近年來，由于各種應(yīng)用中使用的材料尺寸的不斷縮小，掃描電子顯微鏡（SEM）已成為用于材料表征的強(qiáng)大且通用的工具。在這篇文章中，我們解釋了SEM是什么，并描述了SEM儀器的主要工作原理。

什么是SEM？

SEM（Scanning Electron Microscope）代表掃描電子顯微鏡。電子顯微鏡使用電子進(jìn)行成像，就像光學(xué)顯微鏡使用可見光一樣。SEM使用聚焦的高能電子束在固體樣品表面產(chǎn)生各種信號(hào)。來自電子-樣品相互作用的信號(hào)揭示了樣品的信息，包括外部形態(tài)（紋理），化學(xué)成分，以及構(gòu)成樣品的材料的晶體結(jié)構(gòu)和取向。在大多數(shù)應(yīng)用中，在樣本表面的選定區(qū)域上收集數(shù)據(jù)，并生成顯示這些屬性的空間變化的二維圖像。由于電子的波長遠(yuǎn)小于光的波長，因此SEM的分辨率優(yōu)于光學(xué)顯微鏡的分辨率。

圖1：SEM工作示意圖

SEM技術(shù)如何工作？

SEM 的示意圖如圖2 所示。在這種的電子顯微鏡中，電子束以光柵模式逐行掃描樣品。首先，電子由腔室頂端的電子源（俗稱燈絲）產(chǎn)生。電子束發(fā)射是因?yàn)闊崮芸朔瞬牧系墓瘮?shù)。他們隨后被加速并被帶正電的陽極所吸引。整個(gè)電子腔需要處于真空環(huán)境中。像所有的電子顯微鏡部件一樣，為了保持真空并且防止污染、震動(dòng)和噪聲，燈絲被密封在一個(gè)特殊的腔室中。真空不僅可以保持燈絲不受污染，也可以讓使用者獲得高分辨率。如果缺乏真空，其它原子和分子就會(huì)存在于腔室中。他們和電子相互作用就會(huì)導(dǎo)致電子束偏轉(zhuǎn)，成像質(zhì)量降低。此外，高真空增加了腔室中探頭的電子接收效率。

圖2：基本SEM組件的示意圖

與光學(xué)顯微鏡類似，掃描電鏡 SEM 使用透鏡來控制電子的路徑。因?yàn)殡娮硬荒芡高^玻璃，這里所用的是電磁透鏡。他們簡(jiǎn)單的由線圈和金屬極片構(gòu)成。當(dāng)電流通過線圈，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。電子對(duì)磁場(chǎng)十分敏感，電子在顯微鏡腔室的路徑就可以由這些電磁透鏡控制；調(diào)節(jié)電流大小可以控制磁場(chǎng)強(qiáng)度。通常，電磁透鏡有兩種：會(huì)聚鏡，電子通往樣品時(shí)首先遇到的透鏡。會(huì)聚鏡會(huì)在電子束錐角張開之前將電子束會(huì)聚，電子在轟擊樣品之前會(huì)再由物鏡會(huì)聚一次。會(huì)聚鏡決定了電子束的尺寸（決定著分辨率），物鏡則主要負(fù)責(zé)將電子束聚焦到樣品上。掃描電鏡的光路系統(tǒng)同樣還包含了用于將電子束在樣品表面光柵化的掃描線圈。在許多時(shí)候，孔徑光闌會(huì)結(jié)合透鏡一起控制電子束大小。

產(chǎn)生什么樣的電子？

當(dāng)一束極細(xì)的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子）、電子振蕩（等離子體）【材料課堂】二次電子 vs 背散射電子。

圖3：電子與材料的相互作用

背散射電子

背散射電子是指被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背反射電子和非彈性背反射電子。彈性背反射電子是指被樣品中原子核反彈回來的（散射角大于90度）那些入射電子，其能量基本上沒有變化（能量為數(shù)千到數(shù)萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數(shù)十電子伏到數(shù)千電子伏。從數(shù)量上看，彈性背反射電子遠(yuǎn)比非彈性背反射電子所占的份額多。

二次電子

二次電子是指被入射電子轟擊出來的核外電子。由于原子核和外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，可脫離原子成為自由電子。如果這種散射過程發(fā)生在比較接近樣品表層處，那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。二次電子來自表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV。它對(duì)試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發(fā)自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒有多大區(qū)別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達(dá)到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不大，它主要取決于表面形貌。

特征X射線

特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以后在能級(jí)躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。X射線一般在試樣的500nm-5mm深處發(fā)出。

俄歇電子

如果原子內(nèi)層電子能級(jí)躍遷過程中釋放出來的能量不是以X射線的形式釋放而是用該能量將核外另一電子打出，脫離原子變?yōu)槎坞娮樱@種二次電子叫做俄歇電子。因每一種原子都由自己特定的殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范圍內(nèi)。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個(gè)原子層中發(fā)出的，這說明俄歇電子信號(hào)適用與表層化學(xué)成分分析。

我們可以知道，電子與樣品的相互作用會(huì)產(chǎn)生不同種類的電子、光子或輻射。對(duì)于掃描電鏡 SEM 來說，用于成像的兩類電子分別是背散射電子 （BSE） 和二次電子 （SE）。背散射電子來自于入射電子束，這些電子與樣品發(fā)生彈性碰撞，其中一部分反彈回來，這就是背散射電子。另一方面，二次電子則來自于樣品原子：它們是入射電子與樣品發(fā)生非彈性碰撞所產(chǎn)生的。

BSE 來自于樣品的較深層區(qū)域，而 SE 則產(chǎn)生于樣品的表面區(qū)域。因此，BSE 和 SE 代表不同的信息。BSE 圖像對(duì)原子序數(shù)差異非常敏感：材料的原子序數(shù)越大，對(duì)應(yīng)在圖像中就越亮。

圖4：a） BSE和 b）FeO2顆粒的SE圖像

SEM樣品制備一般原則是什么？

掃描電鏡樣品種類繁多，特性各異。為了滿足電鏡的常規(guī)觀察，樣品制備應(yīng)該符合以下原則：

A. 顯露出所欲分析的位置。

B. 表面導(dǎo)電性良好，需能排除電荷。

C. 不得有松動(dòng)的粉末或碎屑（以避免抽真空時(shí)粉末飛揚(yáng)污染鏡柱體）。

D. 需耐熱，不得有熔融蒸發(fā)的現(xiàn)象。

E. 不能含液狀或膠狀物質(zhì)，以免揮發(fā)。

F. 非導(dǎo)體表面需鍍金（影像觀察）或鍍碳（成份分析）。