SEM（掃描電子顯微鏡）簡介

掃描電子顯微鏡，或 SEM，通過掃描物體的表面來生成高分辨率的圖像，從而產(chǎn)生詳細(xì)的放大圖像。

SEM 使用聚焦的 電子束來做到這一點(diǎn)。

生成的圖像顯示了有關(guān)物體的構(gòu)成及其物理特征的信息。

獲得有關(guān)成分和形貌信息的儀器是掃描電子顯微鏡。

作為一種實(shí)用且有用的工具，SEM 在多個(gè)行業(yè)和部門中具有廣泛的應(yīng)用。它可以分析人造和天然材料。

SEM 期間會(huì)發(fā)生什么？

掃描電子顯微鏡通過用電子束掃描樣品來工作。電子槍發(fā)射這些光束，然后加速掃描電子顯微鏡的柱子。

在此過程中，電子束通過一系列透鏡和孔徑，這些透鏡和孔徑起到聚焦作用。

這發(fā)生在 真空條件下，這可以防止顯微鏡柱中已經(jīng)存在的分子或原子與電子束相互作用。

這確保了高質(zhì)量的成像。

真空還保護(hù)電子源免受振動(dòng)和噪音的影響。

電子束以光柵圖案掃描樣品，從一側(cè)到另一側(cè)、從上到下以線狀掃描表面區(qū)域。

電子與樣品表面的原子相互作用。這種相互作用以二次電子、背散射電子和射線的形式產(chǎn)生信號，這些信號是樣品的特征。

顯微鏡中的探測器接收這些信號并創(chuàng)建顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上的高分辨率圖像。

掃描電子顯微鏡如何工作？

用于 SEM 的儀器包括以下組件：

• 電子源

• 陽極

• 聚光鏡

• 掃描線圈

• 物鏡。

電子源在顯微鏡柱的頂部產(chǎn)生電子。

陽極板帶有正電荷，它吸引電子形成束。

聚光透鏡控制光束的大小，并確定光束中的電子數(shù)量。光束的大小將定義圖像的分辨率。

孔徑也可用于控制光束的大小。

掃描線圈使光束沿 x 軸和 y 軸偏轉(zhuǎn)，以確保它以光柵方式掃描樣品表面。

物鏡是產(chǎn)生電子束的透鏡序列中的最后一個(gè)透鏡。作為最靠近樣品的透鏡，它將光束聚焦到樣品上的一個(gè)非常小的點(diǎn)。

電子不能穿過玻璃，因此 SEM 透鏡是電磁的。它們由金屬桿內(nèi)的一圈電線組成。

當(dāng)電流通過這些線圈時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生 磁場。

電子對這些磁場高度敏感，因此顯微鏡中的鏡頭可以控制它們。

什么是背散射電子和二次電子

當(dāng)來自顯微鏡的電子與樣品相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同種類的其他電子、光子和輻射。

成像所必需的兩種電子是背散射電子 (BSE) 和二次電子 (SE)。

• 當(dāng)初級電子束與樣品物體相互作用時(shí)，背散射電子被反射回來。這些是彈性相互作用。

• 二次電子不同，因?yàn)樗鼈儊碜詷悠返脑樱欠菑椥韵嗷プ饔玫慕Y(jié)果。

這些彈性和非彈性相互作用之間有什么區(qū)別？

• 當(dāng)初級電子沒有能量損失時(shí)會(huì)發(fā)生彈性相互作用，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電子可以改變方向但不會(huì)改變它們的波長

• 當(dāng)相互作用導(dǎo)致初級電子的能量損失時(shí)，就會(huì)發(fā)生非彈性相互作用。

BSE 和 SE 包含不同類型的信息。BSE 來自樣品的較深區(qū)域，而 SE 來自表面區(qū)域。

來自 BSE 的圖像對原子序數(shù)差異表現(xiàn)出高度敏感性，這些差異會(huì)顯示為更亮或更暗。

SE 圖像包含更詳細(xì)的表面信息。

掃描電子顯微鏡需要不同類型的反向散射和二次電子探測器。

通常，對于 SE，這將是一個(gè) Everhart-Thornley 檢測器。這包括法拉第籠內(nèi)的閃爍體。該探測器帶正電以吸引 SE。

為了檢測瘋牛病，顯微鏡將使用放置在樣品上方的固態(tài)檢測器。

是什么產(chǎn)生了 SEM 中使用的電子？

SEM儀器使用三種產(chǎn)生電子的方法：

• 場發(fā)射槍——這會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電場，將電子從原子中拉開并生成高分辨率圖像。它采用真空設(shè)計(jì)。

• 熱離子燈絲——在顯微鏡內(nèi)，這種鎢在白熱化的溫度下加熱，直到它發(fā)射電子。在高溫條件下，其壽命約為 100 小時(shí)。

• 六硼化鈰陰極——亮度是鎢的十倍，這種電子源提供了改進(jìn)的信噪比和更好的比率，使用壽命超過 1,500 小時(shí)。

電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡有何不同？

在光學(xué)顯微鏡中，您使用光和透鏡組合來放大圖像。

這使您能夠查看諸如細(xì)胞之類的小物體，但您可以實(shí)現(xiàn)的放大倍數(shù)有限，因此您可以分析的材料和物質(zhì)也受到限制。

電子顯微鏡是不同的，因?yàn)槟褂秒娮邮皇鞘褂霉馐?/p>

電子顯微鏡可以克服光學(xué)顯微鏡的局限性，因?yàn)樗鼈兪褂酶痰牟ㄩL，從而產(chǎn)生更好的圖像分辨率。

在適當(dāng)?shù)墓饬肯拢搜劭梢栽诓皇褂苗R片的情況下區(qū)分相距 0.2mm 的兩點(diǎn)。

這個(gè)距離就是眼睛的分辨率。

光學(xué)顯微鏡可以放大這個(gè)分辨率，這樣肉眼就可以看到距離小于 0.2 毫米的點(diǎn)。

光學(xué)顯微鏡的最大放大倍率約為 1000 倍。鏡頭的數(shù)量及其質(zhì)量限制了其功能。但是另一個(gè)因素也限制了它的分辨率，這個(gè)因素就是光。

白光的波長為 400 至 700nm（納米）。

平均波長為500nm。這給出了大約 200 到 250nm 的理論分辨率檢測限。

因此，波長是光學(xué)顯微鏡分辨率的限制因素。電子顯微鏡克服了這一點(diǎn)，因?yàn)殡娮拥妮^短波長可以實(shí)現(xiàn)更好的分辨率。

使用 SEM 可以實(shí)現(xiàn)的最大分辨率取決于各種因素，例如電子光斑尺寸和電子束與樣品的相互作用體積。

一些掃描電子顯微鏡可以達(dá)到1nm以下的分辨率。

全尺寸儀器的分辨率通常在 1 到 20 納米之間，而臺式儀器的分辨率則為 20 納米或更高。

SEM的優(yōu)勢是什么？

掃描電子顯微鏡具有廣泛的研究和實(shí)際應(yīng)用。

它提供詳細(xì)的地形圖像，提供多種數(shù)據(jù)。

經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，SEM 設(shè)備操作簡單，專業(yè)但用戶友好的軟件支持它。現(xiàn)代 SEM 數(shù)據(jù)以數(shù)字形式出現(xiàn)。

這是一個(gè)快速的過程，儀器可以在五分鐘內(nèi)完成分析。

有一定程度的樣品制備是必要的，但通常這很少。

您如何為 SEM 準(zhǔn)備樣品？

首先，重要的是要考慮樣品的大小、形狀和狀態(tài)，以及它是否具有導(dǎo)電性能。

• 如果樣品不具有導(dǎo)電特性，則需要先使用濺射鍍膜機(jī)對其進(jìn)行鍍膜。導(dǎo)電涂層包括金、銀、鉑和鉻。除非導(dǎo)電材料外，涂層還適用于對電子束敏感的樣品，例如塑料。

• 為確保圖像清晰，您必須確保樣品干凈。

• 為了在此過程中保持其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，請使用固定劑，或在必要時(shí)通過酒精使其脫水。

• 在將樣品置于顯微鏡的真空環(huán)境中之前，樣品必須完全干燥。如果不干燥，水汽化會(huì)阻礙電子束，影響圖像的清晰度。

SEM 可以執(zhí)行哪些類型的分析？

SEM 可以執(zhí)行的主要分析類型有：

• BSE – 背散射電子檢測

• EDS – 能量色散 X 射線光譜

• CL – 陰極發(fā)光

• EBSD——電子背散射衍射。

BSE 生成的圖像會(huì)攜帶有關(guān)樣本組成的信息。BSE 圖像提供有價(jià)值的晶體學(xué)、形貌和磁場信息。

EDS 分離具有不同元素特征的 X 射線，有助于分析材料的能譜和化學(xué)成分。

CL 生成發(fā)光材料的高分辨率數(shù)字圖像。

EBSD 提供有關(guān)材料晶體結(jié)構(gòu)和取向的直接信息，并可對多晶聚集體進(jìn)行分析。

哪些行業(yè)和部門使用 SEM？

掃描電子顯微鏡的適應(yīng)性使其成為廣泛的科學(xué)、研究、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的理想選擇。

SEM 圖像提供以下信息：

• 地形

• 作品

• 形態(tài)學(xué)

形貌是樣品表面上特征或部分的分布。

成分是樣品的組成部分。

形態(tài)是樣品的形式、形狀或結(jié)構(gòu)。

生物科學(xué)

SEM 在生物科學(xué)中的用途包括鑒定細(xì)菌菌株和測試疫苗。

它也應(yīng)用于遺傳學(xué)。

SEM 還可以幫助衡量氣候變化對不同物種的影響，并發(fā)現(xiàn)新物種。

取證

SEM 是分析槍擊殘留物以及分析犯罪現(xiàn)場的油漆顆粒和纖維的可靠方法。

它可以分析筆跡和印刷品，是檢驗(yàn)鈔票真?zhèn)蔚囊环N手段。

它用于分析交通事故現(xiàn)場的燈絲燈泡。

地質(zhì)取樣

掃描電子顯微鏡可以識別土壤和巖石樣品的成分差異，并確定風(fēng)化對材料的影響。

SEM 在考古遺址中用于識別早期工具和人工制品，以及確定歷史遺跡的年代。

它可以測量農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)的土壤質(zhì)量。

醫(yī)藥科學(xué)

SEM 用作比較患者和對照組的血液和組織樣本的技術(shù)。

它可以幫助識別病毒和疾病，并測試新藥。

電子產(chǎn)品

SEM 通過對設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)檢查并協(xié)助開發(fā)新的制造和生產(chǎn)方法來支持微芯片組裝。

隨著微芯片組裝材料越來越小，SEM 的高分辨率能力在設(shè)計(jì)、研發(fā)過程中變得不可或缺。

SEM 提供的拓?fù)湫畔τ跈z查和測試半導(dǎo)體的可靠性和性能也是必不可少的。

掃描電子顯微鏡在質(zhì)量控制過程中是必不可少的。

他們還 通過改進(jìn)制造方法來支持納米線的發(fā)展。

材料科學(xué)

在材料科學(xué)中，SEM 應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域和學(xué)科，從航空航天和化學(xué)到能源和電子。

應(yīng)用包括合金、 介孔結(jié)構(gòu)、納米管和納米纖維的研究。

微觀質(zhì)量控制

跨不同行業(yè)的許多現(xiàn)代開發(fā)和研究越來越需要微觀水平的精確質(zhì)量控制。

SEM 具有獲得清晰、高分辨率圖像的能力，是一種調(diào)查分析技術(shù)，在支持新技術(shù)的實(shí)際發(fā)展和工業(yè) 4.0 的發(fā)展方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。