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掃描電子顯微鏡的工作原理及成像機制

來源:賽默飛電子顯微鏡   2025年06月27日 17:27  

1. 工作原理??

掃描電子顯微鏡(SEM)利用高能電子束與樣品表面相互作用,通過收集產生的各種信號來形成高分辨率的表面形貌和成分信息。其核心工作流程如下:

  1. ??電子束產生??:

    • 由電子槍(熱發射或場發射)發射高能電子(通常 ??0.1–30 keV??)。
    • 電子束經電磁透鏡系統聚焦成極細的探針(可小至 ??1 nm??)。
  2. ??掃描與樣品相互作用??:

    • 電子束在掃描線圈控制下逐點掃描樣品表面。
    • 入射電子與樣品原子相互作用,產生多種信號:
      • ??二次電子(SE)??:低能電子(<50 eV),主要反映樣品表面形貌。
      • ??背散射電子(BSE)??:高能電子,攜帶成分(原子序數)信息。
      • ??X射線(EDS)??:用于元素成分分析。
  3. ??信號檢測與成像??:

    • 探測器(如 ??Everhart-Thornley 探測器??)收集二次電子或背散射電子。
    • 信號經放大后轉換為電信號,同步顯示為掃描區域的灰度圖像。

??2. 成像機制??

SEM 的成像機制主要依賴 ??二次電子(SE)?? 和 ??背散射電子(BSE)?? 兩種信號:

??(1)二次電子成像(表面形貌)??
  • ??信號來源??:電子束激發樣品表層(~10 nm 深度)的二次電子。
  • ??成像特點??:
    • 高分辨率(可達 ??0.4 nm??,場發射SEM)。
    • 對表面凹凸敏感,形成立體感強的形貌圖像。
    • 適用于觀察納米結構、生物樣品、材料表面缺陷等。
??(2)背散射電子成像(成分對比)??
  • ??信號來源??:電子束與樣品深層(~1 μm)原子核碰撞后反射的高能電子。
  • ??成像特點??:
    • 亮度與原子序數(Z)相關(??Z 越高,信號越強??)。
    • 用于區分不同元素區域(如金屬顆粒分布在聚合物中)。
??(3)其他成像模式??
  • ??EDS 能譜分析??:通過檢測特征 X 射線,實現元素定性和定量分析。
  • ??陰極熒光(CL)??:用于半導體、礦物等材料的發光特性研究。

??3. 技術優勢與局限??

 
??優勢?? ??局限性??
高分辨率(亞納米級) 樣品需導電或鍍膜(非導電樣品需處理)
大景深(比光學顯微鏡高100倍) 無法觀察內部結構(僅表面成像)
可結合EDS/WDS進行成分分析 高真空環境限制活體生物觀測
三維成像能力(通過傾斜或FIB-SEM) 設備成本高,維護復雜

??4. 典型應用??

  • ??材料科學??:納米材料、斷口分析、涂層結構。
  • ??生物學??:細胞、細菌、病毒的超微結構觀察。
  • ??半導體工業??:芯片缺陷檢測、電路形貌分析。
  • ??地質學??:礦物成分與形貌表征。

??5. 總結??

SEM 通過 ??高能電子束掃描?? 和 ??多信號檢測??,實現了表面形貌與成分的高分辨率分析,是材料、生物、工業等領域的表征工具。其成像機制的核心在于 ??二次電子(形貌)?? 和 ??背散射電子(成分)?? 的協同利用,結合 EDS 可進一步擴展至元素分析。

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