2026/06/11
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本文詳細(xì)介紹了掃描電子顯微鏡的概念、應(yīng)用、技術(shù)限制、成像原理等知識(shí)。
掃描電鏡（SEM）是利用電子束掃描樣品表面，產(chǎn)生二次電子等信號(hào)，通過檢測這些信號(hào)來獲取樣品表面形貌、成分等信息。
SEM的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，可觀察到納米級(jí)別的細(xì)節(jié)，景深大，能清晰呈現(xiàn)三維形貌，可同時(shí)進(jìn)行成分分析。
1. SEM技術(shù)簡介
從本質(zhì)上講，SEM "觀察"樣品表面的方式可以比作一個(gè)人獨(dú)自在暗室中使用手電筒（窄光束）掃描墻上的物體。從墻的一側(cè)到另一側(cè)進(jìn)行掃描，手電筒再逐漸向下移動(dòng)掃描，人就可以在記憶中建立起物體的圖像。SEM是用電子束代替了手電筒，并用電子探測器代替眼睛，用觀察屏幕和照相機(jī)作為圖像存儲(chǔ)器。
電子是原子中帶負(fù)電荷的粒子。在光鏡中，光子由玻璃透鏡聚焦。在電鏡中，電磁鐵用于聚焦電子。電子束與樣品表面的相互作用會(huì)影響獲得的圖像。
SEM可以提供跨微米和納米尺度研究，分辨率通常在3-0.5nm之間，最高的分辨率可以達(dá)到0.4nm。SEM通常可將樣品的細(xì)節(jié)放大約10倍至30萬倍（底片倍數(shù)的有效放大倍數(shù)）。此外，SEM圖像上通常會(huì)提供一個(gè)刻度條，刻度條用于計(jì)算圖像中特征的大小。
備注：目前存在一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，用于評(píng)估掃描電鏡的分辨率性能。這些標(biāo)準(zhǔn)通常基于特定的測試方法和指標(biāo)。然而，需要注意的是：不同的掃描電鏡型號(hào)和制造商可能會(huì)有略微不同的分辨率測量方法和標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際測量結(jié)果還可能受到多種因素的影響，如樣品制備、成像條件等。
在掃描電鏡中，通常涉及到兩個(gè)倍數(shù)，一個(gè)是底片倍數(shù)，一個(gè)是顯示倍數(shù)。底片倍數(shù)，指掃描電鏡獲取圖像時(shí)，實(shí)際拍攝到5英寸底片上的放大倍數(shù)。顯示倍數(shù)是指在顯示器上顯示的放大倍數(shù)。
初學(xué)者搞不清楚底片倍數(shù)和顯示倍數(shù)的區(qū)別，同樣的細(xì)節(jié)長度，顯示倍數(shù)通常會(huì)比底片倍數(shù)高2-3倍，因此，衡量物體尺寸的大小看標(biāo)尺刻度，而不是放大倍數(shù)。
此外，SEM圖像沒有顏色（但可以人工著色），看起來可能立體感強(qiáng)（景深大），而且只顯示樣品的表面或次表面細(xì)節(jié)（電子束對(duì)樣品的穿透力極小）。
SEM上的探測器通常可接收兩種不同類型的電子信號(hào)：二次電子（SE）或背散射電子（BSE）。一般來說，SE圖像中的灰色陰影襯度是由樣品的形貌造成的，BSE圖像中的灰色深淺襯度是由樣品中不同物相的平均原子序數(shù)決定的。
從某種意義上說，可以簡單的把SE理解為形貌像，盡管如此，也不是絕對(duì)的。但不能簡單的把BSE理解為成分像，有兩個(gè)原因，第一，BSE也能反應(yīng)形貌特征，也是很通用的技術(shù)，比如4-6分割的外環(huán)半導(dǎo)體BSE探測器，或者低加速電壓下的BSE信號(hào)，因?yàn)橄嗷プ饔脜^(qū)淺，也能反應(yīng)形貌細(xì)節(jié)。第二，BSE反應(yīng)的是不同的相之間的成分對(duì)比度，而不是元素的對(duì)比度，比如氧化鋁和氧化鋯之間有差異，而不是指氧和鋁，或氧和鋯之間的元素對(duì)比度差異。另外需要注意的是，閃爍體探測器可以同時(shí)接收SE和BSE，也就是存在一定的混合信號(hào)。
2. SEM的應(yīng)用
SEM是一種廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程領(lǐng)域的技術(shù)。最常見的應(yīng)用領(lǐng)域包括材料科學(xué)、生物科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、醫(yī)學(xué)和法醫(yī)學(xué)。SEM還可用于創(chuàng)作數(shù)字藝術(shù)作品。
SEM技術(shù)可以對(duì)樣品的形態(tài)進(jìn)行成像（如粉末顆粒，塊狀材料、涂層、切片材料），通過BEE散射電子可以對(duì)不同的物相進(jìn)行成像，也可利用生物樣品中的金屬和熒光探針對(duì)分子探針進(jìn)行成像，或進(jìn)行微米和納米光刻。
此外，SEM也可在觀察樣品時(shí)同時(shí)加熱或冷卻樣品（需要特定類型的平臺(tái)），以及觀察濕潤的樣品（僅適用于環(huán)境SEM）。可以分析來自樣品的X射線，進(jìn)行微區(qū)元素分析（需要EDS或WDS探測器），也可以研究半導(dǎo)體的光電特性（需要陰極熒光CL探測器），還可以觀察晶體材料的晶粒取向或晶體取向圖，同時(shí)研究平面樣品中的異質(zhì)性和微應(yīng)變等相關(guān)信息（需要EBSD探測器）。
