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(shí)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(yuǎn)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(qiáng)、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(xì)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(jìn)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(dāng)電子的熱能超過了源材料的功函數(shù)時(shí)，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(gè)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(hù)它不受污染、振動和噪音的影響。除了保護(hù)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(diǎn)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(xì)節(jié)組成，這些細(xì)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(qiáng)，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(diǎn)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(qiáng)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(dāng)寬的側(cè)向擴(kuò)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(qiáng)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(jī)無機(jī)混合物、合金等。
但嚴(yán)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(rèn)為是直線行進(jìn)，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(yuǎn)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(diǎn)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(kuò)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(shí)相鄰兩點(diǎn)間距。M通過調(diào)節(jié)掃描線圈電流進(jìn)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(jìn)行選擇，與分辨率保持一定關(guān)系。
<3> 景深
景深指一個(gè)透鏡對高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)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(shí)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(dāng)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(dāng)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(dāng)SEM與EDX探測器結(jié)合使用時(shí)，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(qiáng)度進(jìn)行分析，根據(jù)波長測定試樣所含元素，根據(jù)強(qiáng)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(diǎn)、線、面分析三種方式：
<1>點(diǎn)分析
將分析范圍精確定位到樣品中感興趣的點(diǎn)上，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)例：
點(diǎn)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(diǎn)EDX掃描結(jié)果。證實(shí)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(diǎn)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(shí)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(hù)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(jìn)行宏觀統(tǒng)計(jì)分析; 二是利用透射電鏡 (Transmission ElectronMicroscopy，TEM) 中的電子衍射進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)(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(diǎn)是掃查的區(qū)域有限，不適于材料中孿晶的大量統(tǒng)計(jì)。
而EBSD掃查的區(qū)域與SEM相當(dāng)，可以對孿晶進(jìn)行數(shù)目統(tǒng)計(jì)。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(gè)孿晶變體，5個(gè)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(jī)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。