扫描电镜

扫描电子显微镜（SEM）是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。新式的扫描电子显微镜的分辨率可以达到1nm；放大倍数可以达到30万倍及以上连续可调；并且景深大，视野大，成像立体效果好。此外，扫描电子显微镜和其他分析仪器相结合，可以做到观察微观形貌的同时进行物质微区成分分析。扫描电子显微镜在岩土、石墨、陶瓷及纳米材料等的研究上有广泛应用。因此扫描电子显微镜在科学研究领域具有重大作用。
 
扫描电子显微镜类型多样，不同类型的扫描电子显微镜存在性能上的差异。根据电子枪种类可分为三种：场发射电子枪、钨丝枪和六硼化镧 ^[5]。其中，场发射扫描电子显微镜根据光源性能可分为冷场发射扫描电子显微镜和热场发射扫描电子显微镜。冷场发射扫描电子显微镜对真空条件要求高，束流不稳定，发射体使用寿命短，需要定时对针尖进行清洗，仅局限于单一的图像观察，应用范围有限；而热场发射扫描电子显微镜不仅连续工作时间长，还能与多种附件搭配实现综合分析。在地质领域中，我们不仅需要对样品进行初步形貌观察，还需要结合分析仪对样品的其它性质进行分析，所以热场发射扫描电子显微镜的应用更为广泛。
 

基本原理

扫描电子显微镜是一种大型分析仪器，它广泛应用于观察各种固态物质的表面超微结构的形态和组成。 
所谓扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程。它与电视一样是由控制电子束偏转的电子系统来完成的，只是在结构和部件上稍有差异而已。 
在电子扫描中，把电子束从左到右方向的扫描运动叫做行扫描或称作水平扫描，把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。两者的扫描速度完全不同，行扫描的速度比帧扫描的速度快，对于1000条线的扫描图象来说，速度比为1000。 
电子显微镜的工作是进入微观世界的工作。我们平常所说的微乎其微或微不足道的东西，在微观世界中，这个微也就不称其微，我们提出用纳米作为显微技术中的常用度量单位，即1nm=10-6mm。 
光镜、透射电镜和扫描电镜主要原理示意图
扫描电镜成像过程与电视成像过程有很多相似之处，而与透射电镜的成像原理完全不同。透射电镜是利用成像电磁透镜一次成像，而扫描电镜的成像则不需要成象透镜，其图象是按一定时间、空间顺序逐点形成并在镜体外显像管上显示。

扫描电镜虽然是显微镜家族中的后起之秀，但由于其本身具有许多独特的优点，发展速度是很快的。 
1 仪器分辨率较高，通过二次电子像能够观察试样表面6nm左右的细节，采用LaB6电子枪，可以进一步提高到3nm。 
2 仪器放大倍数变化范围大，且能连续可调。因此可以根据需要选择大小不同的视场进行观察，同时在高放大倍数下也可获得一般透射电镜较难达到的高亮度的清晰图像。 
3 观察样品的景深大，视场大，图像富有立体感，可直接观察起伏较大的粗糙表面和试样凹凸不平的金属断口象等，使人具有亲临微观世界现场之感。 
4 样品制备简单，只要将块状或粉末状的样品稍加处理或不处理，就可直接放到扫描电镜中进行观察，因而更接近于物质的自然状态。 
5可以通过电子学方法有效地控制和改善图像质量，如亮度及反差自动保持，试样倾斜角度校正，图象旋转，或通过Y调制改善图象反差的宽容度，以及图象各部分亮暗适中。采用双放大倍数装置或图象选择器，可在荧光屏上同时观察放大倍数不同的图象。 
6 可进行综合分析。装上波长色散X射线谱仪（WDX）或能量色散X射线谱仪（EDX），使具有电子探针的功能，也能检测样品发出的反射电子、X射线、阴极荧光、透射电子、俄歇电子等。把扫描电镜扩大应用到各种显微的和微区的分析方式，显示出了扫描电镜的多功能。另外，还可以在观察形貌图象的同时，对样品任选微区进行分析；装上半导体试样座附件，通过电动势象放大器可以直接观察晶体管或集成电路中的PN结和微观缺陷。由于不少扫描电镜电子探针实现了电子计算机自动和半自动控制，因而大大提高了定量分析的速度。