Scanning Electron Microscopy扫描电子显微镜介绍（一）

本文将介绍扫描电子显微镜（SEM）。

SEM基础

扫描电子显微镜（SEM：Scanning Electron Microscope：）使用聚焦的电子束来创建样品的放大图像。电子束以规则的图案在样品表面进行扫描，从样品中射出的电子（二次电子）被用于创建图像。

本质上，扫描电子显微镜“观察”样品表面的方式，可以比作一个人独自在黑暗的房间里，使用一束精细的手电筒光束来扫描墙壁上的物体。通过系统地左右扫描手电筒并逐渐向下移动，这个人可以在其记忆中构建出物体的图像。SEM使用电子束代替手电筒，使用电子探测器代替眼睛，并使用观察屏幕和相机作为记忆。

电子是原子内带负电荷的粒子。在光学显微镜中，光子通过玻璃透镜进行聚焦。在电子显微镜中，电磁铁（electromagnets）被用于聚焦电子。电子束与样品表面的相互作用会影响我们所获得的图像。

SEM是用于创建微空间（1微米 = 10⁻⁶米）和纳米空间（1纳米 = 10⁻⁹米）这一原本不可见世界的图像的工具。SEM可以将物体从大约10倍放大到300,000倍。SEM图像上通常提供一个比例尺。比例尺用于计算图像中特征的大小。显微镜学家仍经常使用术语“微米”（micron）。Micron是微米（micrometre）的旧称（非国际单位制）。

SEM图像没有颜色（但可以人为着色），它们可能看起来相当三维（由于景深），并且它们仅显示样品的表面（由于电子束对样品的穿透极小）。

SEM上的探测器通常可以捕获两种不同类型的SEM图像：二次电子图像或背散射电子图像。二次电子图像中的灰色阴影由样品的形貌产生。背散射电子图像中的灰色阴影源于样品中组成元素的原子量，并可用于可视化这一信息。

SEM的应用与用途

扫描电子显微镜是一种用途极为广泛的技术。市面上有许多不同类型的SEM可供选择。使用合适的SEM，人们可以：

对样品的形貌进行成像（例如，观察块体材料、涂层、切片材料）。通过衬度以及利用背散射电子，对成分差异和某些键合差异进行成像。通过在生物样品中使用金属探针和荧光探针，对分子探针进行成像。进行微米级和纳米级光刻（从样品上去除材料；从样品上切下部分或逐层切去薄片[例如，使用聚焦离子束]）。在观察样品的同时对其进行加热或冷却（这需要特定类型的样品台）。在观察样品的同时使其处于潮湿或干燥状态（仅在环境扫描电镜中可行）。使用冷冻样品台观察冷冻材料。分析来自样品的X射线进行微区分析（需要EDS或WDS探测器）。研究半导体的光电行为（需要阴极发光[CL]探测器）。在平坦样品中观察/绘制晶粒取向/晶体学取向图，并研究相关异质性和微应变等信息（需要EBSD探测器）。

材料科学：SEM是用于基础研究、质量控制和失效分析的关键工具。它是一种适用于检查金属、合金、陶瓷、聚合物和生物材料的技术。SEM在当前许多热门课题中发挥着关键作用，包括纳米管和纳米纤维、高温超导体、介孔结构、合金强度等等。高科技发展的许多方面，例如：航空航天、电子、能源、催化、环境、光子学、化学，这些都离不开SEM提供的数据。

下图显示的是表面带有铜导线和颗粒物的硅晶圆。

生物科学：在生物科学中，从昆虫和动物组织等大型物体到细菌等小型物体，均可通过SEM进行研究。SEM可用于昆虫学、考古学、植物科学、细胞研究和分类学等学科领域。

第一张图片是一只蜱虫。第二张图片是花粉（Bilbergia pollen）。

地质学：SEM在土壤和地质样品的调查中十分常见。形貌分析可以提供关于风化过程的信息。成分差异可以通过背散射电子成像观察到。微区分析可以提供样品特定元素组成的详细信息。因此，SEM在采矿业中是一种非常有用的工具。

下图是一个矿物样品。明亮区域表明存在高原子序数元素。暗色区域表明存在低原子序数元素。

医学：医学研究人员可以使用SEM来比较血细胞和组织样本，以确定疾病的原因。SEM的其他一些用途包括研究药物及其对患者的影响，以及研究和开发新的治疗方法。SEM还广泛用于医疗器械和工具的研发。

法医学：在法医学中，警方实验室使用SEM来检查并比较证据，例如金属碎片、油漆、墨水、毛发和纤维，以提供证明一个人有罪或无罪的证据。通过仔细检查，侦探能够确定从犯罪现场收集的样品是否具有与侦探所构建的情景相符的特性。

下图显示的是人类毛发和尼龙纤维。

数字艺术：从SEM获取的图像本身往往非常美丽，但它们也可能被修改为数字艺术和引人注目的营销图像。

与光学显微镜相比，它能做哪些不同的事情？

扫描电子显微镜（SEM）在三个关键领域为胜任的使用者提供了相对于光学显微镜（LM）的优势：

高放大倍数下的分辨率：分辨率可以定义为两个紧密相邻的点之间能够被识别为两个独立实体的最小距离。光学显微镜所能达到的最佳分辨率约为200纳米，而典型的SEM分辨率优于几个纳米（通常为1纳米或更小）。

景深：这是在图像中看起来清晰聚焦的样品高度。SEM的景深比光学显微镜大300倍以上。这意味着可以获得极佳的形貌细节。对于许多用户而言，样品图像的三维（3D）外观是SEM最有价值的特征。这是因为即使是在低放大倍数下，此类图像也能提供比光学显微镜多得多的关于样品的信息。

微区分析：对样品成分的分析，包括化学成分信息，以及晶体学、磁学和电学特性。

下图是一只蜜蜂的头部，显示了一只眼睛和一根触角。注意，在SEM图像（右图）中，整个触角都处于聚焦清晰的状态。

SEM不能做什么？

对湿样品成像：电子束需要真空环境。不干燥的样品可能会因真空将液体从样品中抽出而受损。这也可能对显微镜造成损坏。在大多数情况下，天然湿润的样品在SEM中检查之前必须先进行干燥。通常，SEM不用于涉及液体、化学反应和空气-气体系统的实验。然而，一些专门的仪器和样品室确实允许进行这些实验。

对非导电样品成像：如果样品不导电，由于带负电的电子束与样品相互作用，图像将无法形成（样品在入射电子到达时会带负电，随后电子束会被样品排斥）。大多数本身不导电的样品需要涂覆一层薄薄的金属或碳以使其导电，然后才能在SEM中进行成像。

彩色图像：SEM图像是单色的（灰度），而非彩色，因为电子的波长远小于可见光的波长。您从SEM中看到的任何彩色图像都是使用后期处理技术着色的。二次电子SEM图像——最常见的形式，实际上是探测器收集的电子强度图。屏幕上亮度的强度与最初产生的电子数量成正比。SEM图像以单色灰度数字图像显示，其中每个像素仅携带强度信息，其灰度从最弱强度时的黑色变化到最强强度时的白色。

精确的高度测量：SEM不擅长量化小尺度表面粗糙度。原子力显微镜（扫描探针显微镜）更适用于此任务。涉及高度（Z轴）的测量无法直接在SEM中进行。这需要两个相对倾斜的图像来创建3D图像，以及专门的后期处理软件。

亚表层成像：由于电子束与样品之间相互作用体积很小，SEM无法对样品表面以下进行成像。要检查亚表层结构，必须切割样品的横截面。有多种方法可以做到这一点（包括使用聚焦离子束：FIB）。

透过流体成像：SEM无法透过水或其他流体成像。注意：使用湿式扫描透射电子显微镜（STEM）探测器的环境扫描电镜（ESEM）可用于透过薄水膜成像。通常，SEM不用于涉及液体、化学反应和空气-气体系统的实验，尽管一些专门的仪器和样品室确实允许进行这些实验。

原子成像：SEM的分辨率不足以对单个原子成像（应使用透射电子显微镜）。

微米尺度以下的元素分析：在SEM中对小于1微米的区域进行元素分析可能非常困难。这是由于电子束与样品之间的相互作用体积通常在微米量级。通过降低电子束加速电压可以减小相互作用体积。然而，信号相应的减弱可能使得难以获取有用的数据。（内容过些过时，可以进行微米尺度以下的元素分析）。

对带电分子成像：SEM无法可靠地对在基质中可移动的带电分子成像。例如，某些物质（如Na⁺）在电子束下具有挥发性，因为带负电的电子束会对带电材料施加作用力。