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，從而產生詳細的放大圖像。

SEM 使用聚焦的電子束來做到這一點。

生成的圖像顯示了有關物體的構成及其物理特征的信息。

獲得有關成分和形貌信息的儀器是掃描電子顯微鏡。

作為一種實用且有用的工具，SEM 在多個行業和部門中具有廣泛的應用。它可以分析人造和天然材料。

SEM 期間會發生什么？

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。

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

這確保了高質量的成像。

真空還保護電子源免受振動和噪音的影響。

電子束以光柵圖案掃描樣品，從一側到另一側、從上到下以線狀掃描表面區域。

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建顯示在計算機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，以確保它以光柵方式掃描樣品表面。

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

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

當電流通過這些線圈時，它們會產生磁場。

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

當來自顯微鏡的電子與樣品相互作用時，會產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)。

當初級電子束與樣品物體相互作用時，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，因為它們來自樣品的原子，是非彈性相互作用的結果。

這些彈性和非彈性相互作用之間有什么區別？

當初級電子沒有能量損失時會發生彈性相互作用，當這種情況發生時，電子可以改變方向但不會改變它們的波長
當相互作用導致初級電子的能量損失時，就會發生非彈性相互作用。

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

來自 BSE 的圖像對原子序數差異表現出高度敏感性，這些差異會顯示為更亮或更暗。

SE 圖像包含更詳細的表面信息。

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 Everhart-Thornley 檢測器。這包括法拉第籠內的閃爍體。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檢測器。

是什么產生了 SEM 中使用的電子？

SEM儀器使用三種產生電子的方法：

場發射槍——這會產生強大的電場，將電子從原子中拉開并生成高分辨率圖像。它采用真空設計。
熱離子燈絲——在顯微鏡內，這種鎢在白熱化的溫度下加熱，直到它發射電子。在高溫條件下，其壽命約為 100 小時。
六硼化鈰陰極——亮度是鎢的十倍，這種電子源提供了改進的信噪比和更好的比率，使用壽命超過 1,500 小時。

電子顯微鏡與光學顯微鏡有何不同？

在光學顯微鏡中，您使用光和透鏡組合來放大圖像。

這使您能夠查看諸如細胞之類的小物體，但您可以實現的放大倍數有限，因此您可以分析的材料和物質也受到限制。

電子顯微鏡是不同的，因為您使用電子束而不是使用光束。

電子顯微鏡可以克服光學顯微鏡的局限性，因為它們使用更短的波長，從而產生更好的圖像分辨率。

在適當的光量下，人眼可以在不使用鏡片的情況下區分相距 0.2mm 的兩點。

這個距離就是眼睛的分辨率。

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

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

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，波長是光學顯微鏡分辨率的限制因素。電子顯微鏡克服了這一點，因為電子的較短波長可以實現更好的分辨率。

使用 SEM 可以實現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的優勢是什么？

掃描電子顯微鏡具有廣泛的研究和實際應用。

它提供詳細的地形圖像，提供多種數據。

經過適當的培訓，SEM 設備操作簡單，專業但用戶友好的軟件支持它。現代 SEM 數據以數字形式出現。

這是一個快速的過程，儀器可以在五分鐘內完成分析。

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 準備樣品？

首先，重要的是要考慮樣品的大小、形狀和狀態，以及它是否具有導電性能。

如果樣品不具有導電特性，則需要先使用濺射鍍膜機對其進行鍍膜。導電涂層包括金、銀、鉑和鉻。除非導電材料外，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構細節，請使用固定劑，或在必要時通過酒精使其脫水。
在將樣品置于顯微鏡的真空環境中之前，樣品必須完全干燥。如果不干燥，水汽化會阻礙電子束，影響圖像的清晰度。

SEM 可以執行哪些類型的分析？

SEM 可以執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 – 陰極發光
EBSD——電子背散射衍射。

BSE 生成的圖像會攜帶有關樣本組成的信息。BSE 圖像提供有價值的晶體學、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成分。

CL 生成發光材料的高分辨率數字圖像。

EBSD 提供有關材料晶體結構和取向的直接信息，并可對多晶聚集體進行分析。

哪些行業和部門使用 SEM？

掃描電子顯微鏡的適應性使其成為廣泛的科學、研究、工業和商業應用的理想選擇。

SEM 圖像提供以下信息：

地形
作品
形態學

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。

形態是樣品的形式、形狀或結構。

生物科學

SEM 在生物科學中的用途包括鑒定細菌菌株和測試疫苗。

它也應用于遺傳學。

SEM 還可以幫助衡量氣候變化對不同物種的影響，并發現新物種。

取證

SEM 是分析槍擊殘留物以及分析犯罪現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，是檢驗鈔票真偽的一種手段。

它用于分析交通事故現場的燈絲燈泡。

地質取樣

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。

它可以測量農業和農業的土壤質量。

醫藥科學

SEM 用作比較患者和對照組的血液和組織樣本的技術。

它可以幫助識別病毒和疾病，并測試新藥。

電子產品

SEM 通過對設計進行詳細檢查并協助開發新的制造和生產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計、研發過程中變得不可或缺。

SEM 提供的拓撲信息對于檢查和測試半導體的可靠性和性能也是必不可少的。

掃描電子顯微鏡在質量控制過程中是必不可少的。

他們還通過改進制造方法來支持納米線的發展。

材料科學

在材料科學中，SEM 應用于廣泛的領域和學科，從航空航天和化學到能源和電子。

應用包括合金、介孔結構、納米管和納米纖維的研究。

微觀質量控制

跨不同行業的許多現代開發和研究越來越需要微觀水平的精確質量控制。

SEM 具有獲得清晰、高分辨率圖像的能力，是一種調查分析技術，在支持新技術的實際發展和工業 4.0 的發展方面發揮著關鍵作用。