掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發明的較現代的細胞生物學研究工具，主要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產生各種效應，其中主要是樣品的二次電子發射。

二次電子能夠產生樣品表面放大的形貌像，這個像是在樣品被掃描時按時序建立起來的，即使用逐點成像的方法獲得放大像。

基本介紹

• 中文名：掃描電子顯微鏡
• 外文名：scanning electron microscope（SEM）
• 簡寫：SEM
• 發明：1965年
• 屬性：細胞生物學、材料等研究工具

簡介

掃描電鏡（SEM）是介於透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像。掃描電鏡的優點是，①有較高的放大倍數，20-20萬倍之間連續可調；②有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細微結構；③試樣製備簡單。 目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時進行顯微組織形貌的觀察和微區成分分析，因此它是當今十分有用的科學研究儀器。

掃描電子顯微鏡

發展歷史

* 1873 Abbe 和Helmholfz 分別提出解像力與照射光的波長成反比。奠定了顯微鏡的理論基礎。

1897 J.J. Thmson 發現電子

1924 Louis de Broglie (1929 年諾貝爾物理獎得主） 提出電子本身具有波動的物理特性， 進一步提供電子顯微鏡的理論基礎。

* 1926 Busch 發現電子可像光線經過玻璃透鏡偏折一般， 由電磁場的改變而偏折。

1931德國物理學家Knoll 及Ruska 首先發展出穿透式電子顯微鏡原型機。

1937 首部商業原型機製造成功（Metropolitan Vickers 牌）。

* 1938 第一部掃描電子顯微鏡由Von Ardenne 發展成功。

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&Aring；）。

1940～41 RCA 公司推出美國第一部穿透式電子顯微鏡（解像力50 nm）。

*1941～63 解像力提升至2~3 Å （穿透式） 及100Å （掃描式）

1960 Everhart and Thornley 發明二次電子偵測器。

1965 第一部商用SEM出現（Cambridge)

1966 JEOL 發表第一部商用SEM(JSM-1)

1958年中國科學院組織研製

1959年第一台100KV電子顯微鏡 1975年第一台掃描電子顯微鏡DX3 在中國科學院科學儀器廠（現北京中科科儀技術發展有限責任公司）研發成功

1980年中科科儀引進美國技術，開發KYKY1000掃描電鏡

工作原理

掃描電子顯微鏡的製造依據是電子與物質的相互作用。

掃描電鏡從原理上講就是利用聚焦得非常細的高能電子束在試樣上掃描，激發出各種物理信息。通過對這些信息的接受、放大和顯示成像，獲得測試試樣表面形貌的觀察。

電子束和固體樣品表面作用時的物理現象

當一束極細的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時，被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特徵x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時可產生電子-空穴對、晶格振動（聲子)、電子振盪（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被樣品中原子核反彈回來的（散射角大於90度）那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數千到數萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊後產生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發生變化。非彈性背反射電子的能量範圍很寬，從數十電子伏到數千電子伏。

從數量上看，彈性背反射電子遠比非彈性背反射電子所占的份額多。 背反射電子的產生範圍在100nm-1mm深度。

背反射電子產額和二次電子產額與原子序數的關係背反射電子束成像解析度一般為50-200nm（與電子束斑直徑相當）。背反射電子的產額隨原子序數的增加而增加（右圖），所以，利用背反射電子作為成像信號不僅能分析形貌特徵，也可以用來顯示原子序數襯度，定性進行成分分析。

二次電子

二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。由於原子核和外層價電子間的結合能很小，當原子的核外電子從入射電子獲得了大於相應的結合能的能量後，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發生在比較接近樣品表層處，那些能量大於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。

二次電子來自距離表面5-10nm的區域內，能量為0-50eV。它對試樣表面狀態非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由於它發自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒有多大區別，所以二次電子的解析度較高，一般可達到5-10nm。掃描電鏡的解析度一般就是二次電子解析度。

二次電子產額隨原子序數的變化不大，它主要取決於表面形貌。

特徵X射線

特徵X射線是原子的內層電子受到激發以後在能級躍遷過程中直接釋放的具有特徵能量和波長的一種電磁波輻射。 X射線一般在試樣的500nm-5m m深處發出。

俄歇電子

如果原子內層電子能級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，脫離原子變為二次電子，這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徵值，能量在50-1500eV範圍內。 俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原子層中發出的，這說明俄歇電子信號適用與表層化學成分分析。

產生的次級電子的多少與電子束入射角有關，也就是說與樣品的表面結構有關，次級電子由探測體收集，並在那裡被閃爍器轉變為光信號，再經光電倍增管和放大器轉變為電信號來控制螢光屏上電子束的強度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標本的表面結構。

為了使標本表面發射出次級電子，標本在固定、脫水後，要噴塗上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發出次級電子信號。

原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等。

掃描電子顯微鏡正是根據上述不同信息產生的機理，採用不同的信息檢測器，使選擇檢測得以實現。如對二次電子、背散射電子的採集，可得到有關物質微觀形貌的信息；對x射線的採集，可得到物質化學成分的信息。正因如此，根據不同需求，可製造出功能配置不同的掃描電子顯微鏡。

光學顯微鏡（OM）、TEM、SEM成像原理比較

由電子槍發射的電子，以其交叉斑作為電子源，經二級聚光鏡及物鏡的縮小形成能譜儀獲得。具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅動下，於試樣表面 2 材料形貌分析觀察作柵網式掃描。聚焦電子束與試樣相互作，產生二次電子發射（以及其它物理信號）。

光學顯微鏡、TEM、SEM成像原理比較

二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經視頻放大後輸入到顯像管柵極，調製與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。

原理結構

掃描電子顯微鏡具有由三極電子槍發出的電子束經柵極靜電聚焦後成為直徑為50mm的電光源。在2-30KV的加速電壓下，經過2-3個電磁透鏡所組成的電子光學系統，電子束會聚成孔徑角較小，束斑為5-10 nm的電子束，並在試樣表面聚焦。 末級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相互作用產生二次電子，背反射電子，X射線等信號。這些信號分別被不同的接收器接收，經放大後用來調製螢光屏的亮度。由於經過掃描線圈上的電流與顯像管相應偏轉線圈上的電流同步，因此，試樣表面任意點發射的信號與顯像管螢光屏上相應的亮點一一對應。也就是說，電子束打到試樣上一點時，在螢光屏上就有一亮點與之對應，其亮度與激發後的電子能量成正比。換言之，掃描電鏡是採用逐點成像的圖像分解法進行的。光點成像的順序是從左上方開始到右下方，直到最後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。

掃描電子顯微鏡的原理和結構示意圖

掃描電子顯微鏡由電子光學系統，信號收集及顯示系統，真空系統及電源系統組成。

（以下提到掃描電子顯微鏡之處，均用SEM代替）

真空系統和電源系統

真空系統主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容器。

真空泵用來在真空柱內產生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類，機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對於裝置了場致發射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。

成像系統和電子束系統均內置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用於放置樣品。

之所以要用真空，主要基於以下兩點原因：

電子束系統中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時需要用真空以外，平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。

為了增大電子的平均自由程，從而使得用於成像的電子更多。

電子光學系統

電子光學系統由電子槍，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，作為產生物理信號的激發源。為了獲得較高的信號強度和圖像解析度，掃描電子束應具有較高的亮度和儘可能小的束斑直徑。

<1>電子槍

其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產生高能量的電子束。目前大多數掃描電鏡採用熱陰極電子槍。其優點是燈絲價格較便宜，對真空度要求不高，缺點是鎢絲熱電子發射效率低，發射源直徑較大，即使經過二級或三級聚光鏡，在樣品表面上的電子束斑直徑也在5-7nm，因此儀器解析度受到限制。現在，高等級掃描電鏡採用六硼化鑭（LaB6）或場發射電子槍，使二次電子像的解析度達到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50m m的束斑縮小成一個只有數nm的細小束斑。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聚光鏡，前兩個透鏡是強透鏡，用來縮小電子束光斑尺寸。第三個聚光鏡是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對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電子束在螢光屏上的同步掃描信號。改變入射電子束在樣品表面掃描振幅，以獲得所需放大倍率的掃描像。掃描線圈試掃描點晶的一個重要組件，它一般放在最後二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內。

<4>樣品室

樣品室中主要部件是樣品台。它出能進行三維空間的移動，還能傾斜和轉動，樣品台移動範圍一般可達40毫米，傾斜範圍至少在50度左右，轉動360度。 樣品室中還要安置各種型號檢測器。信號的收集效率和相應檢測器的安放位置有很大關係。樣品台還可以帶有多種附屬檔案，例如樣品在樣品台上加熱，冷卻或拉伸，可進行動態觀察。近年來，為適應斷口實物等大零件的需要，還開發了可放置尺寸在Φ125mm以上的大樣品台。

信號檢測放大系統

其作用是檢測樣品在入射電子作用下產生的物理信號，然後經視頻放大作為顯像系統的調製信號。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統，大致可分為三類：電子檢測器，陰極螢光檢測器和X射線檢測器。 在掃描電子顯微鏡中最普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成。

當信號電子進入閃爍體時將引起電離；當離子與自由電子複合時產生可見光。光子沿著沒有吸收的光導管傳送到光電倍增器進行放大並轉變成電流信號輸出，電流信號經視頻放大器放大後就成為調製信號。這種檢測系統的特點是在很寬的信號範圍內具有正比與原始信號的輸出，具有很寬的頻帶（10Hz-1MHz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由於鏡筒中的電子束和顯像管中的電子束是同步掃描，螢光屏上的亮度是根據樣品上被激發出來的信號強度來調製的，而由檢測器接收的信號強度隨樣品表面狀況不同而變化，那么由信號監測系統輸出的反營養品表面狀態的調製信號在圖像顯示和記錄系統中就轉換成一幅與樣品表面特徵一致的放大的掃描像。

信號檢測放大系統

主要性能參數

放大率

與普通光學顯微鏡不同，在SEM中，是通過控制掃描區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。放大率由螢幕/照片面積除以掃描面積得到。

所以，SEM中，透鏡與放大率無關。

場深

在SEM中，位於焦平面上下的一小層區域內的樣品點都可以得到良好的會焦而成象。這一小層的厚度稱為場深，通常為幾納米厚，所以，SEM可以用於納米級樣品的三維成像。

作用體積

電子束不僅僅與樣品表層原子發生作用，它實際上與一定厚度範圍內的樣品原子發生作用，所以存在一個作用“體積”。

作用體積的厚度因信號的不同而不同：

歐革電子：0.5～2納米。

次級電子：5λ，對於導體，λ=1納米；對於絕緣體，λ=10納米。

背散射電子：10倍於次級電子。

特徵X射線：微米級。

X射線連續譜：略大於特徵X射線，也在微米級。

工作距離

工作距離指從物鏡到樣品最高點的垂直距離。

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解析度。

通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。

成象

次級電子和背散射電子可以用於成象，但後者不如前者，所以通常使用次級電子。

表面分析

歐革電子、特徵X射線、背散射電子的產生過程均與樣品原子性質有關，所以可以用於成分分析。但由於電子束只能穿透樣品表面很淺的一層（參見作用體積），所以只能用於表面分析。

表面分析以特徵X射線分析最常用，所用到的探測器有兩種：能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高，後者非常精確，可以檢測到“痕跡元素”的存在但耗時太長。

套用範圍

⑴生物：種子、花粉、細菌……

⑵醫學：血球、病毒……

⑶動物：大腸、絨毛、細胞、纖維……

⑷材料：陶瓷、高分子、粉末、金屬、金屬夾雜物、環氧樹脂……

⑸化學、物理、地質、冶金、礦物、污泥（桿菌） 、機械、電機及導電性樣品，如半導體(IC、線寬量測、斷面、結構觀察……）電子材料等。

掃描電子顯微鏡在新型陶瓷材料顯微分析中的套用

1　顯微結構的分析

在陶瓷的製備過程中，原始材料及其製品的顯微形貌、孔隙大小、晶界和團聚程度等將決定其最後的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映和記錄這些微觀特徵，是觀察分析樣品微觀結構方便、易行的有效方法，樣品無需製備，只需直接放入樣品室內即可放大觀察；同時掃描電子顯微鏡可以實現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，還能夠根據觀察需要進行空間轉動，以利於使用者對感興趣的部位進行連續、系統的觀察分析。掃描電子顯微鏡拍出的圖像真實、清晰，並富有立體感，在新型陶瓷材料的三維顯微組織形態的觀察研究方面獲得了廣泛地套用。

由於掃描電子顯微鏡可用多種物理信號對樣品進行綜合分析，並具有可以直接觀察較大試樣、放大倍數範圍寬和景深大等特點，當陶瓷材料處於不同的外部條件和化學環境時，掃描電子顯微鏡在其微觀結構分析研究方面同樣顯示出極大的優勢。主要表現為： ⑴力學載入下的微觀動態 （裂紋擴展）研究 ；⑵加熱條件下的晶體合成、氣化、聚合反應等研究 ；⑶晶體生長機理、生長台階、缺陷與位錯的研究； ⑷成分的非均勻性、殼芯結構、包裹結構的研究； ⑸晶粒相成分在化學環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技術最基本的組成部分，可以用物理、化學及生物學的方法製備出只有幾個納米的“顆粒 ”。納米材料的套用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優點，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套用領域。納米材料的一切獨特性主要源於它的納米尺寸，因此必須首先確切地知道其尺寸，否則對納米材料的研究及套用便失去了基礎。縱觀當今國內外的研究狀況和最新成果,該領域的檢測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，但高解析度的掃描電子顯微鏡在納米級別材料的形貌觀察和尺寸檢測方面因具有簡便、可操作性強的優勢被大量採用。另外如果將掃描電子顯微鏡與掃描隧道顯微鏡結合起來，還可使普通的掃描電子顯微鏡升級改造為超高解析度的掃描電子顯微鏡。

3　鐵電疇的觀測

壓電陶瓷由於具有較大的力電功能轉換率及良好的性能可調控性等特點在多層陶瓷驅動器、微位移器、換能器以及機敏材料與器件等領域獲得了廣泛的套用。隨著現代技術的發展，鐵電和壓電陶瓷材料與器件正向小型化、集成化、多功能化、智慧型化、高性能和複合結構發展，並在新型陶瓷材料的開發和研究中發揮重要作用。鐵電疇 （簡稱電疇）是其物理基礎，電疇的結構及疇變規律直接決定了鐵電體物理性質和套用方向。電子顯微術是觀測電疇的主要方法，其優點在於解析度高，可直接觀察電疇和疇壁的顯微結構及相變的動態原位觀察 （電疇壁的遷移）。

掃描電子顯微鏡觀測電疇是通過對樣品表面預先進行化學腐蝕來實現的，由於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域從而可在顯微鏡中進行觀察。因此，可以將樣品表面預先進行化學腐蝕後，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構。對不同的鐵電晶體選擇合適的腐蝕劑種類、濃度、腐蝕時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 與其他設備的組合以實現多種分析功能。

在實際分析工作中，往往在獲得形貌放大像後，希望能在同一台儀器上進行原位化學成分或晶體結構分析，提供包括形貌、成分、晶體結構或位向在內的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進行判斷分析。為了適應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屬檔案，實現了一機多用，成為一種快速、直觀、綜合性分析儀器。把掃描電子顯微鏡套用範圍擴大到各種顯微或微區分析方面，充分顯示了掃描電鏡的多種性能及廣泛的套用前景。

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（即能譜儀,EDS），主要用於元素的定性和定量分析，並可分析樣品微區的化學成分等信息；電子背散射系統 （即結晶學分析系統），主要用於晶體和礦物的研究。隨著現代技術的發展，其他一些掃描電子顯微鏡組合分析功能也相繼出現，例如顯微熱台和冷台系統，主要用於觀察和分析材料在加熱和冷凍過程中微觀結構上的變化；拉伸台系統，主要用於觀察和分析材料在受力過程中所發生的微觀結構變化。掃描電子顯微鏡與其他設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。