全面了解SEM扫描电镜

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近年来，由于各种应用中使用的材料尺寸的不断缩小，扫描电子显微镜（SEM）已成为用于材料表征的强大且通用的工具。在这篇文章中，我们解释了SEM是什么，并描述了SEM仪器的主要工作原理。

什么是SEM？

SEM（Scanning Electron Microscope）代表扫描电子显微镜。电子显微镜使用电子进行成像，就像光学显微镜使用可见光一样。SEM使用聚焦的高能电子束在固体样品表面产生各种信号。来自电子-样品相互作用的信号揭示了样品的信息，包括外部形态（纹理），化学成分，以及构成样品的材料的晶体结构和取向。在大多数应用中，在样本表面的选定区域上收集数据，并生成显示这些属性的空间变化的二维图像。由于电子的波长远小于光的波长，因此SEM的分辨率优于光学显微镜的分辨率。

图1：SEM工作示意图

SEM技术如何工作？

SEM 的示意图如图2 所示。在这种的电子显微镜中，电子束以光栅模式逐行扫描样品。首先，电子由腔室顶端的电子源（俗称灯丝）产生。电子束发射是因为热能克服了材料的功函数。他们随后被加速并被带正电的阳极所吸引。整个电子腔需要处于真空环境中。像所有的电子显微镜部件一样，为了保持真空并且防止污染、震动和噪声，灯丝被密封在一个特殊的腔室中。真空不仅可以保持灯丝不受污染，也可以让使用者获得高分辨率。如果缺乏真空，其它原子和分子就会存在于腔室中。他们和电子相互作用就会导致电子束偏转，成像质量降低。此外，高真空增加了腔室中探头的电子接收效率。

图2：基本SEM组件的示意图

与光学显微镜类似，扫描电镜 SEM 使用透镜来控制电子的路径。因为电子不能透过玻璃，这里所用的是电磁透镜。他们简单的由线圈和金属极片构成。当电流通过线圈，就会产生磁场。电子对磁场十分敏感，电子在显微镜腔室的路径就可以由这些电磁透镜控制;调节电流大小可以控制磁场强度。通常，电磁透镜有两种：会聚镜，电子通往样品时首先遇到的透镜。会聚镜会在电子束锥角张开之前将电子束会聚，电子在轰击样品之前会再由物镜会聚一次。会聚镜决定了电子束的尺寸（决定着分辨率），物镜则主要负责将电子束聚焦到样品上。扫描电镜的光路系统同样还包含了用于将电子束在样品表面光栅化的扫描线圈。在许多时候，孔径光阑会结合透镜一起控制电子束大小。

产生什么样的电子？

当一束极细的高能入射电子轰击扫描样品表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时可产生电子-空穴对、晶格振动（声子)、电子振荡（等离子体）【材料课堂】二次电子 vs 背散射电子。

图3：电子与材料的相互作用

背散射电子

背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背反射电子和非弹性背反射电子。弹性背反射电子是指被样品中原子核反弹回来的（散射角大于90度）那些入射电子，其能量基本上没有变化（能量为数千到数万电子伏）。非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。非弹性背反射电子的能量范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。从数量上看，弹性背反射电子远比非弹性背反射电子所占的份额多。

二次电子

二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决于表面形貌。

特征X射线

特征X射线是原子的内层电子受到激发以后在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。X射线一般在试样的500nm-5mm深处发出。

俄歇电子

如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都由自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，能量在50-1500eV范围内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原子层中发出的，这说明俄歇电子信号适用与表层化学成分分析。

我们可以知道，电子与样品的相互作用会产生不同种类的电子、光子或辐射。对于扫描电镜 SEM 来说，用于成像的两类电子分别是背散射电子 (BSE) 和二次电子 (SE)。背散射电子来自于入射电子束，这些电子与样品发生弹性碰撞，其中一部分反弹回来，这就是背散射电子。另一方面，二次电子则来自于样品原子：它们是入射电子与样品发生非弹性碰撞所产生的。

BSE 来自于样品的较深层区域，而 SE 则产生于样品的表面区域。因此，BSE 和 SE 代表不同的信息。BSE 图像对原子序数差异非常敏感：材料的原子序数越大，对应在图像中就越亮。