扫描电镜(SEM)的基本原理以及在实际中的应用


发布时间:

2023-11-30

光学显微镜的分辨率受到波长的限制,因此其分辨本领约为200nm。随后,为了突破这一限制,科学家利用波粒二象性原理,即电子在加速电压下运动,其波长可达可见光波长的十万分之一,发展出了扫描电子显微镜(SEM)

众所周知,光学显微镜是先出来的,光学显微镜的分辨率用瑞利公式表示,瑞利公式通常用于描述显微镜分辨率的极限,其表达式如下:

其中,λ 为入射光的波长,nsina为数值孔径。

光学显微镜的分辨率受到波长的限制,因此其分辨本领约为200nm。随后,为了突破这一限制,科学家利用波粒二象性原理,即电子在加速电压下运动,其波长可达可见光波长的十万分之一,发展出了扫描电子显微镜(SEM)。

1. 基本原理

扫描电镜是通过用电子束在样品表面上进行光栅状扫描的方法,通过探测电子与样品相互作用产生的信号来观察和分析样品表面的组成、形态和结构。主要通过二次电子、背散射电子和特征X射线等信号来分析样品表面的特性。

二次电子: 用于观察样品表面形貌,对表面状态非常敏感。

背散射电子: 通过样品中的电子散射观察样品表面形貌,并可用于定性分析样品组成。

特征X射线: 通过激发试样原子内层电子跃迁产生,用于定量分析样品组成。

2. 构造

扫描电镜主要由以下几个部分组成:

电子光学系统: 包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和试样室,用于发射、聚焦和扫描电子束。

信号收集及显示系统: 包括二次电子和背散射电子探测器、能谱仪等,用于收集和显示样品产生的信号。

真空系统: 提供高真空度,减少电子能量损失和污染。

计算机控制系统: 对电镜进行控制和操作,提供图像和分析结果。

3. 优势

景深长,视野大: 具有较大的景深和视野,可观察到大范围的样品表面。

样品制备简单: 相对于透射电镜,样品制备相对简单,可以观察导电和非导电样品。

分辨本领高: 具有很高的分辨率,能够观察到几纳米的微观结构。

倍率可调: 可在几倍到几十万倍的范围内连续可调,适用于宏观到微观的观察和分析。

综合分析能力强: 可以安装不同的检测器进行多方面分析,包括能谱仪、波谱仪等。

4. 应用

4.1 材料学

纳米材料观察: 分析纳米材料的结构、颗粒尺寸和分布。

高分子材料分析: 观察高分子材料的微观形貌、断裂和老化情况。

金属材料研究: 分析金属材料的微观组织、断裂模式和表面磨损。

陶瓷材料表征: 对陶瓷材料的晶相、晶粒大小和缺陷进行观察。

4.2 物理学

表面处理效果观察: 观察表面处理对材料硬度和光学性能的影响。

镀膜、光刻蚀观察: 对薄膜和器件表面形貌进行观察。

4.3 生物学

生物样品观察: 观察生物细胞、微生物和组织的微观结构。

生物材料性能研究: 对生物活性材料和生物陶瓷的表面形貌和细胞生长情况进行研究。

4.4 地矿学

矿物分析: 观察矿物的表面形貌、组织和组成。

岩土分析: 分析岩土的微观结构、构造和坚固性。

4.5 微电子工业

半导体器件分析: 对半导体器件的失效点和缺陷进行观察和分析。

4.6 考古学

文物分析: 对文物的微观结构和化学成分进行无损分析。

4.7 刑事侦查

物证分析: 对射击残留物、爆炸残留物、文书等进行无损的显微结构分析和化学成分鉴定。

扫描电镜在这些领域的应用为研究者提供了强大的工具,帮助他们深入理解材料的微观结构和性质。

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