一、掃描電鏡原理

自從1965年第一台商品掃描電鏡問世以來，經過40多年的不斷改進，掃描電鏡的分辨率從第一台的25nm提高到現在的0.01nm，而且大多數掃描電鏡都能與X射線波譜儀、X射線能譜儀等組合，成為一種對表面微觀世界能夠經行全面分析的多功能電子顯微儀器。

在材料領域中，掃描電鏡技術發揮着極其重要的作用，被廣泛應用于各種材料的形态結構、界面狀況、損傷機制及材料性能預測等方面的研究。利用掃描電鏡可以直接研究晶體缺陷及其産生過程，可以觀察金屬材料内部原子的集結方式和它們的真實邊界，也可以觀察在不同條件下邊界移動的方式，還可以檢查晶體在表面機械加工中引起的損傷和輻射損傷等。

二、掃描電鏡的結構及主要性能

掃描電鏡可粗略分為鏡體和電源電路系統兩部分。鏡體部分由電子光學系統、信号收集和顯示系統以及真空抽氣系統組成。

圖1 掃描電鏡結構示意圖

1 電子光學系統

由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來獲得掃描電子束，作為信号的激發源。為了獲得較高的信号強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。

2 信号收集及顯示系統

檢測樣品在入射電子作用下産生的物理信号，然後經視頻放大作為顯像系統的調制信号。現在普遍使用的是電子檢測器，它由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成。

3 真空系統

真空系統的作用是為保證電子光學系統正常工作，防止樣品污染，一般情況下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。

4 電源系統

電源系統由穩壓，穩流及相應的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。

5 各類顯微鏡主要性能的比較

表1 各類顯微鏡性能的比較

三、掃描電鏡工作原理

圖2 掃描電鏡原理圖

掃描電鏡由電子槍發射出來的電子束，在加速電壓的作用下，經過磁透鏡系統彙聚，形成直徑為5nm，經過二至三個電磁透鏡所組成的電子光學系統，電子束會聚成一個細的電子束聚焦在樣品表面。在末級透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質的交互作用，結果産生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發光和透射電子等。這些信号被相應的接收器接收，經放大後送到顯像管的栅極上，調制顯像管的亮度。由于經過掃描線圈上的電流是與顯像管相應的亮度一一對應，也就是說，電子束打到樣品上一點時，在顯像管熒光屏上就出現一個亮點。掃描電鏡就是這樣采用逐點成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉換為視頻信号，完成一幀圖像，從而使我們在熒光屏上觀察到樣品表面的各種特征圖像。

1 掃描電鏡襯度像

㈠ 二次電子像

在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品表面的核外電子叫做二次電子。這是一種真空中的自由電子。二次電子一般都是在表層5~10 nm深度範圍内發射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的産額和原子序數之間沒有明顯的依賴關系，所以不能用它來進行成分分析。

3.1.2 背散射電子像

背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來的一部分入射電子，背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度範圍。由于它的産能随樣品原子序數增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來顯示原子序數襯度，定性地用作成分分析。 背散射電子信号強度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數襯度往往被形貌襯度所掩蓋。

㈡ 掃描電鏡的附件

掃描電鏡一般都配有波譜儀或者能譜儀。波譜儀和能譜儀是不能互相取代的，隻能是互相補充。 波譜儀是利用布拉格方程2dsinθ=λ，從試樣激發出了X射線經适當的晶體分光，波長不同的特征X射線将有不同的衍射角2θ。波譜儀是微區成分分析的有力工具。波譜儀的波長分辨率是很高的，但是由于X射線的利用率很低，所以它使用範圍有限。 能譜儀是利用X光量子的能量不同來進行元素分析的方法，對于某一種元素的X光量子從主量子數為n1的層躍遷到主量子數為n2的層上時，有特定的能量ΔE=En1-En2。能譜儀的分辨率高，分析速度快，但分辨本領差，經常有譜線重疊現象，而且對于低含量的元素分析準确度很差。

能譜儀與波譜儀相比的優缺點：

（1） 、能譜儀探測X射線的效率高。

（2）、 能譜儀的結構比波譜儀簡單，沒有機械傳動部分，因此穩定性和重複性都很好。

（3） 、能譜儀不必聚焦，因此對樣品表面沒有特殊要求。 但是能譜儀的分辨率比波譜儀低；能譜儀的探頭必須保持在低溫狀态，因此必須時時用液氮冷卻。

四、掃描電鏡在材料學中的應用

1 試樣制備技術

和透射電鏡相比，掃描電鏡試樣制備比較簡單。在保持材料原始形狀情況下，可以直接觀察和研究試樣表面形貌及其它物理效應（特征），這是掃描電鏡的一個突出優點。掃描電鏡的有關制樣技術是以透射電鏡、光學顯微鏡及電子探針X射線顯微分析制樣技術為基礎發展起來的，有些方面還兼具透射電鏡制樣技術，所用設備也基本相同。但因掃描電鏡有其本身的特點和觀察條件，隻簡單地引用已有的制樣方法是不夠的。

掃描電鏡的特點是：

① 、觀察試樣為不同大小的固體（塊狀、薄膜、顆粒），并可在真空中直接進行觀察。

② 、試樣應具有良好的導電性能，不導電的試樣，其表面一般需要蒸塗一層金屬導電膜。

③ 、試樣表面一般起伏（凹凸）較大。

④ 、觀察方式不同，制樣方法有明顯區别。

⑤ 、試樣制備與加速電壓、電子束流、掃描速度（方式）等觀察條件的選擇有密切關系。

上述項目中對試樣導電性要求是最重要的條件。在進行掃描電鏡觀察時，如試樣表面不導電或導電性不好，将産生電荷積累和放電，使得入射電子束偏離正常路徑，最終造成圖像不清晰乃至無法觀察和照相。

掃描電鏡塊狀樣品的制備：

1、導電性材料

導電材料主要指金屬，一些礦物和半導體材料也有一定的導電性這種材料的樣品制備是最簡單的隻要樣品尺寸不超過SEM的要求（例如，樣品的最大直徑為pH25mm，最大厚度為20mm等），然後用雙面膠帶粘貼在托盤上，然後用導電銀漿将樣品與托盤連接（以确保良好的導電性），并等待銀漿。晾幹（一般用台燈近距離照射10分鐘，如果銀膏沒有完全晾幹，抽真空時會不斷揮發蒸金，之後可以在掃描電鏡中直接觀察到但在樣品制備過程中，也應注意：

①為了減少掃描電鏡的污染，保持良好的真空度，樣品尺寸應盡可能小

②在切割樣品時，避免樣品在加熱過程中産生的塑性變形或觀察表面上氧化層的形成。防止機械損壞或水、油、灰塵和其他污染物進入

③當觀察表面，特别是各斷口間隙有污染物時，可用無水乙醇、丙酮或超聲波清洗這些污染物都是隐藏圖像細節，造成樣品收費和圖像質量惡化的原因

④故障部件或電接觸斷裂處的油污、氧化層和腐蝕産物不易清除。觀察這些物質往往有助于分析故障的原因如果确認這些異物是故障後引入的，一般可以用塑料膠膠帶或醋酸纖維素薄膜粘貼幾次，然後用有機溶劑清洗去除

③SEM樣品表面的氧化層一般難以去除。必要時，可采用化學法或陰極電解法使試樣表面基本恢複原狀

為了同時觀察多個樣品，通常是同一類型的樣品，并在掃描電子鏡中快速找到所需的樣品，通常在1号樣品的膠帶上剪一個角，然後按逆時針順序放置樣品（觀察時也按逆時針順序放置）

2、非導電性材料

用于掃描電鏡的非導電塊體材料樣品的制備也相對簡單，基本上可以與導電塊體材料樣品的制備相同，但需要注意的是，在塗覆導電銀漿時，必須從托盤連接到塊體材料樣品的上表面因為在觀察過程中電子束直接照射在樣品的上表面

掃描電鏡塊狀樣品的制備：

首先在掃描電鏡的載盤上粘上貼雙面膠帶，然後在載盤中心附近的膠帶上取少量粉末樣品，然後用橡皮球向載盤徑向向外輕輕吹（注意不要用嘴吹，以免唾液粘在樣品上或用工具拉粉，以免損傷試樣表面形貌），使粉均勻地分布在膠帶上，也可将粘結不牢的粉吹走（以免污染鏡體）

然後在膠帶邊緣塗上導電銀膏，将樣品與托盤連接起來銀漿幹燥後，可以進行最終的金蒸發處理（注：導電和非導電粉末樣品都必須進行金蒸發處理，因為即使樣品是導電的，在粉末狀态下，顆粒之間緊密接觸的概率也很小除非使用更昂貴的碳導電雙面膠）

掃描電鏡溶液樣品的制備：

掃描電鏡溶液樣品一般采用薄銅帶作為載體首先在掃描電鏡載物盤上粘上貼雙面膠，然後貼上幹淨的薄銅帶，然後小心地将溶液滴在銅帶上，待其幹燥（一般用燈近距離照射10分鐘），然後觀察樣品量是否足夠如果不夠，再滴一次，再塗導電銀膏，幹燥後蒸金。

掃描電鏡生物樣品的制備：

掃描電鏡在觀察生物樣品時，具有以下特點：多角度觀察樣品的表面結構；不需要将樣品切成薄片；景深大、圖像立體感強；放大倍數從幾十倍到幾十萬倍連續可調；在觀察形貌的同時可以對微區的成分進行定量和定性分析。而能否獲得真實、清晰、理想的掃描電鏡觀察結果，樣品的制備過程是關鍵。

生物樣品含水直接觀察，會對掃描電鏡造成以下影響：

1. 樣品蒸發的水蒸氣遭遇高能電子束，會被電離而放電，引起束流大幅度波動，使圖像模糊，或者根本不能成像;2. 大多數含水樣品在高真空中容易發生形态損傷，表面皺縮、變形;3. 樣品揮發會造成鏡頭、光闌等的污染;4. 燈絲會被上升水蒸氣氧化而變質。

生物樣品的含水量高，二次電子産率低，導電性差，對熱，電子束敏感，僅有少數樣品如毛發、牙齒以及含水量極低的昆蟲等可以直接噴鍍觀察，絕大多數的生物樣品均要求經過幹燥處理才能鍍金觀察。

幹燥是掃描電鏡生物樣品制備中的關鍵環節，如果處理不好，會直接影響到觀察的清晰度與準确度。要想制備出好的掃描電鏡生物樣品，需要在幹燥過程中盡可能減少由于水分蒸發而引起的樣品表面形貌的形變，且必須确保幹燥徹底。大多數動植物容易發生明顯的塌陷和變形。因此，需要針對不同的生物樣品來選擇合适的幹燥方法。

掃描電鏡溶液樣品的制備：

掃描電鏡生物樣品制備常用幹燥方法

1. 自然幹燥法

自然幹燥法是指樣品中的水分在大氣中自然蒸發，或樣品經脫水處理後脫水劑自然揮發而幹燥的方法。

對幹種子、果殼、某些幹花粉、昆蟲标本等來說，自然幹燥法是一個簡易實用有效的方法，雖然在自然幹燥過程中，樣品體積有所收縮，但卻保留了樣品的基本形态。适用于外表堅硬的樣品，如外表有殼的昆蟲，木材等。

自然風幹——電鏡直接觀察螨蟲

2. 烘幹幹燥法

烘幹幹燥法是将要研究的樣品用烘幹箱烘幹，一般溫度控制在 80℃ 以下，烘幹程度以含水量在 5% 以下為好。此方法的幹燥速度較快，但水分蒸發時可能造成樣品變形或斷裂。适用于不易變形且耐熱的樣品，比如澱粉粒、孢子粉等。

烘幹的花粉噴金後直接可以用二次電子觀察

3. 臨界點幹燥法

臨界點幹燥法是利用物質在臨界狀态下，液體和氣體的密度相等，氣液界面完全消失，液體的表面張力系數為零。臨界點幹燥法之所以一直被視為制作生物醫學掃描樣品最可靠的幹燥方法，是因為此法能消除液體表面張力的作用，幹燥出的樣品能最大程度地保存其自然形态。

4. 冷凍幹燥法

冷凍幹燥法是将含水樣品放入低溫環境中冷凍，或使用溶劑将樣品中的水逐級替換後冷凍，然後抽真空升華。它是利用低溫和真空，使樣品中的水分或溶劑直接升華，以達到幹燥樣品的目的。冷凍幹燥過程不經過液相階段，因而避免了氣相和液相之間表面張力對樣品的損傷。

5. 真空幹燥法

真空幹燥法指的是将經脫水（多用梯度脫水）的樣品置于真空容器中進行幹燥的方法。真空幹燥法選用高熔點的有機溶劑（叔丁醇、乙腈、六甲基二矽胺烷、正丁醇等）作升華介質，既保留了冷凍幹燥法的優點，又不用對樣品進行冷凍處理，無冷凍損傷，且操作簡單。适用于所有生物樣品，特别是細菌、細胞等微小樣品。

經過梯度脫水真空幹燥的杆菌可以輕松獲得高倍圖像

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