掃描電子顯微鏡是我們金屬科研工作中應(yīng)用最廣泛的“神器”，可以說幾乎伴隨著每一位研究生度過自己最重要的科研經(jīng)歷，時常“愛也掃描”“恨也掃描”，今天就系統(tǒng)地為新老同學(xué)們和需要應(yīng)用掃描的科技工作者介紹一下掃描電鏡的原理及應(yīng)用。
電子顯微鏡利用電子成像，類似于光學(xué)顯微鏡使用可見光成像。由于電子的波長遠小于光的波長，所以電子顯微鏡的分辨率要高于光學(xué)顯微鏡的分辨率。
圖1 蔡司SIGMA 500場發(fā)射掃描電鏡
掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）,簡稱掃描電鏡，已成為功能強、用途廣的材料表征工具，已廣泛應(yīng)用于材料，冶金，礦物，生物學(xué)等領(lǐng)域，如圖1所示為蔡司場發(fā)射掃描電鏡。
SEM結(jié)構(gòu)及工作原理?
圖2 SEM工作原理示意圖
它是用細聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生二次電子、背散射電子等對樣品表面或斷口形貌進行觀察和分析。
圖3 金屬斷口觀察（來源網(wǎng)絡(luò)）
在SEM中，電子束以柵網(wǎng)模式掃描樣品。首先，電子槍在鏡筒頂部生成電子。當電子的熱能超過了源材料的功函數(shù)時，就會被釋放出來，然后它們加速向帶有正電荷的陽極高速移動。整個電子鏡筒必須處于真空狀態(tài)。
像電子顯微鏡的所有組件一樣，電子槍也被密封在特殊的真空室中以保護它不受污染、振動和噪音的影響。除了保護電子槍不受污染，真空環(huán)境有利于得到高分辨率圖像。
若非真空環(huán)境，鏡筒中可能存在其他原子和分子，它們與電子相互作用，使電子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而降低圖像質(zhì)量。高真空環(huán)境也提高了鏡筒內(nèi)檢測器對電子的收集效率。
圖4 SEM不同信號及其形成區(qū)域
樣品與電子的相互作用可以產(chǎn)生許多不同類型的電子、光子或輻射。就掃描電子顯微鏡而言，用于成像的兩種電子是指背散射電子和二次電子，如圖4所示。
二次電子像原理
二次電子是由于被入射電子“碰撞”而獲得能量，逃出樣品表面的核外電子，其主要特點是：
(1)能量小于50eV，較易被檢測器前端的電場吸引，因而陰影效應(yīng)較弱。
(2)只有樣品表面很淺（約10nm）的部分激發(fā)出的二次電子才能逃出樣品表面,因此二次電子像分辨率較高。
(3)二次電子的產(chǎn)額主要取決于樣品表面局部斜率，因此二次電子像主要是形貌像。
可看成由許多不同傾斜程度的面構(gòu)成的凸尖、臺階、凹坑等細節(jié)組成，這些細節(jié)的不同部位發(fā)射的二次電子數(shù)不同，從而產(chǎn)生襯度。
二次電子像分辨率高、無明顯陰影效應(yīng)、場深大、立體感強，是掃描電鏡的主要成像方式，特別適用于粗糙樣品表面的形貌觀察。
背散射電子像原理
背散射電子是由樣品“反射”出來的入射電子，其主要特點是：
(1)能量高，從50eV到接近入射電子的能量。
(2)穿透能力比二次電子強得多，可從樣品中較深的區(qū)域逸出(微米級)，在這樣的深度范圍，入射電子已有相當寬的側(cè)向擴展，因此在樣品中產(chǎn)生的范圍大，圖像分辨率較低；
(3)背散射電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而明顯增加，即樣品平均原子序數(shù)Z大的部位產(chǎn)生較強的背散射電子信號，在熒光屏上形成較亮的區(qū)域；而平均原子序數(shù)較低的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上形成較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度（成分襯度）。
與二次電子像相比，背散射像的分辨率要低，主要應(yīng)用于樣品表面不同成分分布情況的觀察，比如有機無機混合物、合金等。
但嚴格說，背散射電子也帶有形貌信息，尤其是，由于能量高，背散射電子可以認為是直線行進，因而有明顯的陰影效應(yīng)，對于形貌起伏較大的樣品表面，立體感甚至優(yōu)于二次電子像。
只有樣品表面較平整，甚至是拋光后的樣品才能將背散射像等同于成份像。同樣地，二次電子也帶有成分信息，只是遠沒有背散射電子明顯而已。舉例如下：
圖5 錫鉛鍍層的表面圖像
(a)二次電子圖像；(b)背散射電子圖像
SEM主要性能參數(shù)
<1> 分辨率
對微區(qū)成分分析而言，分辨率指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點間的最小距離。
SEM分辨率主要受三方面影響：入射電子束束斑直徑、入射電子束在樣品中的擴展效應(yīng)、成像方式及所用的調(diào)制信號。
二次電子像的分辨率約為5-10nm，背散射電子像的分辨率約為50-200nm。一般來說SEM分辨率指的是二次電子像的分辨率。
<2>放大倍數(shù)
放大倍數(shù)可從十倍到幾十萬倍連續(xù)可調(diào)。
放大倍數(shù)：M = L/I，其中L是顯像管尺寸，I是光柵掃描時相鄰兩點間距。M通過調(diào)節(jié)掃描線圈電流進行，電流小則電子束偏轉(zhuǎn)角度小，放大倍數(shù)增大。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進行選擇，與分辨率保持一定關(guān)系。
<3> 景深
景深指一個透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍。估算景深D = 2 r/a = 0.2/(aM) mm，a-電子束張角，M-放大倍數(shù)。SEM物鏡采用小孔視角、長焦距，可獲得很大景深。
<4> 襯度
包括表面形貌襯度和原子序數(shù)襯度。表面形貌襯度由試樣表面的不平整性引起。原子序數(shù)襯度指掃描電子束入射試祥時產(chǎn)生的背散射電子、吸收電子、X射線，對微區(qū)內(nèi)原子序數(shù)的差異相當敏感。原子序數(shù)越大，圖像越亮。二次電子受原子序數(shù)的影響較小。高分子中各組分之間的平均原子序數(shù)差別不大；所以只有—些特殊的高分子多相體系才能利用這種襯度成像。
SEM應(yīng)用：形貌觀察
材料形貌觀察
<1> 金屬玻璃（MGs）
<2> 納米純金屬Ni
SEM應(yīng)用：成分分析
能量色散X射線光譜儀（EnergyDispersive X-Ray Spectroscopy，EDX）
能譜分析是當今材料領(lǐng)域研究人員廣泛采用的技術(shù)。如圖3，利用SEM，各種信號可以提供給定樣品的不同信息。當SEM與EDX探測器結(jié)合使用時，X射線也可以用作產(chǎn)生化學(xué)信息的信號。
EDX借助于試樣發(fā)出的元素特征X射線波長和強度進行分析，根據(jù)波長測定試樣所含元素，根據(jù)強度測定元素相對含量。根據(jù)探針在待測樣品表面掃描方式不同，可分為點、線、面分析三種方式：
<1>點分析
將分析范圍精確定位到樣品中感興趣的點上，進行定性或定量分析，常用于顯微結(jié)構(gòu)的成分分析，如材料的晶界，析出相，夾雜相等。
<2>線分析
電子束沿著特定的方向進行線掃描，能獲得元素含量變化的線分布曲線。如果和樣品的形貌像相對照分析，可直觀分析元素在不同相或區(qū)域內(nèi)的分布和變化趨勢。
<3>面分析
利用電子束對樣品表面的特定區(qū)域進行掃描，元素在試樣表面的分布能在CRT上以亮度分布顯示（定性分析）。
實例：
點掃描成分分析：下圖為一種氧離子-質(zhì)子-電子導(dǎo)電納米復(fù)合材料BaCo0.7(Ce0.8Y0.2)0.3O3-δ(BCCY)的表征。圖6D為A和B點EDX掃描結(jié)果。證實了元素Ce，Co，Y，Ba，O的存在并給出了相應(yīng)含量。
圖6 BCCY復(fù)合顆粒結(jié)構(gòu),
(B) STEM圖像; (D) A和B點EDX掃描結(jié)果
線掃描成分分析：如圖7b所示，C、Cu信號在硅/銅/碳納米核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(SCP)樣品的EDX面掃結(jié)果中幾乎重疊，證實Cu2+均勻分布在聚吡咯層中，而非集中于硅顆粒和聚吡咯層的界面。由圖7c中EDX線掃結(jié)果可以獲得一樣的結(jié)論。
圖7 含有CCI保護層的硅/銅/碳納米核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(C-SCP)結(jié)構(gòu)表征：(b)SCP的EDX面掃圖；(c) SCP的EDX線掃圖；(d) C-CP的透射電鏡圖以及(e)對應(yīng)的EDX線掃圖
SEM應(yīng)用：取向分析
材料的晶體結(jié)構(gòu)及取向信息對于新型材料的研發(fā)具有重大意義。目前的主要研究手段有三種:
一是利用X光衍射或中子衍射進行宏觀統(tǒng)計分析; 二是利用透射電鏡 (Transmission ElectronMicroscopy，TEM) 中的電子衍射進行微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析; 三是利用掃描電鏡SEM中的EBSD 技術(shù)進行微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)及取向信息分析。
EBSD技術(shù)是在SEM中加裝一套EBSD采集硬件及分析系統(tǒng)，從而能夠在SEM中進行樣品的微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)及取向信息分析，并將微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)及取向信息與微觀組織形貌相對應(yīng)。
實例：利用EBSD技術(shù)分析鈦合金的形變孿晶。
圖8 沿著RD壓縮到15%的純鈦材料的EBSD測量結(jié)果：(a) IPF圖；(b) A晶粒中啟動的孿晶類型及其變體的鑒定；(c) A晶粒孿晶帶與母體晶粒的晶體關(guān)系；(d) A晶粒的散點(0001)極圖
在EBSD技術(shù)誕生前，人們一般用TEM來研究材料變形帶來的孿晶，缺點是掃查的區(qū)域有限，不適于材料中孿晶的大量統(tǒng)計。
而EBSD掃查的區(qū)域與SEM相當，可以對孿晶進行數(shù)目統(tǒng)計。通過反極圖(IPF)和極圖可以明顯看出孿晶的取向以及孿晶會使晶粒轉(zhuǎn)動變形方式。
如圖8所示，對A晶粒分析的結(jié)果表明：變形過程中先是形成拉伸孿晶，然后出現(xiàn)壓縮孿晶。變形過程中出現(xiàn)了1個孿晶變體，5個孿晶變體。通過(0001)極圖可發(fā)現(xiàn)，孿晶偏離c軸約85°，孿晶分布十分雜亂，最終晶粒c軸的取向也很分散。
掃描電鏡是我們金屬科技領(lǐng)域應(yīng)用最多的微觀組織和表面形貌觀察設(shè)備，更多掌握如何使用掃描電鏡還需要上機練習(xí)，它已經(jīng)逐漸成為金屬專業(yè)科研人員從業(yè)的好幫手。荀子說，不積跬步無以至千里，不積小流無以成江河，希望本文能給您了解和學(xué)習(xí)它帶來幫助。