扫描电镜（SEM）的基本原理、构造、优势以及在实际中的应用
扫描电镜主要应用于对样品微区形貌，结构与组成进行观察与分析。 它以分辨率高，景深好和操作简单而被广泛应用于材料学，物理学，化学，生物学，考古学，地矿学和微电子工业。
文章根据多年扫描电镜测试工作经验，对扫描电镜基本原理，结构，优点及其实际应用等方面进行阐述，以期对扫描电镜初学者和从业者充分理解与运用扫描电镜有所帮助。
伴随着现代科学技术的进步，一大批科研工作者把研究方向聚焦于探索微观世界。 但是，单凭人眼分辨率（约为0.2mm）是达不到要求的。 各种带放大功能的显微镜被提出来，以观测更加微观的世界和分析更加细微的细节。首先出现的是光学显微镜 。光学显微镜的分辨率用瑞利公式表示如下：
式中 ，λ为波长 ，n为折射率 ，α为孔径角。在上述公式中，入射波长λ是影响光学显微镜分辨率的主要因素。然而，受可见光波长范围（400～760nm）的限制，光学显微镜的极限分辨率约为200nm。为了突破光学显微镜分辨本领的极限， 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），以加速电子充当新光源制备了高分辨率的扫描电子显微镜 ，以下简称扫描电镜。
1. 扫描电镜的基本原理
扫描电镜（SEM）是用电子枪射出电子束聚焦后在样品表面上做光栅状扫描的一种方法，它通过探测电子作用于样品所产生的信号来观察并分析样品表面的组成，形态和结构。 入射电子作用于样品会激发多种信息，如二次电子，背散射电子，吸收电子，俄歇电子，阴极荧光，特征X射线（见图1）等等。 扫描电镜（SEM）主要是通过二次电子，背散射电子和特征X射线（XRD）信号来分析试样表面特性。
图1. 电子与试样相互作用产生的各种信号
1.1二次电子
二次电子为入射电子所激发的样品原子外层电子。 二次电子能量较低，仅在样品表面附近几个纳米深度以内才有电子从表面逃逸。 所以，它对试样表面的状态非常敏感，主要用于扫描电镜下试样表面形貌的观察。 入射电子在样品中存在泪滴状弥散范围，而在样品表层还没有明显弥散，使得二次电子像具有较高空间分辨率。
1.2 背散射电子
背散射电子就是入射电子被样品中的电子散射，然后射出样品的上部。 可以利用背散射电子对样品表面形貌进行分析。 同时，背散射电子产额随样品原子序数增加而提高，可以表明原子序数衬度高，可用来定性分析样品组成。
1.3 特征X射线
特征X射线是指入射电子将试样原子内层电子激发后，外层电子向内层电子跃迁时产生的具有特殊能量的电磁辐射。特征X射线的能量为原子两壳层的能量差（△E = E K - E L） ，由于元素原子的各个电子能级能量为确实值，因此，特征X射线能分析试样的组成成分。现将各种电子信号的用途、分析深度以及探测限总结如表1所示。
表1 各种电子信号的用途、分析深度及探测限
2. 扫描电镜的构造
扫描电镜主要由电子光学系统 ，信号收集及处理系统，信号显示及记录系统，真空系统，计算机控制系统等几部分组成。
2.1 电子光学系统
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和试样室。 从电子枪中射出的高能电子束经过两级电磁透镜的聚焦会聚形成几纳米大的束斑，电子束被扫描线圈偏转，对样品表面及屏幕进行同步扫描以激发样品表面各种信号。
2.2 信号收集及显示系统
电子束在试样室内作用于试样表面所激发出的二次电子、背散射电子先击中二次电子探测器及背散射电子探测器内闪烁体而发光，然后通过光电倍增管把光信号转换成电信号，再通过前置放大器进一步变成功率充足的输出信号，最后在阴极射线管上形成放大像（CRT）。 所生成的X射线信号是通过斜插人样品室的能谱仪（或波谱仪）采集到的，通过锂漂移硅探测器（Si（Li）、前置放大器、主放大器和脉冲处理器将X射线能谱图显示在显示器上（或波谱图）进行元素定性定量分析。
2.3 真空系统扫描电镜
需要高的真空度。高真空度能减少电子的能量损失，减少电子光路的污染并提高灯丝的寿命。根据扫描电镜类型（钨灯丝，六硼化镧，场发射扫描电镜）的不同 ，其所需的真空度不同，一般在10-3~10-8Pa。
2.4 计算机控制系统
扫描电镜有一套完整的计算机控制系统 ，方便测试人员对电镜进行控制和操作 。
3. 扫描电镜样品测试的优点
扫描电镜对样品微区结构的观察和分析具有简单、易行等特点 ，是目前应用得最为广泛的一种试样表征方式，它相比于光学显微镜和透射电镜有其特有的优势。
3.1 景深长，视野大
扫描电镜物镜使用小孔视角和长焦距因而景深较大。 相同放大倍数时扫描电镜景深比透射电镜大且比光学显微镜大很多。 扫描电镜中二次电子的产生量和电于束入射角度在试样表面上的涨落有一定关系，因此，扫描电镜成像立体感较强，可以用来观察试样三维立体结构。
3.2 样品制备
简单扫描电镜的样品室较大，可观察大到200毫米，高为几十毫米的样品。扫描电镜的样品制备相比透射电镜而言要简单得多 ，样品可以是断口，块体，粉体等。对于导电的样品只要大小合适即可直接观察，对于不导电的样品需在样品表面喷镀一层导电膜（ 通常为金、铂或碳）后进行观察。现代发展起来的低压扫描电镜和环境扫描电镜可以对不导电样品，生物样品等进行直接观察，极大地扩展了扫描电镜的应用范围。
3.3 分辨本领高，倍率连续可调
扫描电镜具有很高的分辨率 ，普通扫描电镜的分辨率为几纳米，场发射扫描电镜的分辨率可达1nm ，已十分接近透射电镜的水平。光学显微镜只能在低倍率下使用，而透射电镜只能在高倍率下使用，扫描电镜可以在几倍到几十万倍的范围内连续可调，弥补了从光学显微镜到透射电镜观察的一个很大的跨度，实现了对样品从宏观到微观的观察和分析。
3.4 综合分析能力强
扫描电镜可以对样品进行旋转，倾斜等操作，能对样品的各个部位进行观察 。此外，扫描电镜可以安装不同的检测器（如能谱仪（EDS），波谱仪（WDS）以及电子背散射衍射（EBSD）等）来接收不同的信号，以便对样品微区的成分和晶体取向等特性进行表征。此外，还能在扫描电镜中配置相应附件，对样品进行加热，冷却，拉伸等操作并对该动态过程中发生的变化进行实时观察。
4. 扫描电镜的应用
扫描电镜以其高的分辨率，良好的景深及简易的操作等优势在材料学、物理学、化学、生物学、考古学、地矿学、食品科学、微电子工业以及刑事侦查等领域有广泛的应用。它可以对组织进行形貌分析，断口分析，元素定性和定量分析以及晶体结构分 析，现将扫描电镜在各领域的具体应用总结如下。
4.1 材料学
4.1.1 纳米材料
扫描电镜可直接观察纳米材料的结构，颗粒尺寸 、分布 、均匀度及团聚情况 ，结合能谱还能对纳米材料的微区成分进行分析，确定纳米材料的组成。如图2（a）所示，为利用扫描电镜观察到的金纳米棒；图2（b）为 MnO2纳米线；图2（c）为 TiO2纳 米管；图2（d）为 SiO2纳米球（分别由四川大学生材中心李芸馄 ，材料学院史丽红及梁霄提供）。
图2. 纳米材料扫描电镜图
纳米材料的性质与其组成和表面形貌有很大的关系，利用扫描电镜分析纳米材料，可建立起纳米材料种类、微观形貌与宏观性质之间的联系，对于改进合成条件，制备出具有优异性能的纳米 材料有很重要的指导意义。
4.1.2 高分子材料
岣扫描电镜能直接观察高分子材料如均聚物，共聚物和共混物的颗粒，块体，纤维，膜片和其产品的微观形貌以及增强材料如粉体颗粒和纤维在母体内的分散状态。
图3（a）、图3（b）是用扫描电镜（四川大学高分子学院吴桐教授提供）观测的高分子滤膜上晶片结构与孔洞分布。
扫描电镜（SEM）也可以观察到高分子材料老化，疲劳，拉伸以及扭转过程中断口断裂与扩散过程，从而有助于对其断裂原因，模式与机制进行分析。
图3. 高分子滤膜表面扫描电镜图
4.1.3 金属材料
1）扫描电镜可对金属材料的微观组织（如马氏体，奥氏体，珠光体，铁素体等）进行显微结构及立体形态的分析。如图 4（a）所示，为利用扫描电镜观察金属陶瓷表面的星环结构。
图4. 金属材料扫描电镜图
2）扫描电镜可以分析金属材料表面磨损，腐蚀和形变（例如多晶位错与滑移）情况； 观察金属材料的断口形貌，揭示其断裂机理（解理断裂，准解理断裂，韧窝断裂，沿晶断裂，疲劳断裂）； 钢铁产品质量与缺陷分析（例如气泡、显微裂纹、显微缩孔等）。 图4（b）是用扫描电镜观察不锈钢断口韧窝结构（由四川大学制造学院唐俊提供）。 李文臣等用扫描电镜分析了三种WC晶粒度硬质合金表层和无梯度合金芯部的微观形貌、硬质合金非梯度合金芯部和硬质合金梯度表层断口形貌，将XRD与硬度计相结合，研究WC粒度变化对梯度硬质合金组织与性能的影响，并探讨不同WC粒度下梯度硬质合金断裂模式。
3）扫描电镜与能谱相结合可确定金属与合金各元素偏析情况，观察金属间化合物相，碳化物相，氮化物相和铌化物相，并进行成分识别；钢铁组织晶界上夹杂物或者第二相的观察与成分识别；零部件失效分析（例如畸变失效、断裂失效、磨损失效与腐蚀失效），并可识别失效零件表面析出物与腐蚀产物。 另外，针对抛光金属样品采用扫描电镜（SEM）和EBSD相结合的方法可以进一步分析其晶体结构。
4.1.4 陶瓷材料
扫描电镜可对陶瓷材料的原料，成品的显微结构及缺陷等进行分析，观察陶瓷材料中的晶相，晶体大小，杂质，气孔及孔隙分布情况，晶粒的取向以及晶粒的均匀度等情况。如图5（a）和图5（b）所示，分别为烧结后的YAG 陶瓷和生物陶瓷的扫描电镜图。利用该图可对陶瓷表面的晶粒尺度进行统计，观察晶粒均匀程度以及气孔分布情况。
图5. 陶器材料扫描电镜图
4.1.5 生物材料
扫描电镜可用于观察生物活性钛材料和生物陶瓷材料以及这些材料经过特殊处理后的表面形貌以及羟基磷灰石或细胞在这些材料表面的生长情况。
此外，扫描电镜还能用于观察水凝胶的孔洞结构，胶原的纤维结构，人工骨的孔分布情况以及磁性生物显影材料的尺度及包覆情况等，为改善合成工艺，制备性能优异的生物材料提供了依据。如图6所示，显示的是钛片经不同方法处理后在表面生长羟基磷灰石的情况。
图6. 起基磷灰石扫描 电镜图
4.2 物理学
通过表面处理（例如沉积出不同组成，形态及厚度的膜层以及光刻蚀表面等等）可以有效地提高材料硬度和光学物理性能。通过扫描电镜可以对镀膜表面形貌，断口膜层形貌进行观察，并对膜厚进行测量；可以观察到光刻蚀之后试样表面形貌变化情况等等。
见图7，分别显示在硅表面成长TiN薄膜断面、光刻胶表面聚苯乙烯微球、硅基底表面光纳米阵列结构扫描电镜图。
图7. 不同材料扫描电镜图
4.3 生物学
扫描电镜可用于观察生物的精细结构及复杂的立体表面形态。它可对藻类、花粉表面沟纹的精细结构，癌细胞的表面变化，细胞、细菌在生命周期中的表面变化进行观察。此外，扫描电镜与现代冷冻技术的结合（通过样品冷冻断裂暴露不同层面，如膜之间，细胞之间和细胞器之间的结构）可以获得生物样品完整的剖面，对研究一些生物样品的内部结构提供了支持 。
如图8所示，分别是利用扫描电镜观察河床上的藻类，鼠的红细胞以及在胶原表面上生长的细胞的形貌图。
图8. 不同生物样品扫描电镜图
4.4 考古学
扫描电镜结合能谱可以对出土的文物进行无损的显微结构分析和化学成分鉴定。它可对金币、银币和铜币表面进行分析，确定其金、银和铜纯度及含量，为分析当时的铸造工艺提供证据；可分析古字画、窑胎釉所用颜料的种类和配比。为进一步判断其来源和破解制备工艺提供参考；可分析织物，判定织物材质，织法工艺，为织物的保护和修复提供有力帮助。
4.5 地矿学
1）扫描电镜能分析矿物表面形貌，组织和组成。通过扫描电镜（SEM）观测矿物微区变化能为矿物成岩环境与历史演化分析提供证据；能观测粘士矿物形态，分布，性质与共生组合等特征，为粘土矿物成因与地球化学背景分析奠定基础；能分析储集岩矿物组成，结构构造，孔隙类型与成因等特征，并为储层优劣评价提供参考。
2）扫描电镜可以研究岩土组成，构造和坚固性。可用来观测宇宙尘，陨石及月岩等的形态特征，构造，以便对推断其成因和认识宁宙提供了有效资料；可以对古微生物化石形态，排列方式进行研究，对测定地质年代及地层形成古地理环境等提供数据。
图9. 不同岩土扫描电镜图
图9显示混凝土及砂岩扫描电镜图、砂岩能谱图（插入）。从图中9（a）中可以看出混凝土中各组分均匀混合。由图9（b）可见砂岩具有典型片层构造，并结合能谱对砂岩成分进行识别，这为判断未知岩石类型提供一种手段。
4.6 微电子工业
半导体器件性能与稳定性与器件表面微观状态有关。扫描电镜可用于半导体二极管、三级管、集成电路或者液晶显示器的失效分析、微观形貌的观察以及失效点和缺陷点的查找与观测，准确测量器件微观几何尺度及表面点位分布情况等，并与能谱相结合也可以分析污染物中各要素。有利于失效原因的分析、制备工艺的完善和有效措施预防事故。
图10. 光栅的扫描电镜图
如图10所示，是利用扫描电镜观察到的光栅的周期性结构。利用扫描电镜图可对光栅的周期性距进行测量，观察光栅上是否有缺陷位点。
4.7 刑事侦查
扫描电镜应用于刑事侦查，其特点是用量少、对检材无损害，可用来检验射击残留物、爆炸残留物、油漆、涂料、文书、金属附着物、刮擦／撬压痕迹、毒物、生物类物证（土壤、植物组织、纤维、骨、组织和毛）。通过观察、比对这批物证微观形貌，并结合能谱进行成分分析，可为调查提供线索或证实作案提供科学依据。
