近年來，由于各種應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行成像，就像光學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生各種信號。來自電子-樣品相互作用的信號揭示了樣品的信息，包括外部形態（紋理），化學成分，以及構成樣品的材料的晶體結構和取向。在大多數應用中，在樣本表面的選定區域上收集數據，并生成顯示這些屬性的空間變化的二維圖像。由于電子的波長遠小于光的波長，因此SEM的分辨率優于光學顯微鏡的分辨率。

圖1：SEM工作示意圖

SEM技術如何工作？

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）產生。電子束發射是因為熱能克服了材料的功函數。他們隨后被加速并被帶正電的陽極所吸引。整個電子腔需要處于真空環境中。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、震動和噪聲，燈絲被密封在一個特殊的腔室中。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存在于腔室中。他們和電子相互作用就會導致電子束偏轉，成像質量降低。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

與光學顯微鏡類似，掃描電鏡 SEM 使用透鏡來控制電子的路徑。因為電子不能透過玻璃，這里所用的是電磁透鏡。他們簡單的由線圈和金屬極片構成。當電流通過線圈，就會產生磁場。電子對磁場十分敏感，電子在顯微鏡腔室的路徑就可以由這些電磁透鏡控制；調節電流大小可以控制磁場強度。通常，電磁透鏡有兩種：會聚鏡，電子通往樣品時首先遇到的透鏡。會聚鏡會在電子束錐角張開之前將電子束會聚，電子在轟擊樣品之前會再由物鏡會聚一次。會聚鏡決定了電子束的尺寸（決定著分辨率），物鏡則主要負責將電子束聚焦到樣品上。掃描電鏡的光路系統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。在許多時候，孔徑光闌會結合透鏡一起控制電子束大小。

產生什么樣的電子？

當一束極細的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時，被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區域產生的電磁輻射。同時可產生電子-空穴對、晶格振動（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（能量為數千到數萬電子伏）。非彈性背反射電子是入射電子和核外電子撞擊后產生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發生變化。非彈性背反射電子的能量范圍很寬，從數十電子伏到數千電子伏。從數量上看，彈性背反射電子遠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電子間的結合能很小，當原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應的結合能的能量后，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的區域，能量為0-50eV。它對試樣表面狀態非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。由于它發自試樣表層，入射電子還沒有被多次反射，因此產生二次電子的面積與入射電子的照射面積沒有多大區別，所以二次電子的分辨率較高，一般可達到5-10nm。掃描電鏡的分辨率一般就是二次電子分辨率。二次電子產額隨原子序數的變化不大，它主要取決于表面形貌。

特征X射線

特征X射線是原子的內層電子受到激發以后在能級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深處發出。

俄歇電子

如果原子內層電子能級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，脫離原子變為二次電子，這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。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原子層中發出的，這說明俄歇電子信號適用與表層化學成分分析。

我們可以知道，電子與樣品的相互作用會產生不同種類的電子、光子或輻射。對于掃描電鏡 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生非彈性碰撞所產生的。

BSE 來自于樣品的較深層區域，而 SE 則產生于樣品的表面區域。因此，BSE 和 SE 代表不同的信息。BSE 圖像對原子序數差異非常敏感：材料的原子序數越大，對應在圖像中就越亮。

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觀察，樣品制備應該符合以下原則：

A. 顯露出所欲分析的位置。

B. 表面導電性良好，需能排除電荷。

C. 不得有松動的粉末或碎屑（以避免抽真空時粉末飛揚污染鏡柱體）。

D. 需耐熱，不得有熔融蒸發的現象。

E. 不能含液狀或膠狀物質，以免揮發。

F. 非導體表面需鍍金（影像觀察）或鍍碳（成份分析）。