掃描電子顯微鏡（SEM掃描電鏡）原理、分類、優勢

掃描電子顯微鏡（SEM）原理

電子槍產生的電子束經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，轉換為電信號，再經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、生物樣品的細胞表面結構等，在材料科學、生物學、地質學、半導體工業、法醫學等領域應用廣泛。

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。優點是結構簡單、成本較低、適用性強、維護費用低。

（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數量級，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）場發射掃描電鏡：主要靠加在陰極表面的電場發射電子，陰極為晶體鎢。具有亮度高、分辨率高、壽命長、能實現快速掃描觀察和記錄等優點，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導電性差的樣品，可減少電子與氣體分子的碰撞，提高圖像質量。

（2）低真空掃描電鏡：樣品室真空度相對較低，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，對于一些不宜在高真空環境下觀察的樣品，如含水、含油樣品等非常適用，可減少對樣品的處理過程。

（3）環境掃描電鏡：可在接近常壓的環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）常規掃描電鏡：主要用于常規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、地質學等多個領域。

（2）分析掃描電鏡：在常規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，可對樣品微區的化學成分進行分析，實現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，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，研究不同熱處理狀態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部組織的影響，為優化金屬材料的性能提供依據。

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、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，比如觀察神經組織中神經元之間的連接情況，為神經科學研究提供形態學依據。

3、半導體工業領域

芯片質量檢測：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，確保芯片的質量和性能。

工藝監控：在半導體制造工藝中，用于監控光刻、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，及時發現工藝中的問題并進行調整。

優勢

1、操作維護簡便

設備結構簡單：相比場發射掃描電鏡等，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境下保持穩定的樣品，如含有一定水分或易揮發成分的樣品，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、總發射電流穩定

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

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