一文全面了解SEM扫描电镜

近年来，由于各种应用中使用的材料尺寸的不断缩小，扫描电子显微镜（SEM）已成为用于材料表征的强大且通用的工具。在这篇文章中，我们解释了SEM是什么，并描述了SEM仪器的主要工作原理。

什么是SEM？

SEM（Scanning Electron Microscope）代表扫描电子显微镜。电子显微镜使用电子进行成像，就像光学显微镜使用可见光一样。SEM使用聚焦的高能电子束在固体样品表面产生各种信号。来自电子-样品相互作用的信号揭示了样品的信息，包括外部形态（纹理），化学成分，以及构成样品的材料的晶体结构和取向。在大多数应用中，在样本表面的选定区域上收集数据，并生成显示这些属性的空间变化的二维图像。由于电子的波长远小于光的波长，因此SEM的分辨率优于光学显微镜的分辨率。

SEM技术如何工作？

SEM 的示意图如图2 所示。在这种的电子显微镜中，电子束以光栅模式逐行扫描样品。首先，电子由腔室顶端的电子源（俗称灯丝）产生。电子束发射是因为热能克服了材料的功函数。他们随后被加速并被带正电的阳极所吸引。整个电子腔需要处于真空环境中。像所有的电子显微镜部件一样，为了保持真空并且防止污染、震动和噪声，灯丝被密封在一个特殊的腔室中。真空不仅可以保持灯丝不受污染，也可以让使用者获得高分辨率。如果缺乏真空，其它原子和分子就会存在于腔室中。他们和电子相互作用就会导致电子束偏转，成像质量降低。此外，高真空增加了腔室中探头的电子接收效率。

与光学显微镜类似，扫描电镜 SEM 使用透镜来控制电子的路径。因为电子不能透过玻璃，这里所用的是电磁透镜。他们简单的由线圈和金属极片构成。当电流通过线圈，就会产生磁场。电子对磁场十分敏感，电子在显微镜腔室的路径就可以由这些电磁透镜控制；调节电流大小可以控制磁场强度。通常，电磁透镜有两种：会聚镜，电子通往样品时首先遇到的透镜。会聚镜会在电子束锥角张开之前将电子束会聚，电子在轰击样品之前会再由物镜会聚一次。会聚镜决定了电子束的尺寸（决定着分辨率），物镜则主要负责将电子束聚焦到样品上。扫描电镜的光路系统同样还包含了用于将电子束在样品表面光栅化的扫描线圈。在许多时候，孔径光阑会结合透镜一起控制电子束大小。

产生什么样的电子？

当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）【材料课堂】二次电子 vs 背散射电子。