扫描电子显微镜（SEM）类型和原理

扫描电子显微镜（SEM）原理

电子枪产生的电子束经聚光镜和物镜聚焦后，形成极细的电子束在样品表面进行逐点扫描。电子束与样品表面相互作用，激发出二次电子、背散射电子等信号。其中二次电子对样品表面的形貌非常敏感，这些二次电子被探测器收集，转换为电信号，再经过处理后在显像管或显示屏上形成反映样品表面形貌的三维图像。

应用场景：

主要用于观察样品的表面形貌，如材料的断口、晶体的表面生长形态、生物样品的细胞表面结构等，在材料科学、生物学、地质学、半导体工业、法医学等领域应用广泛。

扫描电子显微镜（SEM）分类

扫描电子显微镜（SEM）有多种分类方式，具体如下：

1、按电子枪种类分类

（1）钨丝枪扫描电镜：使用热钨极电子枪，阴极为能加热的钨丝。优点是结构简单、成本较低、适用性强、维护费用低；缺点是亮度有限，束斑直径较大，分辨率相对较低，一般为6nm左右。

（2）六硼化镧扫描电镜：用六硼化镧阴极替代钨丝阴极。其亮度比热钨丝阴极电子枪高一个数量级，可使分辨率提高到4-5nm，但需要相当复杂的附属设备，价格较贵，应用相对较少。

（3）场发射扫描电镜：主要靠加在阴极表面的电场发射电子，阴极为晶体钨。具有亮度高、分辨率高、寿命长、能实现快速扫描观察和记录等优点，分辨率已达到3nm甚至更高，还可在低加速电压下进行高分辨率观察，能直接观察绝缘体，但造价非常昂贵。

2、按样品室的真空度分类

（1）高真空扫描电镜：样品室需维持较高的真空度，一般在10⁻⁴- 10⁻⁶Torr之间，适用于观察不导电或导电性差的样品，可减少电子与气体分子的碰撞，提高图像质量。

（2）低真空扫描电镜：样品室真空度相对较低，可在10⁻²- 10⁻³Torr范围工作，允许样品在较低真空条件下观察，对于一些不宜在高真空环境下观察的样品，如含水、含油样品等非常适用，可减少对样品的处理过程。

（3）环境扫描电镜：可在接近常压的环境下对样品进行观察，能够直接观察湿样、活的生物样品等，大大扩展了扫描电镜的应用范围。

3、按功能和应用分类

（1）常规扫描电镜：主要用于常规的样品表面形貌观察，能提供样品表面的微观结构信息，广泛应用于材料科学、生物学、地质学等多个领域。

（2）分析扫描电镜：在常规扫描电镜的基础上配备了X射线能谱仪（EDS）、波谱仪（WDS）等分析附件，可对样品微区的化学成分进行分析，实现形貌观察与成分分析的结合。

（3）生物用扫描电镜：备有冰冻冷热样品台，可把含水生物样品迅速冷冻并对冰冻样品进行观察，减少化学处理引起的人为变化，使观察样品更接近于自然状态，还可进行样品切开、冰升华、喷镀金属等操作，用于观察生物样品的内部结构。

此外，扫描电子显微镜还可按真空泵类型分为油扩散泵扫描电镜、分子泵扫描电镜；按自动化程度分为自动扫描电镜、手动扫描电镜；按操作方式分为旋钮操作扫描电镜、鼠标操作扫描电镜等。

其中钨丝枪扫描电镜是一种常用的扫描电子显微镜，能解决的问题：

1、材料科学领域

金属材料分析：可用于观察金属材料的晶粒结构、晶界形态，研究不同热处理状态下金属的微观结构变化，如分析淬火、回火等工艺对金属材料内部组织的影响，为优化金属材料的性能提供依据。

复合材料研究：能够分析复合材料中纤维和基体之间的结合界面状况，观察界面处是否存在缺陷、裂缝等，研究裂纹在复合材料中的扩展路径，从而评估复合材料的力学性能和失效机制。

2、生命科学领域

细胞形态观察：可以清晰观察细胞的表面形貌，如癌细胞与正常细胞在细胞膜形态、表面微绒毛等方面的差异，辅助癌症等疾病的诊断。

生物组织研究：对生物组织样品进行观察，了解组织中细胞的排列方式、细胞间的连接结构等，比如观察神经组织中神经元之间的连接情况，为神经科学研究提供形态学依据。

3、半导体工业领域

芯片质量检测：能检测芯片表面的缺陷，如划痕、孔洞、金属线的断裂或短路等问题，确保芯片的质量和性能。

工艺监控：在半导体制造工艺中，用于监控光刻、蚀刻等工艺步骤对芯片表面结构的影响，观察芯片表面的图案是否符合设计要求，及时发现工艺中的问题并进行调整。

优势

1、操作维护简便

设备结构简单：相比场发射扫描电镜等，其结构相对简单，操作界面友好，易于上手操作，减少了操作人员的培训成本和时间。

维护成本较低：维护和调试过程相对容易，维护费用也较低，钨丝枪的更换和日常保养较为便捷，降低了设备的长期运营成本。

2、适应性强

真空要求较低：可以在相对较低的真空度下工作（<10Pa），适用于多种不同类型的样品，对于一些难以在高真空环境下保持稳定的样品，如含有一定水分或易挥发成分的样品，也能够进行观察。

样品类型广泛：能够观察导电和不导电的材料，无论是金属、陶瓷等导电材料，还是塑料、生物样品等不导电材料，都可以在钨丝枪扫描电镜下进行成像分析。

3、总发射电流稳定

抗干扰能力强：总发射电流和光斑大，性能稳定，抗震和抗干扰能力较强，能够在一定程度上抵御外界环境因素的干扰，保证成像的稳定性和可靠性，在一些环境条件相对复杂的实验室或工业现场也能较好地工作。

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