金属科研“神器”扫描电子显微镜的原理及应

扫描电子显微镜是我国金属科学研究工作中应用最广泛的“神器”。可以说，几乎每一个研究生都把自己最重要的科研经历花光了，对于扫描又爱又恨。今天，我们将向需要应用扫描的新老学生和科技工作者系统介绍扫描电镜的原理和应用。

电子显微镜使用电子成像，类似于光学显微镜使用可见光成像。因为电子的波长比光的波长短，所以电子显微镜的分辨率比光学显微镜高。

扫描电子显微镜(SEM)，简称扫描电子显微镜，已成为一种功能强大、用途广泛的材料表征工具，并已广泛应用于材料、冶金、矿物、生物等领域。

扫描电镜的结构和工作原理

扫描电镜的主要部件有：光电系统、信号采集与处理系统、图像显示与记录系统、真空系统、电源与控制系统等。

它用精细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品的相互作用，观察和分析样品的表面或断口形貌，产生二次电子和背散射电子。

在扫描电镜中，电子束以网格模式扫描样品。首先，电子枪在镜筒顶部产生电子。当电子的热能超过源材料的功函数时，就会释放出来，然后高速加速到带正电荷的阳极。整个电子镜筒必须处于真空状态。

像电子显微镜的所有部件一样，电子枪被密封在一个特殊的真空室中，以保护它免受污染、振动和噪音。除了保护电子枪不受污染，真空环境还有利于获得高分辨率图像。

没有真空环境，镜筒内可能会有其他原子和分子与电子相互作用，使电子束偏转，从而降低图像质量。高真空环境也提高了镜筒中探测器的电子收集效率。

样品和电子之间的相互作用可以产生许多不同类型的电子、光子或辐射。就扫描电子显微镜而言，用于成像的两种电子是背散射电子和二次电子。

二次电子是核外电子，由于入射电子“碰撞”获得的能量，它们从样品表面逃逸。其主要特点是：

(1)能量小于50eV，容易被探测器前的电场吸引，因此遮蔽效应较弱。

(2)只有样品表面浅部(约10nm)激发的二次电子才能从样品表面逃逸，因此二次电子图像的分辨率较高。

(3)二次电子的产生主要取决于样品表面的局部斜率，因此二次电子图像主要是形态图像。

可以看作是由很多细节组成，比如凸起、台阶、凹坑等。由不同倾斜度的表面组成。这些细节不同部位发射的二次电子数量不同，造成对比。二次电子图像分辨率高，无明显阴影效应，景深大，立体感强，是扫描电子显微镜的主要成像方式，特别适合观察粗糙的样品表面。

反向散射电子是被样品“反射”的入射电子，其特征在于：

(1)能量高，从50eV到能量接近入射电子。

(2)穿透能力远强于二次电子，可以从样品中更深的区域(微米级)逃逸。在这样的深度范围内，入射电子横向扩展相当广泛，因此样品中产生的范围大，图像分辨率低；

(3)背散射电子的产生量随着原子序数的增加而明显增加，即样品平均原子序数Z较大的部分产生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；另一方面，平均原子序数较低的部分产生较少的反向散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，从而形成原子序数对比(成分对比)。

与二次电子图像相比，背散射图像的分辨率较低，主要用于观察样品表面不同组分的分布，如有机-无机混合物、合金等。

然而，严格来说，背散射电子也有形态信息。尤其是背散射电子由于能量较高，可以认为是直线行进，因此具有明显的遮蔽效应。对于形貌起伏较大的样品表面，立体感甚至优于二次电子像。

只有当样品表面平坦时，即使经过抛光，后向散射图像也可以等同于成分图像。同样，二次电子也有成分信息，但远不如后向散射电子明显。

分解率

对于微区成分分析，分辨率是指可以分析的最小面积；对于成像来说，它指的是可以区分的两点之间的最小距离。

SEM分辨率主要受三个方面的影响：入射电子束的束斑直径、入射电子束在样品中的膨胀效应、成像方式和所用的调制信号。

二次电子图像的分辨率约为5-10纳米，背散射电子图像的分辨率约为50-200纳米。一般来说，SEM分辨率是指二次电子图像的分辨率。

放大倍数

放大倍数可以从十倍到几十万倍连续调节。

倍率：M=L/I，其中L为显像管的尺寸，I为光栅扫描时相邻两点之间的距离。m是通过调节扫描线圈的电流来实现的。当电流较小时，电子束的偏转角较小，放大倍数增大。放大倍数越大越好。应根据有效放大倍数和分析样品的需要进行选择，并与分辨率保持一定的关系。

景深

景深是指镜头能够同时聚焦和成像不均匀样品所有部分的能力范围。估计景深D=2 r/a=0.2/(aM) mm，a-电子束张角，M-放大率。SEM物镜采用小孔视角、长焦距，可获得大景深。对比

包括表面形貌对比和原子序数对比。表面地形对比是由样品表面的不平整引起的。原子序数对比是指扫描电子束入射时产生的背散射电子、吸收电子和X射线，对微观区域的原子序数差异相当敏感。原子序数越大，图像越亮。二次电子受原子序数的影响较小。聚合物中各组分的平均原子序数差别不大。因此，只有一些特殊的聚合物多相系统可以使用这种对比成像。

扫描电镜应用：成分分析

能量色散x射线光谱学(EDX)

能谱分析被当今材料领域的研究者广泛使用。如图3所示，使用扫描电镜，各种信号可以提供给定样品的不同信息。当扫描电镜与EDX探测器结合使用时，x光也可以作为信号产生化学信息。

EDX借助样品发射的特征X射线的波长和强度进行分析，根据波长确定样品中含有的元素，根据强度确定元素的相对含量。根据探针在待测样品表面的不同扫描方式，可分为点、线、面三种分析方式：

点分析

将分析范围精确定位到样品中的感兴趣点进行定性或定量分析通常用于微观结构的成分分析，如材料的晶界、析出相和夹杂相。

线条分析

通过沿特定方向扫描电子束，可以获得元素含量变化的线性分布曲线。如果将样品的形貌与样品的形貌进行比较，可以直接分析元素在不同相或不同区域的分布和变化趋势。

表面分析

用电子束扫描样品表面的特定区域，可以通过阴极射线管上的亮度分布(定性分析)显示样品表面元素的分布。

点扫描成分分析：显示了氧离子-质子-电子导电纳米复合材料BaCo0.7(Ce0.8Y0.2)0.3O3-(BCCY)的表征。d为A点和b点的EDX扫描结果，证实了元素ce、Co、Y、Ba、O的存在，并给出了相应的内容。

(二)STEM图像；(d)A点和b点的EDX扫描结果

线性扫描成分分析：硅/铜/碳纳米核壳复合材料(SCP)样品的EDX扫描结果中，C和Cu信号几乎重合，证明了Cu2在聚吡咯层中是均匀分布的，而不是集中在硅颗粒与聚吡咯层的界面处。从c中的EDX扫描结果可以得到相同的结论。

具有CCI保护层的硅/铜/碳纳米核壳复合材料的结构表征：(b)核壳复合材料的EDX扫描；SCP的EDX扫描图；(d)C-CP的透射电镜图和(e)相应的EDX扫描图。

扫描电镜应用：取向分析

电子背散射衍射(EBSD)

材料的晶体结构和取向信息对新材料的研究和开发具有重要意义。目前，的研究方法主要有三种。

首先用X射线衍射或中子衍射进行宏观统计分析；其次，利用透射电镜中的电子衍射分析了微区晶体结构。再次，利用扫描电镜中的EBSD技术分析了微区晶体结构和取向信息。

EBSD技术是在SEM上增加一套EBSD采集硬件和分析系统，使样品的微区晶体结构和取向信息可以在SEM中进行分析，微区晶体结构和取向信息可以对应微观结构形貌。

实例：用EBSD技术分析钛合金的变形孪晶。

画沿RD压缩至15%的纯钛材料的EBSD测量结果：(a) IPF图；(b)确定在颗粒A中开始的双胞胎类型及其变体；(c)A晶粒的孪晶带与母晶粒之间的晶体关系；颗粒的散射点(0001)极图

在EBSD技术诞生之前，人们一般用透射电镜来研究材料变形引起的孪晶。缺点是扫描面积有限，不适合大量统计材料中的孪晶。

EBSD扫描的面积相当于扫描电镜的面积，可以统计出双胞胎的数量。通过反极图(IPF)和极图，我们可以清楚地看到孪晶的取向以及孪晶使晶粒旋转变形的方式。

晶粒A的分析结果表明，在变形过程中，先形成拉伸孪晶，然后出现压缩孪晶。变形过程中出现了一个孪生变体和五个孪生变体。从(0001)极图可以发现，孪晶偏离C轴约85，孪晶非常杂乱，最终晶粒的C轴取向也非常分散。

扫描电子显微镜是金属科学与技术领域中观察微观结构和表面形貌最广泛使用的设备。多在电脑上练习掌握如何使用SEM是很有必要的，也逐渐成为金属专业研究人员的好帮手。荀子说：“不积则不达千里，不积则不成河。希望这篇文章能帮助你理解和学习。”