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(xì)的電子束在樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)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(hào)。其中二次電子對(duì)樣品表面的形貌非常敏感，這些二次電子被探測(cè)器收集，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(yīng)用場(chǎng)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(zhǎng)形態(tài)、生物樣品的細(xì)胞表面結(jié)構(gòu)等，在材料科學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)、法醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、適用性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低。

（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(gè)數(shù)量級(jí)，可使分辨率提高到4-5nm，但需要相當(dāng)復(fù)雜的附屬設(shè)備，價(jià)格較貴，應(yīng)用相對(duì)較少。

（3）場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡：主要靠加在陰極表面的電場(chǎng)發(fā)射電子，陰極為晶體鎢。具有亮度高、分辨率高、壽命長(zhǎng)、能實(shí)現(xiàn)快速掃描觀察和記錄等優(yōu)點(diǎn)，分辨率已達(dá)到3nm甚至更高，還可在低加速電壓下進(jìn)行高分辨率觀察，能直接觀察絕緣體，但造價(jià)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(dǎo)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(duì)較低，可在10?² - 10?³ Torr范圍工作，允許樣品在較低真空條件下觀察，對(duì)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(duì)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(duì)樣品進(jìn)行觀察，能夠直接觀察濕樣、活的生物樣品等，大大擴(kuò)展了掃描電鏡的應(yīng)用范圍。

3、按功能和應(yīng)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(jié)構(gòu)信息，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。

（2）分析掃描電鏡：在常規(guī)掃描電鏡的基礎(chǔ)上配備了X射線能譜儀（EDS）、波譜儀（WDS）等分析附件，可對(duì)樣品微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)形貌觀察與成分分析的結(jié)合。

（3）生物用掃描電鏡：備有冰凍冷熱樣品臺(tái)，可把含水生物樣品迅速冷凍并對(duì)冰凍樣品進(jìn)行觀察，減少化學(xué)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(jìn)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(jié)構(gòu)。

此外，掃描電子顯微鏡還可按真空泵類型分為油擴(kuò)散泵掃描電鏡、分子泵掃描電鏡；按自動(dòng)化程度分為自動(dòng)掃描電鏡、手動(dòng)掃描電鏡；按操作方式分為旋鈕操作掃描電鏡、鼠標(biāo)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(xué)領(lǐng)域

金屬材料分析：可用于觀察金屬材料的晶粒結(jié)構(gòu)、晶界形態(tài)，研究不同熱處理狀態(tài)下金屬的微觀結(jié)構(gòu)變化，如分析淬火、回火等工藝對(duì)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(fù)合材料研究：能夠分析復(fù)合材料中纖維和基體之間的結(jié)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(fù)合材料中的擴(kuò)展路徑，從而評(píng)估復(fù)合材料的力學(xué)性能和失效機(jī)制。

2、生命科學(xué)領(lǐng)域

細(xì)胞形態(tài)觀察：可以清晰觀察細(xì)胞的表面形貌，如癌細(xì)胞與正常細(xì)胞在細(xì)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(duì)生物組織樣品進(jìn)行觀察，了解組織中細(xì)胞的排列方式、細(xì)胞間的連接結(jié)構(gòu)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(xué)研究提供形態(tài)學(xué)依據(jù)。

3、半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域

芯片質(zhì)量檢測(cè)：能檢測(cè)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(dǎo)體制造工藝中，用于監(jiān)控光刻、蝕刻等工藝步驟對(duì)芯片表面結(jié)構(gòu)的影響，觀察芯片表面的圖案是否符合設(shè)計(jì)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝中的問題并進(jìn)行調(diào)整。

優(yōu)勢(shì)

1、操作維護(hù)簡(jiǎn)便

設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：相比場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡等，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，操作界面友好，易于上手操作，減少了操作人員的培訓(xùn)成本和時(shí)間。

維護(hù)成本較低：維護(hù)和調(diào)試過程相對(duì)容易，維護(hù)費(fèi)用也較低，鎢絲槍的更換和日常保養(yǎng)較為便捷，降低了設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本。

2、適應(yīng)性強(qiáng)

真空要求較低：可以在相對(duì)較低的真空度下工作（<10Pa），適用于多種不同類型的樣品，對(duì)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(jìn)行觀察。

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

3、總發(fā)射電流穩(wěn)定

抗干擾能力強(qiáng)：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(qiáng)，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(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也能較好地工作。

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