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1. 掃描電鏡（SEM）是什么？

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）于1965年左右發(fā)明，其利用二次電子、背散射電子及特征X射線等信號(hào)來(lái)觀察、分析樣品表面的形態(tài)、特征，是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察方法。

掃描電鏡可配備X射線能譜儀（EDS）、X射線波譜儀（WDS）和電子背散射衍射（EBSD）等附件，使分析顯微組織、織構(gòu)、取向差和微區(qū)成分同時(shí)進(jìn)行。還可在樣品室內(nèi)配備加熱、拉伸測(cè)試等裝置，從而對(duì)樣品進(jìn)行原位、動(dòng)態(tài)分析。

SEM如今在材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、考古學(xué)、地礦學(xué)以及微電子工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

2. 掃描電鏡（SEM）基本原理

      掃描電鏡是利用電子槍發(fā)射電子束，高能入射電子轟擊樣品表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、背散射電子、吸收電子、 俄歇電子、陰極熒光和特征 X射線等信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的接受、放大和顯示成像，可觀察到樣品表面的特征，從而分析樣品表面的形貌、結(jié)構(gòu)、成分等。掃描電鏡主要利用二次電子、背散射電子和特征X射線等信號(hào)對(duì)樣品表面的特征進(jìn)行分析。

二次電子：

二次電子指被入射電子激發(fā)出來(lái)的試樣原子中的外層電子。二次電子能量很低，只有靠近試樣表面幾納米深度內(nèi)的電子才能逸出表面。因此，它對(duì)試樣表面的狀態(tài)非常敏感，主要用于掃描電鏡中試樣表面形貌的觀察。

背散射電子：

背散射電子是入射電子在試樣中經(jīng)散射（彈性和非彈性散射）后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量。背散射電子的產(chǎn)額隨著試樣原子序數(shù)的增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，能顯示原子序數(shù)襯度，可用于對(duì)試樣成分作定性的分析。

二次電子像和背散射電子像的區(qū)別：

二次電子成像是用被入射電子轟擊出的樣品外層電子成像，能量低，只能表征樣品表面，分辨率較高。

背散射電子是入射電子被樣品散射然后成像，能量很高，接近入射電子?？梢苑磻?yīng)樣品內(nèi)部比較深的信息，分辨率相對(duì)較低。

3. 掃描電鏡（SEM）設(shè)備

掃描電鏡主要由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集及處理系統(tǒng)，信號(hào)顯示及記錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成。

電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、試樣室等部件組成。電子槍發(fā)射的高能電子束經(jīng)兩級(jí)電磁透鏡聚焦后匯聚成一個(gè)幾納米大小的束斑，電子束在掃描線圈的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)并在試樣表面和屏幕上做同步掃描，激發(fā)出試樣表面的多種信號(hào)。

電子束與樣品室中的樣品表面相互作用激發(fā)的二次電子，背散射電子首先打到二次電子探測(cè)器和背散射電子探測(cè)器中的閃爍體上產(chǎn)生光，再經(jīng)光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)一步經(jīng)前置放大器成為有足夠功率的輸出信號(hào)，最終在陰極射線管（CRT）上成放大像。

X射線信號(hào)由樣品室中SEM配備的能譜儀（或波譜儀）附件收集，經(jīng)鋰漂移硅探測(cè)器、前置放大器和主放大器以及脈沖處理器在顯示器中展示X射線能譜圖（或波譜圖），用于元素的定性和定量分析。

4. 掃描電鏡（SEM）應(yīng)用場(chǎng)景

1.觀察納米材料：SEM具有很高的分辨率，可觀察組成材料的顆粒或微晶尺寸（0.1-100 nm）。

2.分析材料斷口：SEM景深大，圖像富立體感，具有三維形態(tài)，能夠從斷口形貌呈現(xiàn)材料斷裂的本質(zhì)及斷裂機(jī)理，適合在材料斷裂原因、事故原因、工藝合理性等方面進(jìn)行分析。

3.觀察大試樣：它能夠直接觀察直徑100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對(duì)試樣的形狀沒(méi)有任何限制，粗糙表面也能觀察，這便免除了制備樣品的麻煩，而且能真實(shí)觀察試樣本身物質(zhì)成分不同的襯度（背散射電子像）。

4.觀察厚試樣：其在觀察厚試樣時(shí)，能得到高的分辨率和最真實(shí)的形貌。

5.觀察試樣的各個(gè)區(qū)域的細(xì)節(jié)：試樣在樣品室中可動(dòng)的范圍非常大，可以在三度空間內(nèi)以6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)（即三度空間平移、三度空間旋轉(zhuǎn)），可方便觀察不規(guī)則試樣的各個(gè)區(qū)域。

6.在大視場(chǎng)、低放大倍數(shù)下觀察樣品，用掃描電鏡觀察試樣的視場(chǎng)大：大視場(chǎng)、低倍數(shù)觀察樣品的形貌對(duì)有些領(lǐng)域是很必要的，如刑事偵察和考古。

7.進(jìn)行從高倍到低倍的連續(xù)觀察：掃描電鏡的放大倍數(shù)范圍很寬（從5到20萬(wàn)倍連續(xù)可調(diào)），且一次聚焦好后即可從高倍到低倍、從低倍到高倍連續(xù)觀察，不用重新聚焦，這對(duì)進(jìn)行分析特別方便。

8.觀察生物試樣：由于電子照射面發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小，這一點(diǎn)對(duì)觀察一些生物試樣特別重要。

9.進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察：如果在樣品室內(nèi)裝有加熱、冷卻、彎曲、拉伸和離子刻蝕等附件，則可以觀察相變、斷裂等動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程，即原位分析。

10.從試樣表面形貌獲取多方面材料信息：SEM結(jié)合能譜可以測(cè)定金屬及合金中各種元素的偏析，對(duì)金屬間化合物相、碳化物相、氮化物相及鈮化物相等進(jìn)行觀察和成分鑒定；對(duì)鋼鐵組織中晶界處夾雜物或第二相觀察以及成分鑒定；對(duì)零部件的失效分析（如畸變失效，斷裂失效，磨損失效和腐蝕失效）以及失效件表面的析出物和腐蝕產(chǎn)物的鑒別。對(duì)于拋光后的金屬樣品，掃描電鏡結(jié)合EBSD可進(jìn)一步對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、織構(gòu)、取向差等進(jìn)行解析。

5. 掃描電鏡（SEM）分析實(shí)例

7. 掃描電鏡的優(yōu)缺點(diǎn)