射样品表面，并通过电子与样品表面的相互作用产生二次电子、收集和处理反向散射的电子等，以便获得微观形态的放大图像。

扫描电子显微镜通常包括电子枪、电磁透镜、扫描系统、信号采集和处理装置。它的主要功能是观察物质的表面形态，这不仅可以用于生命科学、材料科学、化学、物理学、电子学、地质学、食品科学和其他领域的研究；而且广泛应用于半导体行业、陶瓷工业、化工等生产部门。

目前应用最广泛的常规钨丝阴极扫描电子显微镜的最大分辨率为3~5nm，加速电压为0.2~30kV。

扫描电子显微镜SEM使用由细聚焦电子束扫描样品表面激发的各种物理信号来调制成像。其基本结构包括一个电子枪、电磁透镜、扫描系统、信号采集和处理装置等。

电子枪

电子枪的作用是产生连续稳定的电子流，是扫描电子显微镜的重要组成部分。由阴极（灯丝）栅极和阳极，俗称三级电子枪。根据阴极所用材料的不同，可分为热钨电极电子枪、六硼化镧电子枪和场发射电子枪。

热钨电极电子枪的阴极是加热的钨丝，栅极环绕在阴极周围加热的钨丝释放电子并在阳极和阴极之间施加高电压以形成加速电场，从而使电子获得能量。一般来说，实际加速电压可以为10~30kV。灯丝发射的电子束由栅极的负电位调节以控制其发散度，形成稳定的电子束电流并射向阳极。电子束在阳极附近会形成一个小的交点，交点的直径由电子枪的设计决定，约为10 ~ 100 μ m。阴极是直径为0.由12毫米钨丝制成，大部分呈V形。

扫描电子显微镜

六硼化镧电子枪类似于传统的钨丝电子枪，由阴极组成、阳极、不同的是钨丝阴极被六硼化镧阴极取代。六硼化镧（LaB6）阴极结构形式有：场发射六硼化镧阴极、直接加热的六硼化镧阴极、改进的直热式六硼化镧阴极等。普通阴极是直接加热的六硼化镧阴极。六硼化镧阴极电子枪的优点是亮度高、寿命长，亮度比热钨丝阴极电子枪高一个数量级，但需要相当复杂的辅助设备，价格昂贵，所以应用不广泛。

场发射电子枪主要通过施加在阴极表面的电场发射电子，由一个阴极和两个阳极组成。阴极是结晶钨，顶部研磨成曲率半径为1000的尖端在阴极和第一阳极上施加几千伏的电压，一般为1~3kV第一阳极从阴极的尖端提取电子，并且电子被第二阳极加速以形成电子束。该场发射电子枪具有高亮度优点、分辨率高、寿命长、可以实现快速扫描观察和记录。场发射电子枪非常昂贵，只有当束斑直径小于0.2μm优于钨丝电子枪，场发射电子枪一般用于一些特殊用途。

电磁透镜

电磁透镜由激励线圈环绕线圈的框架和极靴组成。框架和极靴都由磁性材料制成，可以传导磁力线极靴和框架是轴对称的，在轴向上有一个间隙，磁力线通过该间隙泄漏到中心部分磁力线形成的磁场对通过它的电子有透镜效应。当电子束受到磁场的影响时，它将改变其前进方向当它通过中空的强大电磁线圈时，它将像通过玻璃透镜的光束一样被折射和聚焦电子枪发射的电子束直径一般为30~50微米，而所需的电子探针的电子束直径为1 ~ 5纳米，因此需要两到三个电磁透镜电磁透镜有一个隔膜来阻挡一些无用的电子。

扫描系统是扫描电子显微镜的一种独特结构，可以使电子束进行光栅扫描它的结构是两组小电磁线圈。这两组电磁线圈通以强度随时间线性变化的锯齿电流，使电子束由点到线、从线到面逐一扫描样品。通常，这两组线圈安装在物镜的间隙中，以在电子束进入物镜的强场区域之前偏转电子束。

处理装置

信号采集和处理装置包括探测器、显影单元和照相机系统。入射电子束撞击样品产生一系列信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极光、透射电子、特征x射线等，探测器用于接收这些信号，经过信号放大等光电效应后显示在荧光屏上，最后由摄像机记录下来。

真空系统

在电子显微镜中，压力需要降低到大多数电子在运动过程中不会与气体分子碰撞的程度。真空度须在10-4~10-场发射电子枪需要保持超高真空-10Torr。通常使用两级串联真空系统，油旋转机械泵预抽至10-2~10-3Torr或更高，然后通过油扩散泵将真空度进一步提高到10-6~10-8Torr左右。

SEM是将电子枪发射的电子束聚焦后在样品表面进行扫描，检测电子与样品表面相互作用产生的信号成分、观察并分析了其形貌和结构。入射电子和样品之间的相互作用将激发二次电子、背散射电子、吸收电子、俄歇电子、阴极荧光特征X射线和其他信息。扫描电子显微镜主要使用二次电子、背散射电子和特征X射线用于分析样品表面的特征。扫描是指在图像上从左到右扫描、扫描电子显微镜SEM用于从上到下依次扫描图像像素，成像基于一定的时间、空间秩序是逐点形成的，并显示在镜外的显像管上。

二次电子

二次电子成像是扫描电子显微镜获得的最广泛使用的图像之一，分辨率最高。

二次电子成像是电子枪发射的电子束最高可达30keV，并通过聚光透镜、物镜变窄聚焦，在样品表面形成具有一定能量的透镜、强度、在扫描线圈磁场的作用下，入射电子束以一定的时空顺序在样品表面逐点进行光栅扫描。由于入射电子和样品之间的相互作用，样品将被激发出二次电子。二次电子被收集，然后加速到闪烁体并转换为光信号，光信号通过光管到达光电倍增管，然后转换为电信号。这个电信号被放大器放大后送到显像管的栅极，在屏幕上显示出明暗不同的画面、反映样品表面形态的二次电子图像。

二次电子在距离样品表面5 ~ 10 nm处产生，可以高分辨率表征样品表面二次电子模式主要用于观察表面形貌。

背散射电子

背散射电子(BSE)它是电子束轰击过程中被样品反射的电子的一部分，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。扫描电镜中的背散射电子是指弹性背散射电子，产生于距离样品表面几百纳米的深度，分辨率低于二次电子像。然而，背散射电子与样品的原子序数有很大的关系，因此可以用来提供样品原子序数的对比度信息。在SEM分析中，背散射电子通常与特征X射线产生的能谱相结合进行成分分析。

背散射电子与样品的原子序数有很大关系，因此背散射模式常用于定性成分分布分析和晶体学研究。

特征X射线

当高能电子束轰击样品时，样品中原子的内部电子被电离，原子处于高激发态，外层的高能电子跳跃到内层释放能量，这就成为原子的特征X射线，而这些特征X射线可以用来识别样品中的成分和元素。

特征X射线是样品中原子跃迁释放的辐射能量，可以反映样品的组成元素，因此特征X射线常用于成分分析和能谱检测。

分辨率

分辨率是扫描电子显微镜的主要性能指标。所谓分辨率是指在特定环境下拍摄的图像上两个区域之间的暗间隙宽度的测量值，最小值是分辨率除以放大率。也就是人们用肉眼和借助显微镜可以分辨两个微观体的最小距离。扫描电子显微镜的分辨率高，放大倍数从1，033，356倍到300，000倍，可连续调节由于景深大分辨率高，可连续放大十倍至数十万倍，使宏观形态与微观观察相对应。

放大倍数

放大率是指电子束在荧光屏上的最大扫描距离与电子束在镜筒中样品上的最大扫描距离之比。扫描电子显微镜的图像放大率是所使用的显示屏中实际成像区域的边长与电子束在样品上偏转的同一方向上扫过的距离的长度之比，它基本上取决于显示器偏转线圈的电流与电子显微镜扫描线圈的电流之比。在实际工作中，显示器图像偏转线圈的电流通常保持恒定，通过调节电子显微镜扫描线圈的电流，可以很容易地调节和改变电子显微镜的放大率。扫描电镜的放大倍数变化很大，是普通电镜的20 ~ 100，000倍；场发射电子显微镜是20〜300000倍。放大倍数的调节通常是步进式的或连续可调的。

景深

景深是指当图像清晰度保持不变时，样品平面可以沿光轴来回移动的距离。景深与放大率密切相关放大倍数越大，景深越小。扫描电镜的末级透镜采用小孔径角和长焦距，因此可以获得大景深由于景深较大，扫描电子显微镜图像具有强烈的三维效果和逼真的形状，并且可以通过SEM观察和分析断裂样品。

扫描电镜的景深比透射电镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。电子束的景深取决于临界分辨率d0和电子束的入射半角ac。其中，临界分辨率与放大倍数有关，因为人眼的分辨率约为0.电子束的分辨率必须高于临界分辨率2mm， 才能使人感到物体图像清晰。电子束的入射角可以通过改变孔径大小和工作距离来调节，并且可以用小的孔径大小和大的工作距离获得小的入射角。

根据电子枪的类型，可以分为三种：场发射电子枪、钨丝枪和六硼化镧 。其中，场发射扫描电镜按光源性能可分为冷场发射扫描电镜和热场发射扫描电镜。

扫描电子显微镜在材料学中具有分辨率高景深好操作简单等优点、物理学、化学、生物学、考古学、地矿学、食品科学、它广泛应用于微电子工业和其他领域。它可以进行形貌分析断口分析元素定性和定量分析以及晶体结构分析。

生物学

扫描电镜可以应用于植物学、动物学、医学、微生物学、考古生物学、考古学中。扫描电镜在花器官中的应用、种子表皮、种子形态、叶片表皮、内含物、病原体和植物细胞水平等用于观察植物组织或器官的表面和横截面结构以及细胞的超微结构、拉曼光谱仪等仪器设备可以从微观层面更深层次地研究植物的演化历史和生长发育规律。

扫描电镜在医学上已经从基础研究发展到疾病模型、培养细胞或组织的鉴定疾病的诊断药理作用和效果的观察以及疑难疾病的电镜诊断已成为医学形态学的重要科研工具和手段。

扫描电镜可以直接观察组织细胞内部超微结构的三维图像，可以显示组织中微血管和其他管道系统的三维构建，为医学生物学亚微观领域的研究提供了条件。

材料学

扫描电镜广泛应用于材料科学领域，可用于观察材料的微观结构和形貌、断口分析、涂层的表面形貌和深度检测、微区化学成分分析、微观结构和超细材料的研究等。

通过SEM可以观察到各种形式的材料形态、元素分析、晶体结构分析三维形貌观察和分析、纳米材料分析等。在观察形貌的同时，可以同时进行微区的成分分析和能谱分析。

物理学

SEM可用于观察LCD中导电粉末的粒度分布、观察了导电点中导电粉末的浓度和导电点中缺陷的分析，薄膜传感器的压阻灵敏度，材料的晶体结构和表观形貌对尖晶石颗粒导电性的影响，以及涂层形貌和厚度对提高导电塑料表面硬度和加强表面导电性的影响。

SEM可用于半导体微观形貌检测和成分分析，并可用于确定切割、研磨、抛光和各种化学试剂处理对半导体器件性能和稳定性的影响；分析不同元素、复合添加剂对陶瓷烧结体性能的影响、晶相组成和晶体形态的影响用于改进陶瓷生产工艺；观察化学产品的微观形态，并结合其性能变化选择工艺条件、控制、改进、优化和产品质量鉴定等。

SEM是一种高分辨率的电子显微镜，可以直接观察样品表面，图像立体逼真。而且，它不仅可以显示一般样品的表面形貌，还可以结合样品微观区域的化学元素和光、电、磁特性的差异以二维图像的形式显示出来，可以拍摄下来。此外，扫描电镜分辨率高景深大，可以直接观察到样品表面起伏较大的粗糙结构。

扫描电镜的分辨率不如透射电镜（透射电镜）和AFM（原子力显微镜）物质的分子和原子图像无法观察到；样品需要在真空环境中观察，这限制了样品的种类；只能观察到样品的表面形态，无法检测到表面以下的结构；没有高度方向信息，只有二维平面图像；无法观察液体样品。