扫描电子显微镜的基础知识

什么是扫描电子显微镜？

扫描电子显微镜（SEM）是一种电子显微镜，它通过照射电子束照射样品，并检测样品发射的次级电子，从而观察样品表面状况。

通过使用扫描电子显微镜，甚至可以观察到光学显微镜难以观察的细微结构。 因此，它被广泛应用于材料工程和生物化学等多个领域。

扫描电子显微镜的应用

扫描电子显微镜的放大倍数可提升至数十万倍，分辨率可提升至仅几纳米。 此外，它具有深焦深，便于观察样品的不均匀性。

由于光学显微镜的放大极限约为1000倍，分辨率极限约为150纳米，扫描电子显微镜能够以远高的放大率和分辨率进行观测。

与光学显微镜获得的图像不同，扫描电子显微镜能产生三维对比度图像，且垂直于电子束方向的平面更暗更亮，因为平行观察允许直观观察。

利用这些特性，扫描电子显微镜用于观察各种材料的表面状况，如半导体和陶瓷，微生物如细菌和病毒，以及生物样本如细胞。 另一方面，当目的是观察样品内部结构时，通常使用透射电子显微镜。

扫描电子显微镜的原理

在扫描电子显微镜中，加速电子束聚焦于样品表面并进行照射，检测和分析过程中产生的次级电子（SE）和反散射电子（BSE）。通过扫描整个观测范围，可以观察样品的状态作为图像数据。

通过提高加速电压和增加辐照电子的能量，分辨率可以提升到几纳米。 增加加速电压可以提高分辨率，但如果过高，可能导致样品深处反射电子和充电（充电）问题，因此通常在几千伏~几十千伏的加速电压下使用。

次级电子是指当样品接触到电子束时，从样品表面附近喷射出来的电子。

根据样品的不均匀度，电子的状态会有所不同，从而在次级电子测量所得的图像数据中产生对比，从而观察到表面不均匀和颗粒形状。

另一方面，反向散射电子是指电子束与原子相互作用时被反弹的电子。

原子发射电子的反射率是不同的。 通过测量反散射电子，原子类型对比度增强，便于观察样品中原子的分布。

扫描电子显微镜的结构

扫描电子显微镜主要由发射电子束的电子枪、将电子束收敛到样品表面的电子透镜，以及检测次级电子和反散射电子的探测器组成。

电子枪有三种类型：热电子发射型、电场发射型和Shotkey型，每种都有不同的特性。 电子透镜通常通过线圈传递电流并利用磁场来控制电子束，磁场类型多样，如透镜外透镜和透镜内透镜。

测量过程中，扫描电子显微镜内部保持在约10^-4 Pa的高真空状态，但近年来，能够在低真空（约10^2 Pa）或大气压下测量的设备被开发出来，使其广泛应用于含高水分样品的生物领域。