扫描电子显微镜（较现代的细胞生物学研究工具）
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更新时间：2023-05-23
基本信息
| 中文名 | 扫描电子显微镜 |
| 外文名 | scanning electron microscope（SEM） |
| 属性 | 细胞生物学、材料等研究工具 |
| 简写 | sem |
| 发明时间 |
简介
类型
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。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。
发展历史
*1873Abbe和Helmholfz分别提出解像力与照射光的波长成反比。奠定了显微镜的理论基础。
1897J.J.Thmson发现电子
*1926Busch发现电子可像光线经过玻璃透镜偏折一般，由电磁场的改变而偏折。
1931德国物理学家Knoll及Ruska首先发展出穿透式电子显微镜原型机。
1932年，Knoll提出了SEM可成像放大的概念，并在1935年制成了极其原始的模型。
1937首部商业原型机制造成功（MetropolitanVickers牌）。
*1938第一部扫描电子显微镜由VonArdenne发展成功。
1938～39穿透式电子显微镜正式上市（西门子公司，50KV~100KV，解像力20~30Å；）。
1938年，德国的阿登纳制成了第一台采用缩小透镜用于透射样品的SEM。由于不能获得高分辨率的样品表面电子像，SEM一直得不到发展，只能在电子探针X射线微分析仪中作为一种辅助的成像装置。此后，在许多科学家的努力下，解决了SEM从理论到仪器结构等方面的一系列问题。
最早期作为商品出现的是1965年英国剑桥仪器公司生产的第一台SEM，它用二次电子成像，分辨率达25nm，使SEM进入了实用阶段。
1940～41RCA公司推出美国第一部穿透式电子显微镜（解像力50nm）。
*1941～63解像力提升至2~3Å（穿透式）及100Å（扫描式）
1960EverhartandThornley发明二次电子侦测器。
1965第一部商用SEM出现（Cambridge)
1958年中国科学院组织研制
1968年在美国芝加哥大学，Knoll成功研制了场发射电子枪，并将它应用于SEM，可获得较高分辨率的透射电子像。1970年他发表了用扫描透射电镜拍摄的铀和钍中的铀原子和钍原子像，这使SEM又进展到一个新的领域。
1980年中科科仪引进美国技术，开发KYKY1000扫描电镜
工作原理
扫描电子显微镜
扫描电镜从原理上讲就是利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察。
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）。
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倍样品中原子和反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，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。背反射电子的产生范围在100nm-1mm深度。
背反射电子产额和二次电子产额与原子序束的关系背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。背反射电子的产额随原子序数的增加而增加（右图），所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分析新貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，定性进行成分分析。
二次电子
二次电子是指背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，它主要取决与表面形貌。
特征X射线
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。
产生的次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。
为了使标本表面发射出次级电子，标本在固定、脱水后，要喷涂上一层重金属微粒，重金属在电子束的轰击下发出次级电子信号。
原则上讲，利用电子和物质的相互作用，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构、电子结构和内部电场或磁场等等。
扫描电子显微镜正是根据上述不同信息产生的机理，采用不同的信息检测器，使选择检测得以实现。如对二次电子、背散射电子的采集，可得到有关物质微观形貌的信息；对x射线的采集，可得到物质化学成分的信息。正因如此，根据不同需求，可制造出功能配置不同的扫描电子显微镜。
光学显微镜（OM）、TEM、SEM成像原理比较
缩小形成能谱仪获得。具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面2材料形貌分析观察作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作，产生二次电子发射（以及其它物理信号）。
基本结构
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。
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。
二次电子成象是使用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛,分辨本领最高的一种图象。我们以二次电子成象为例来说明扫描电镜成象的原理。
由电子枪发射的电子束最高可达30keV,经会聚透镜、物镜缩小和聚焦,在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束。在扫描线圈的磁场作用下,入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用,将从样品中激发出二次电子。由于二次电子收集极的作用,可将各个方向发射的二级电子汇集起来,再将加速极加速射到闪烁体上,转变成光信号,经过光导管到达光电倍增管,使光信号再转变成电信号。这个电信号又经视频放大器放大并将其输送至显像管的栅极,调制显像管的亮度。因而,再荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。
在扫描电镜中,入射电子束在样品上的扫描和显像管中电子束在荧光屏上的扫描是用一个共同的扫描发生器控制的。这样就保证了入射电子束的扫描和显像管中电子束的扫描完全同步,保证了样品上的“物点”与荧光屏上的“象点”在时间和空间上一一对应,称其为“同步扫描”。一般扫描图象是由近100万个与物点一一对应的图象单元构成的,正因为如此,才使得扫描电镜除能显示一般的形貌外,还能将样品局部范围内的化学元素、光、电、磁等性质的差异以二维图象形式显示。
扫描电子显微镜电子枪发射出的电子束经过聚焦后汇聚成点光源;点光源在加速电压下形成高能电子束;高能电子束经由两个电磁透镜被聚焦成直径微小的光点,在透过最后一级带有扫描线圈的电磁透镜后,电子束以光栅状扫描的方式逐点轰击到样品表面,同时激发出不同深度的电子信号。此时,电子信号会被样品上方不同信号接收器的探头接收,通过放大器同步传送到电脑显示屏,形成实时成像记录(图a)。由入射电子轰击样品表面激发出来的电子信号有:俄歇电子(AuE)、二次电子(SE)、背散射电子(BSE)、X射线(特征X射线、连续X射线)、阴极荧光(CL)、吸收电子(AE)和透射电子(图b)。每种电子信号的用途因作用深度而异。
特点
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。
原理结构
光源。在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10mm的电子束，并在试样表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最后一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。这种扫描方式叫做光栅扫描。
扫描电子显微镜由电子光学系统，信号收集及显示系统，真空系统及电源系统组成。
（以下提到扫描电子显微镜之处，均用SEM代替）
电子光学系统
电子光学系统由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是用来获得扫描电子束，作为产生物理信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。
<1>电子枪
其作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。其优点是灯丝价格较便宜，对真空度要求不高，缺点是钨丝热电子发射效率低，发射源直径较大，即使经过二级或三级聚光镜，在样品表面上的电子束斑直径也在5-7nm，因此仪器分辨率受到限制。现在，高等级扫描电镜采用六硼化镧（LaB6）或场发射电子枪，使二次电子像的分辨率达到2nm。但这种电子枪要求很高的真空度。
<2>电磁透镜
其作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为50mm的束斑缩小成一个只有数nm的细小束斑。其工作原理与透射电镜中的电磁透镜相同。扫描电镜一般有三个聚光镜，前两个透镜是强透镜，用来缩小电子束光斑尺寸。第三个聚光镜是弱透镜，具有较长的焦距，在该透镜下方放置样品可避免磁场对二次电子轨迹的干扰。
<3>扫描线圈
其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。扫描线圈试扫描点晶的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。
<4>样品室
信号检测放大系统
其作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。不同的物理信号需要不同类型的检测系统，大致可分为三类：电子检测器，应急荧光检测器和X射线检测器。在扫描电子显微镜中最普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成。
当信号电子进入闪烁体时将引起电离；当离子与自由电子复合时产生可见光。光子沿着没有吸收的光导管传送到光电倍增器进行放大并转变成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。这种检测系统的特点是在很宽的信号范围内具有正比与原始信号的输出，具有很宽的频带
（10Hz-1MHz）和高的增益(105-106),而且噪音很小。由于镜筒中的电子束和显像管中的电子束是同步扫描，荧光屏上的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，而由检测器接收的信号强度随样品表面状况不同而变化，那么由信号监测系统输出的反营养品表面状态的调制信号在图像显示和记录系统中就转换成一幅与样品表面特征一致的放大的扫描像。
主要性能参数
放大率
与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。
所以，SEM中，透镜与放大率无关。
场深
在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。
作用体积
电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。
作用体积的厚度因信号的不同而不同：
欧革电子：0.5～2纳米。
次级电子：5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体，λ=10纳米。
背散射电子：10倍于次级电子。
特征X射线：微米级。
X射线连续谱：略大于特征X射线，也在微米级。
工作距离
工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。
如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。
如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。
通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。
成象
次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。
表面分析
欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。
表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。
应用范围
⑴生物：种子、花粉、细菌……
⑵医学：血球、病毒……
⑶动物：大肠、绒毛、细胞、纤维……
⑷材料
1显微结构的分析
在陶瓷的制备过程中，原始材料及其制品的显微形貌、孔隙大小、晶界和团聚程度等将决定其最后的性能。扫描电子显微镜可以清楚地反映和记录这些微观特征，是观察分析样品微观结构方便、易行的有效方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察；同时扫描电子显微镜可以实现试样从低倍到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析。扫描电子显微镜拍出的图像真实、清晰，并富有立体感，在新型陶瓷材料的三维显微组织形态的观察研究方面获得了广泛地应用。
由于扫描电子显微镜可用多种物理信号对样品进行综合分析，并具有可以直接观察较大试样、放大倍数范围宽和景深大等特点，当陶瓷材料处于不同的外部条件和化学环境时，扫描电子显微镜在其微观结构分析研究方面同样显示出极大的优势。主要表现为：⑴力学加载下的微观动态（裂纹扩展）研究；⑵加热条件下的晶体合成、气化、聚合反应等研究；⑶晶体生长机理、生长台阶、缺陷与位错的研究；⑷成分的非均匀性、壳芯结构、包裹结构的研究；⑸晶粒相成分在化学环境下差异性的研究等。
2纳米尺寸的研究
纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分，可以用物理、化学及生物学的方法制备出只有几个纳米的“颗粒”。纳米材料的应用非常广泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，纳米陶瓷在一定的程度上也可增加韧性、改善脆性等，新型陶瓷纳米材料如纳米称、纳米天平等亦是重要的应用领域。纳米材料的一切独特性主要源于它的纳米尺寸，因此必须首先确切地知道其尺寸，否则对纳米材料的研究及应用便失去了基础。纵观当今国内外的研究状况和最新成果，该领域的检测手段和表征方法可以使用透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等技术，但高分辨率的扫描电子显微镜在纳米级别材料的形貌观察和尺寸检测方面因具有简便、可操作性强的优势被大量采用。另外如果将扫描电子显微镜与扫描隧道显微镜结合起来，还可使普通的扫描电子显微镜升级改造为超高分辨率的扫描电子显微镜。图2所示是纳米钛酸钡陶瓷的扫描电镜照片，晶粒尺寸平均为20nm。
3铁电畴的观测
压电陶瓷由于具有较大的力电功能转换率及良好的性能可调控性等特点在多层陶瓷驱动器、微位移器、换能器以及机敏材料与器件等领域获得了广泛的应用。随着现代技术的发展，铁电和压电陶瓷材料与器件正向小型化、集成化、多功能化、智能化、高性能和复合结构发展，并在新型陶瓷材料的开发和研究中发挥重要作用。铁电畴（简称电畴）是其物理基础，电畴的结构及畴变规律直接决定了铁电体物理性质和应用方向。电子显微术是观测电畴的主要方法，其优点在于分辨率高，可直接观察电畴和畴壁的显微结构及相变的动态原位观察（电畴壁的迁移）。
扫描电子显微镜观测电畴是通过对样品表面预先进行化学腐蚀来实现的，由于不同极性的畴被腐蚀的程度不一样，利用腐蚀剂可在铁电体表面形成凹凸不平的区域从而可在显微镜中进行观察。因此，可以将样品表面预先进行化学腐蚀后，利用扫描电子显微镜图像中的黑白衬度来判断不同取向的电畴结构。对不同的铁电晶体选择合适的腐蚀剂种类、浓度、腐蚀时间和温度都能显示良好的畴图样。图3是扫描电子显微镜观察到的PLZT材料的90°电畴。扫描电子显微镜与其他设备的组合以实现多种分析功能。
在实际分析工作中，往往在获得形貌放大像后，希望能在同一台仪器上进行原位化学成分或晶体结构分析，提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料，以便能够更全面、客观地进行判断分析。为了适应不同分析目的的要求，在扫描电子显微镜上相继安装了许多附件，实现了一机多用，成为一种快速、直观、综合性分析仪器。把扫描电子显微镜应用范围扩大到各种显微或微区分析方面，充分显示了扫描电镜的多种性能及广泛的应用前景。
目前扫描电子显微镜的最主要组合分析功能有:X射线显微分析系统（即能谱仪,EDS），主要用于元素的定性和定量分析，并可分析样品微区的化学成分等信息；电子背散射系统（即结晶学分析系统），主要用于晶体和矿物的研究。随着现代技术的发展，其他一些扫描电子显微镜组合分析功能也相继出现，例如显微热台和冷台系统，主要用于观察和分析材料在加热和冷冻过程中微观结构上的变化；拉伸台系统，主要用于观察和分析材料在受力过程中所发生的微观结构变化。扫描电子显微镜与其他设备组合而具有的新型分析功能为新材料、新工艺的探索和研究起到重要作用。
参考资料
[1]
扫描电子显微镜在岩矿分析中的应用 - 中国知网 · 中国知网[引用日期2021-11-09]
