泽攸科普——扫描电镜基本原理及应用技巧


发布时间:

2024-03-11

随着科学技术的不断进步,人类对微观世界的探索热情与日俱增。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)作为一种先进的微区分析工具,在科研和工业领域发挥着不可或缺的重要作用。它以高分辨率、大视场、立体成像等优势,成为材料学、生物学、物理学等众多学科的利器,推动了诸多领域的发展。

一、前言

随着科学技术的不断进步,人类对微观世界的探索热情与日俱增。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,简称SEM)作为一种先进的微区分析工具,在科研和工业领域发挥着不可或缺的重要作用。它以高分辨率、大视场、立体成像等优势,成为材料学、生物学、物理学等众多学科的利器,推动了诸多领域的发展。

本文将全面介绍扫描电子显微镜的基本原理、结构组成、独特优势,并列举其在各个领域的具体应用实例,让读者全方位了解这项精密仪器,增进对微观世界的认识。

二、扫描电镜基本原理

扫描电镜是利用加速电子束在样品表面进行扫描,探测电子束与样品相互作用产生的各种信号,从而获取样品表面形貌、组成等信息的分析测试仪器。

电子与试样相互作用产生的各种信号

1. 电子束与样品相互作用产生的信号种类

当高能电子束轰击样品表面时,会激发出多种信号,主要包括:

(1)二次电子:为样品原子核外电子经入射电子激发后被击离的电子,能量较低,主要来自于样品表面几纳米的范围,对样品表面形貌特别敏感。

(2)背散射电子:即入射电子在样品内部发生多次散射后从样品表面反射出的电子,其产额与样品中原子的平均原子序数有关。

(3)特征X射线:当入射电子能量足够高时,将击穿样品原子内层电子,由更外层电子重新填补时释放出特征X射线,其能量与原子种类有关。

2. 成像原理

电子束扫过样品表面时,二次电子和背散射电子被分别检测和放大,用于在显示器上重建出样品的形貌图像。其中,二次电子成像可非常真实地反映样品表面微观形貌;背散射电子成像则可反映出样品内不同区域原子序数的差异。

3. 化学成分分析原理

通过对特征X射线的能谱分析,可以定性定量分析出样品的元素组成。每种元素都有其特征的X射线能量,能谱峰的位置可确定元素种类,峰面积则与元素含量成正比。

扫描电镜结构示意图

三、扫描电镜结构  

现代扫描电镜主要由以下几大系统构成:

1. 电子光学系统

包括电子枪、电磁透镜和偏转线圈等。电子枪产生并加速电子束,透镜将电子束聚焦成细小束斑,偏转线圈控制电子束在样品表面扫描。

四种类型电子枪性能比较

2. 信号检测及处理系统

负责收集和分析电子束与样品相互作用产生的各种信号。二次电子和背散射电子经探测器、放大器处理后在显示器上重建形貌图像;X射线信号则由能谱仪进行分析,显示出样品的元素组成信息。

3. 真空系统  

电子束需要在高真空环境下行进,真空度通常要求在10^-3~10^-8Pa,以减少电子能量损失、减小污染、延长灯丝寿命。  

4. 计算机控制系统

集成了对电镜各部分的控制与数据采集处理功能,实现了扫描电镜操作的自动化、智能化。

电子信号用闪烁体计数器进行检测

四、扫描电镜优势

相比光学显微镜和透射电镜,扫描电镜在多方面展现出独特优势:

1. 景深大,立体感强

扫描电镜采用小视场角和长焦距设计,在同等分辨率下,其景深可达光学显微镜的数十至上百倍,成像立体感明显,有助于观察样品的三维微观结构。

2. 样品制备简单

扫描电镜样品室较大,可直接放置较大尺寸固体样品。对于导电样品,只需将样品固定在样品台上即可观察;对于非导电样品,通过喷镀导电膜后也可正常观察,制样工序大为简化。

3. 分辨率高,倍率连续可调

现代扫描电镜的分辨率可达纳米量级,分析能力已接近透射电镜水平。与光学显微镜和透射电镜的单一分辨率不同,扫描电镜可在广泛的放大倍数范围内连续调节,弥补了两者之间的观察空白区。

4. 综合分析能力强  

除了形貌成像之外,扫描电镜还可通过能谱仪、EBSD等技术获取样品的元素组成和晶体结构信息。此外,在加热、拉伸等特殊外场条件下,可进行原位实时观察和分析,分析能力非常强大。

五、扫描电镜应用实例

扫描电镜以上述诸多优势,在诸多学科领域发挥重要作用:

1. 材料学领域

(1)纳米材料研究

可直接观察纳米材料的形貌、尺寸分布及均匀性等,结合能谱分析还可确定其物质组成,如图1所示。这对研究纳米材料性能、调控制备工艺等具有重要意义。

(2)金属/陶瓷材料分析

可对金属/陶瓷材料的组织结构、晶体取向、缺陷、断口形貌等进行观察和分析。例如,图2展示了一种金属陶瓷表面独特的"星环"结构。通过断口分析,可揭示金属/陶瓷材料的断裂机理。

泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜案例

2. 生物学领域

扫描电镜是生物学研究的重要工具,可用于观察细胞、细菌、病毒等生物样品在不同状态下的微观形貌。图3展示了蝴蝶翅膀鳞片的精细结构,以及神经细胞的突起细节。

此外,通过冷冻断裂、喷镀等技术处理生物样品,还可暴露样品内部结构,使用扫描电镜原位观察,为深入研究生物体内部构造提供了有力手段。

3. 其他领域

(1)考古学:通过能谱成分分析,可对古代文物进行无损鉴别和制作工艺解析,为文物保护修复提供参考。

(2)地矿学:可观察矿物材料的微区结构、组成,分析矿床生成条件和成矿环境演化。

(3)微电子工业:芯片制造过程中,可利用扫描电镜对缺陷、杂质分布进行检测,完善工艺流程。

(4)刑事侦查:可对枪击、爆炸等现场残留物的形貌和成分进行鉴定分析,为案件侦破提供线索。

六、结语

扫描电子显微镜以其高分辨率、大视场、立体成像以及分析能力出众等优势,成为科研和工业领域不可或缺的精密仪器。随着技术的不断进步,扫描电镜的性能将更加卓越,其应用领域也将持续扩展,为人类深入探索微观奥秘贡献更大力量。让我们拭目以待,扫描电镜必将为科技发展和人类文明进步写下新的篇章。

泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜

安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供优秀的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在内的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在科学精密仪器领域的诸多空白。