掃描電子顯微鏡(SEM) 是一種介于透射電子顯微鏡和光學顯微鏡之間的一種觀察手段，掃描電鏡可以直接觀察觀察納米材料，進行材料斷口的分析，直接觀察原始表面等。其利用聚焦的很窄的高能電子束 來掃描樣品, 通過光束與物質間的相互作用, 來激發各種物理信息, 對這些信息收集、放大、再成像以達到對物質微觀形貌表征的目的。新式的掃描電子顯微鏡的分辨率可以達到1nm;放大倍數可以達到30萬倍及以上連續可調;并且景深大, 視野大, 成像立體效果好。此外, 掃描電子顯微鏡和其他分析儀器相結合, 可以做到觀察微觀形貌的同時進行物質微區成分分析。掃描電子顯微鏡在巖土、石墨、陶瓷及納米材料等的研究上有廣泛應用。因此掃描電子顯微鏡在科學研究領域具有重大作用等。
掃描電子顯微鏡電子槍發射出的電子束經過聚焦后匯聚成點光源;點光源在加速電壓下形成高能電子束;高能電子束經由兩個電磁透鏡被聚焦成直徑微小的光點, 在透過最后一級帶有掃描線圈的電磁透鏡后, 電子束以光柵狀掃描的方式逐點轟擊到樣品表面, 同時激發出不同深度的電子信號。此時, 電子信號會被樣品上方不同信號接收器的探頭接收, 通過放大器同步傳送到電腦顯示屏, 形成實時成像記錄 (圖a) 。由入射電子轟擊樣品表面激發出來的電子信號有:俄歇電子 (Au E) 、二次電子 (SE) 、背散射電子 (BSE) 、X射線 (特征X射線、連續X射線) 、陰極熒光 (CL) 、吸收電子 (AE) 和透射電子(圖b) 。每種電子信號的用途因作用深度而異。
掃描電子顯微鏡是一種多功能的儀器,具有很多優越的性能,是用途最為廣泛的一種儀器,它可以進行如下基本分析:
(1)三維形貌的觀察和分析;
(2)在觀察形貌的同時,進行微區的成分分析。
①觀察納米材料。所謂納米材料就是指組成材料的顆粒或微晶尺寸在0. 1～100 nm范圍內,在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。納米材料具有許多與晶態、非晶態不同的、獨特的物理化學性質。納米材料有著廣闊的發展前景,將成為未來材料研究的重點方向。掃描電子顯微鏡的一個重要特點就是具有很高的分辨率,現已廣泛用于觀察納米材料。
②進行材料斷口的分析。掃描電子顯微鏡的另一個重要特點是景深大,圖象富有立體感。掃描電子顯微鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍,比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大,故所得掃描電子象富有立體感,具有三維形態,能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息,這個特點對使用者很有價值。掃描電子顯微鏡所顯示的斷口形貌從深層次、高景深的角度呈現材料斷裂的本質,在教學、科研和生產中,有不可替代的作用,在材料斷裂原因的分析、事故原因的分析以及工藝合理性的判定等方面是一個強有力的手段。[8]
③直接觀察大試樣的原始表面。它能夠直接觀察直徑100 mm, 高50 mm, 或更大尺寸的試樣, 對試樣的形狀沒有任何限制, 粗糙的表面也能觀察, 這便免除了制備樣品的麻煩,而且能真實觀察試樣本身物質成分不同的襯度(背反射電子象)。
④觀察厚試樣。其在觀察厚試樣時,能得到高的分辨率和最真實的形貌。掃描電子顯微的分辨率介于光學顯微鏡和透射電子顯微鏡之間。但在對厚塊試樣的觀察進行比較時, 因為在透射電子顯微鏡中還要采用復膜方法, 而復膜的分辨率通常只能達到10 nm, 且觀察的不是試樣本身,因此,用掃描電子顯微鏡觀察厚塊試樣更有利, 更能得到真實的試樣表面資料。
⑤觀察試樣的各個區域的細節。試樣在樣品室中可動的范圍非常大。其他方式顯微鏡的工作距離通常只有2～3cm,故實際上只許可試樣在兩度空間內運動。但在掃描電子顯微鏡中則不同,由于工作距離大(可大于20 mm) ,焦深大(比透射電子顯微鏡大10倍) ,樣品室的空間也大,因此,可以讓試樣在三度空間內有6個自由度運動(即三度空間平移,三度空間旋轉) ,且可動范圍大,這對觀察不規則形狀試樣的各個區域細節帶來極大的方便。
⑥在大視場、低放大倍數下觀察樣品。用掃描電子顯微鏡觀察試樣的視場大。在掃描電子顯微鏡中,能同時觀察試樣的視場范圍F由下式來確定:F=L/M
式中
F——視場范圍;
M——觀察時的放大倍數;
L——顯象管的熒光屏尺寸。
若掃描電鏡采用30 cm ( 12英寸)的顯象管,放大倍數15倍時,其視場范圍可達20 mm。大視場、低倍數觀察樣品的形貌對有些領域是很必要的,如刑事偵察和考古。
⑦進行從高倍到低倍的連續觀察。放大倍數的可變范圍很寬,且不用經常對焦。掃描電子顯微鏡的放大倍數范圍很寬(從5到20萬倍連續可調) ,且一次聚焦好后即可從高倍到低倍,從低倍到高倍連續觀察,不用重新聚焦,這對進行事故分析特別方便。
⑧觀察生物試樣。因電子照射而發生試樣的損傷和污染程度很小。同其他方式的電子顯微鏡比較,因為觀察時所用的電子探針電流小(一般約為10- 10～10- 12A)電子探針的束斑尺寸小(通常是5 nm到幾十納米) ,電子探針的能量也比較小(加速電壓可以小到2 kV ) ,而且不是固定一點照射試樣,而是以光柵狀掃描方式照射試樣,因此,由于電子照射而發生試樣的損傷和污染程度很小,這一點對觀察一些生物試樣特別重要。
⑨進行動態觀察。在掃描電子顯微鏡中,成象的信息主要是電子信息。根據近代的電子工業技術水平,即使高速變化的電子信息,也能毫不困難的及時接收、處理和儲存,故可進行一些動態過程的觀察。如果在樣品室內裝有加熱、冷卻、彎曲、拉伸和離子刻蝕等附件,則可以通過電視裝置,觀察相變、斷裂等動態的變化過程。10從試樣表面形貌獲得多方面資料。在掃描電子顯微鏡中,不僅可以利用入射電子和試樣相互作用產生各種信息來成象,而且可以通過信號處理方法,獲得多種圖象的特殊顯示方法,還可以從試樣的表面形貌獲得多方面資料。因為掃描電子象不是同時記錄的,它是分解為近百萬個逐次依此記錄構成的,因而使得掃描電子顯微鏡除了觀察表面形貌外,還能進行成分和元素的分析,以及通過電子通道花樣進行結晶學分析,選區尺寸可以從10μm到2μm。
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