近年來(lái)，由于各種應(yīng)用中使用的材料尺寸的不斷縮小，掃描電子顯微鏡（SEM）已成為用于材料表征的強(qiáng)大且通用的工具。在這篇文章中，我們解釋了SEM是什么，并描述了SEM儀器的主要工作原理。

什么是SEM？

SEM（Scanning Electron Microscope）代表掃描電子顯微鏡。電子顯微鏡使用電子進(jìn)行成像，就像光學(xué)顯微鏡使用可見(jiàn)光一樣。SEM使用聚焦的高能電子束在固體樣品表面產(chǎn)生各種信號(hào)。來(lái)自電子-樣品相互作用的信號(hào)揭示了樣品的信息，包括外部形態(tài)（紋理），化學(xué)成分，以及構(gòu)成樣品的材料的晶體結(jié)構(gòu)和取向。在大多數(shù)應(yīng)用中，在樣本表面的選定區(qū)域上收集數(shù)據(jù)，并生成顯示這些屬性的空間變化的二維圖像。由于電子的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于光的波長(zhǎng)，因此SEM的分辨率優(yōu)于光學(xué)顯微鏡的分辨率。

SEM技術(shù)如何工作？

SEM 的示意圖如圖2 所示。在這種的電子顯微鏡中，電子束以光柵模式逐行掃描樣品。首先，電子由腔室頂端的電子源（俗稱燈絲）產(chǎn)生。電子束發(fā)射是因?yàn)闊崮芸朔瞬牧系墓瘮?shù)。他們隨后被加速并被帶正電的陽(yáng)極所吸引。整個(gè)電子腔需要處于真空環(huán)境中。像所有的電子顯微鏡部件一樣，為了保持真空并且防止污染、震動(dòng)和噪聲，燈絲被密封在一個(gè)特殊的腔室中。真空不僅可以保持燈絲不受污染，也可以讓使用者獲得高分辨率。如果缺乏真空，其它原子和分子就會(huì)存在于腔室中。他們和電子相互作用就會(huì)導(dǎo)致電子束偏轉(zhuǎn)，成像質(zhì)量降低。此外，高真空增加了腔室中探頭的電子接收效率。

與光學(xué)顯微鏡類似，掃描電鏡 SEM 使用透鏡來(lái)控制電子的路徑。因?yàn)殡娮硬荒芡高^(guò)玻璃，這里所用的是電磁透鏡。他們簡(jiǎn)單的由線圈和金屬極片構(gòu)成。當(dāng)電流通過(guò)線圈，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。電子對(duì)磁場(chǎng)十分敏感，電子在顯微鏡腔室的路徑就可以由這些電磁透鏡控制；調(diào)節(jié)電流大小可以控制磁場(chǎng)強(qiáng)度。通常，電磁透鏡有兩種：會(huì)聚鏡，電子通往樣品時(shí)首先遇到的透鏡。會(huì)聚鏡會(huì)在電子束錐角張開(kāi)之前將電子束會(huì)聚，電子在轟擊樣品之前會(huì)再由物鏡會(huì)聚一次。會(huì)聚鏡決定了電子束的尺寸（決定著分辨率），物鏡則主要負(fù)責(zé)將電子束聚焦到樣品上。掃描電鏡的光路系統(tǒng)同樣還包含了用于將電子束在樣品表面光柵化的掃描線圈。在許多時(shí)候，孔徑光闌會(huì)結(jié)合透鏡一起控制電子束大小。

產(chǎn)生什么樣的電子？

當(dāng)一束極細(xì)的高能入射電子轟擊掃描樣品表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見(jiàn)、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng)（聲子）、電子振蕩（等離子體）【材料課堂】二次電子 vs 背散射電子。