掃描電子顯微鏡（SEM）原理

電子槍產(chǎn)生的電子束經(jīng)聚光鏡和物鏡聚焦后，形成極細的電子束在樣品表面進行逐點掃描。電子束與樣品表面相互作用，激發(fā)出二次電子、背散射電子等信號。其中二次電子對樣品表面的形貌非常敏感，這些二次電子被探測器收集，轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過處理后在顯像管或顯示屏上形成反映樣品表面形貌的三維圖像。

應用場景：

主要用于觀察樣品的表面形貌，如材料的斷口、晶體的表面生長形態(tài)、生物樣品的細胞表面結構等，在材料科學、生物學、地質(zhì)學、半導體工業(yè)、法醫(yī)學等領域應用廣泛。

掃描電子顯微鏡（SEM）分類

掃描電子顯微鏡（SEM）有多種分類方式，具體如下：

1、按電子槍種類分類

（1）鎢絲槍掃描電鏡：使用熱鎢極電子槍，陰極為能加熱的鎢絲。優(yōu)點是結構簡單、成本較低、適用性強、維護費用低；缺點是亮度有限，束斑直徑較大，分辨率相對較低，一般為6nm左右。

（2）六硼化鑭掃描電鏡：用六硼化鑭陰極替代鎢絲陰極。其亮度比熱鎢絲陰極電子槍高一個數(shù)量級，可使分辨率提高到4-5nm，但需要相當復雜的附屬設備，價格較貴，應用相對較少。

（3）場發(fā)射掃描電鏡：主要靠加在陰極表面的電場發(fā)射電子，陰極為晶體鎢。具有亮度高、分辨率高、壽命長、能實現(xiàn)快速掃描觀察和記錄等優(yōu)點，分辨率已達到3nm甚至更高，還可在低加速電壓下進行高分辨率觀察，能直接觀察絕緣體，但造價非常昂貴。

2、按樣品室的真空度分類

（1）高真空掃描電鏡：樣品室需維持較高的真空度，一般在10??- 10??Torr之間，適用于觀察不導電或?qū)щ娦圆畹臉悠罚蓽p少電子與氣體分子的碰撞，提高圖像質(zhì)量。

（2）低真空掃描電鏡：樣品室真空度相對較低，可在10?2- 10?3Torr范圍工作，允許樣品在較低真空條件下觀察，對于一些不宜在高真空環(huán)境下觀察的樣品，如含水、含油樣品等非常適用，可減少對樣品的處理過程。

（3）環(huán)境掃描電鏡：可在接近常壓的環(huán)境下對樣品進行觀察，能夠直接觀察濕樣、活的生物樣品等，大大擴展了掃描電鏡的應用范圍。

3、按功能和應用分類

（1）常規(guī)掃描電鏡：主要用于常規(guī)的樣品表面形貌觀察，能提供樣品表面的微觀結構信息，廣泛應用于材料科學、生物學、地質(zhì)學等多個領域。

（2）分析掃描電鏡：在常規(guī)掃描電鏡的基礎上配備了X射線能譜儀（EDS）、波譜儀（WDS）等分析附件，可對樣品微區(qū)的化學成分進行分析，實現(xiàn)形貌觀察與成分分析的結合。

（3）生物用掃描電鏡：備有冰凍冷熱樣品臺，可把含水生物樣品迅速冷凍并對冰凍樣品進行觀察，減少化學處理引起的人為變化，使觀察樣品更接近于自然狀態(tài)，還可進行樣品切開、冰升華、噴鍍金屬等操作，用于觀察生物樣品的內(nèi)部結構。

此外，掃描電子顯微鏡還可按真空泵類型分為油擴散泵掃描電鏡、分子泵掃描電鏡；按自動化程度分為自動掃描電鏡、手動掃描電鏡；按操作方式分為旋鈕操作掃描電鏡、鼠標操作掃描電鏡等。

其中鎢絲槍掃描電鏡是一種常用的掃描電子顯微鏡，能解決的問題：

1、材料科學領域

金屬材料分析：可用于觀察金屬材料的晶粒結構、晶界形態(tài)，研究不同熱處理狀態(tài)下金屬的微觀結構變化，如分析淬火、回火等工藝對金屬材料內(nèi)部組織的影響，為優(yōu)化金屬材料的性能提供依據(jù)。

復合材料研究：能夠分析復合材料中纖維和基體之間的結合界面狀況，觀察界面處是否存在缺陷、裂縫等，研究裂紋在復合材料中的擴展路徑，從而評估復合材料的力學性能和失效機制。

2、生命科學領域

細胞形態(tài)觀察：可以清晰觀察細胞的表面形貌，如癌細胞與正常細胞在細胞膜形態(tài)、表面微絨毛等方面的差異，輔助癌癥等疾病的診斷。

生物組織研究：對生物組織樣品進行觀察，了解組織中細胞的排列方式、細胞間的連接結構等，比如觀察神經(jīng)組織中神經(jīng)元之間的連接情況，為神經(jīng)科學研究提供形態(tài)學依據(jù)。

3、半導體工業(yè)領域

芯片質(zhì)量檢測：能檢測芯片表面的缺陷，如劃痕、孔洞、金屬線的斷裂或短路等問題，確保芯片的質(zhì)量和性能。

工藝監(jiān)控：在半導體制造工藝中，用于監(jiān)控光刻、蝕刻等工藝步驟對芯片表面結構的影響，觀察芯片表面的圖案是否符合設計要求，及時發(fā)現(xiàn)工藝中的問題并進行調(diào)整。

優(yōu)勢

1、操作維護簡便

設備結構簡單：相比場發(fā)射掃描電鏡等，其結構相對簡單，操作界面友好，易于上手操作，減少了操作人員的培訓成本和時間。

維護成本較低：維護和調(diào)試過程相對容易，維護費用也較低，鎢絲槍的更換和日常保養(yǎng)較為便捷，降低了設備的長期運營成本。

2、適應性強

真空要求較低：可以在相對較低的真空度下工作（<10Pa），適用于多種不同類型的樣品，對于一些難以在高真空環(huán)境下保持穩(wěn)定的樣品，如含有一定水分或易揮發(fā)成分的樣品，也能夠進行觀察。

樣品類型廣泛：能夠觀察導電和不導電的材料，無論是金屬、陶瓷等導電材料，還是塑料、生物樣品等不導電材料，都可以在鎢絲槍掃描電鏡下進行成像分析。

3、總發(fā)射電流穩(wěn)定

抗干擾能力強：總發(fā)射電流和光斑大，性能穩(wěn)定，抗震和抗干擾能力較強，能夠在一定程度上抵御外界環(huán)境因素的干擾，保證成像的穩(wěn)定性和可靠性，在一些環(huán)境條件相對復雜的實驗室或工業(yè)現(xiàn)場也能較好地工作。