電子掃描顯微鏡譚明洋掃描電鏡(ScanningElectronMicroscope，簡寫為SEM)一種新型的電子光學儀器，是一個復雜的系統，濃縮了電子光學技術、真空技術、精細機械結構以及現代計算機控制技術，是一種利用電子束掃描樣品表面從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。由于制樣簡單、放大倍數可調范圍寬、圖像的分辨率高、景深大以及SEM與能譜（EDS）組合，可以進行成分分析等特點，掃描電鏡已廣泛地應用在生物學、醫學、冶金學等學科的領域中，促進了各有關學科的發展。KYKY-1000B掃描電鏡外貌圖引言一、掃描電鏡的發展1923年，法國科學家LouisdeBroglie發現，微觀粒子本身除具有粒子特性以外還具有波動性。他指出不僅光具有波粒二象性，一切電磁波和微觀運動物質(電子、質子等)也都具有波粒二象性。電磁波在空間的傳播是一個電場與磁場交替轉換向前傳遞的過程。電子在高速運動時，其波長遠比光波要短得多。1926年，德國物理學家H·Busch提出了關于電子在磁場中的運動理論。他指出：具有軸對稱性的磁場對電子束來說起著透鏡的作用。從理論上設想了可利用磁場作為電子透鏡，達到使電子束會聚或發散的目的。1932年，德國柏林工科大學高壓實驗室的M.Knoll和E.Ruska研制成功了第1臺實驗室電子顯微鏡，這是后來透射式電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscope，TEM）的雛形。其加速電壓為70kV，放大率僅12倍。盡管這樣的放大率還微不足道，但它有力地證明了使用電子束和電磁透鏡可形成與光學影像相似的電子影像。這為以后電子顯微鏡的制造研究和提高奠定了基礎。1935年，Kn-oll在設計透射電鏡的同時，就提出了掃描電鏡的原理及設計思想。，1942年在實驗室制成第一臺掃描電鏡，但囚受各種技術條件的限制，進展一直很慢。1965年，在各項基礎技術有了很大進展的前提下才在英國誕生了第一臺實用化的商品掃描電鏡。此后，荷蘭、美國、西德也相繼研制出各種型號的掃描電鏡，日木二戰后在美國的支持下生產出掃描電鏡，中國則在20世紀70年代生產出自己掃描電鏡。前期近20年，掃描電鏡主要是在提高分辨率方面取得了較大進展.80年代末期，各廠家的掃描電鏡的二次電子像分辨率均己達到4.5nm.在提高分辨率方面各廠家主要采取了如下措施:(1)降低透鏡球像差系數，以獲得小束斑;(2)士曾強照明源即提高電子槍亮度(如采用LaB6或場發射電子槍);(3)提高真空度（多級真空系統）和檢測系統的接收效率；(4)盡可能減小外界振動干擾（磁懸浮技術）。目前，采用鎢燈絲電子槍掃描電鏡的分辨率最高可以達到3.0nm;采用場發射電子槍掃描電鏡的分辨率（采用場發射電子槍代替普通鎢燈絲電子槍，這項技術從1968年就己開始應用，這項技術大大提高了二次電子像分辨率）可達1nm。到20世紀90年代中期，各廠家又相繼采用計算機技術，實現了計算機控制和信息處理。現代掃描電鏡的發展方向主要是兩個：大型和超小型。大型：采用場發射電子槍或者LaB6電子槍，提高分辨率到25?。與電子探針的功能相結合，加上波長色散譜儀和能量色散譜儀，進行元素分析。并加上電子通道花樣（ECP）和選區電子通道花樣（SECP）等功能。使其性能向綜合的方向發展。超小型：由于掃描電鏡制樣簡單，操作方便，圖象更有立體感，層次細節更分明和豐富，清晰度高，各制造廠家自75年后紛紛制造各種桌上型的掃描電鏡（也稱簡易型）。其特點是體積小,重量輕。像日立公司（HITACHI）的S－310A，全部重量170公斤，日本電子的JSM－T20也僅180公斤。這類超小型掃描電鏡能以很低的代價（不超過40000美元）就得到高分辨率（150?）的清晰圖象，所以獲得了廣泛的應用。掃描電鏡的分類：常規掃描電鏡（SEM）、環境掃描電鏡（ESEM）、場發射掃描電鏡（FE-SM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描透射電鏡（STEM）掃描探針顯微鏡（SPM）、原子力顯微鏡（AFM）、分析型電鏡（與能譜，紅外等設備聯用）二、電子光學基礎1、光學顯微鏡的分辨率光學透鏡成像的情況見下圖。表示樣品上的兩個物點S１、S２經過物鏡在像平面形成像s1’、s2’的光路。由于衍射效應的作用，點光源在像平面上得到的并不是一個點，而是一個中心最亮，周圍帶有明暗相間同心圓環的園斑，即Airy斑．Airy斑的光強分布特征：84％集中在中央亮斑上，其余由內向外順次遞減，分散在第1、第2。一般將第一暗環半徑定為Airy斑的半徑。

如果兩個物點靠近，相應的兩個Airy斑也逐漸重疊．當斑中心間距等于Airy斑半徑時，強度峰谷值相差１９％，人眼可以分辨，即Rayleigh準則

即當一點光源衍射圖樣的中央最亮處剛好和另一個點的第一個最暗處重合時，兩衍射斑中心強度約為中央的８０％，人眼剛可以分辨。此時的光點距離r0稱為分辨率，可表達如下：式中，-光的波長n-折射系數-孔徑半角nsin-數值孔徑（NumericAperture）上式表明，分辨率的最小距離與波長成正比。對玻璃透鏡，取最大孔徑半角a=70-75°，在物方介質為油的情況下，n?1.5，則其數值孔徑nsina?1.25-1.35，上式可簡化為：可見，半波長是光學玻璃透鏡可分辨本領的理論極限。可見光的波長在390-760nm，其極限分辨率為200nm。于是，人們用很長時間尋找波長短，又能聚焦成像的光波。X射線和γ射線雖然波長短，但不能聚焦。

在1923年，法國科學家LouisdeBroglie提出一切電磁波和微觀運動物質(電子、質子等)都具有波粒二象性后，人們就想到是不是可以用電子束代替光波來實現成像?因為其波長遠比光波要短得多。電子波的波長特性電子顯微鏡的照明光源是電子射線。與可見光相似，運動的電子也兼有波動性和微粒性，即所謂波、粒二象性。根據DeBroglie的觀點，勻速直線運動著的電子必定和一個波動相對應，其波長取決于電子運動的速度和質量：式中

h=

6.626×10-34J.S為普朗克常數

m－電子質量

V－電子速度如何獲得電子？一般，電鏡的光源是一個能發射電子，并使其加速的靜電裝置稱為電子槍。加速電場的極間電壓稱為加速電壓，是電鏡的一個重要性能指標。不同加速電壓下計算的電子波長綜上所述：提高加速電壓，縮短電子波長，提高電鏡分辨率；加速電壓越高，對試樣的穿透能力越大，可放寬對樣品的減薄要求。如用更厚樣品，更接近樣品實際情況。電子波長與可見光相比，相差105量級。四、掃描電鏡的結構型號：JSM-35CF

主要功能：材料表面形貌、微觀組織的觀察與分析，半導體電學性能參數擴散長度的測量和圖像。分辨率：60?工作電壓：0-39KV探針電流：10-12-10-7（A）放大倍數：10-20000倍

生產廠家：日本電子

主要介紹：能夠進行各種掃描圖像，如二次電子像、背反射電子像，電子束誘生電流像等。Sirion200掃描電鏡外觀照片電子與固體試樣的交互作用當高能電子束轟擊樣品表面時，由于入射電子束與樣品間的相互作用，99％以上的入射電子能量將轉變成熱能，其余約1％的入射電子能量，將從樣品中激發出反映試樣形貌、結構和組成的各種信息出各種有用的信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發光、特征X射線、俄歇電子、吸收電子、透射電子等。掃描電鏡結構1、電子束系統

電子束系統由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用于產生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成象。

為了獲得較高的信號強度和掃描像，由電子槍發射的掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。普通鎢絲電子槍的分辨本領在6.0-3.5nm之間，而場發射電子槍可達到1.0nm。常用的電子槍有三種：普通熱陰極三極電子槍、六硼化鑭陰極電子槍和場發射電子槍，其性能如表1所示。幾種類型電子槍性能比較(a)熱電子發射型電子槍

(b)熱陰極場發射電子槍

電子槍構造示意圖電磁透鏡：可見光用玻璃透鏡聚焦。電子束的聚焦裝置是電磁透鏡。電子束在旋轉對稱的靜電場或磁場中可起到聚焦的作用。電磁透鏡實質是一個通電的短線圈，它能造成一種軸對稱的分布磁場。正電荷在磁場中運動時，受到磁場的作用力，即洛侖磁力。電磁聚光鏡其功能是把電子槍的束斑逐級聚焦縮小，因照射到樣品上的電子束光斑越小，其分辨率就愈高。改變透鏡的勵磁電流可連續調節透鏡的焦距。掃描電鏡通常都有三個聚光鏡，前兩個是強透鏡，縮小束斑，第三個透鏡是弱透鏡，焦距長，便于在樣品室和聚光鏡之間裝入各種信號探測器。一般靠近樣品的稱為物鏡，其余的透鏡稱為會聚鏡。為了降低電子束的發散程度，每級聚光鏡都裝有光闌。為了消除像散，裝有消像散器。像散是由于電磁透鏡的周向磁場非旋轉對稱引起。透鏡磁場的這種非旋轉性對稱使它在不同方向上的聚焦能力出現差別，物點P通過透鏡后不能在像平面上聚焦成一點，而是形成一散焦斑。2、掃描系統掃描系統由掃描信號發生器、放大控制器和掃描線圈組成。其作用是控制入射電子束在試樣表面掃描及顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描，通過改變入射電子束的掃描振幅，即可獲得不同放大倍數的掃描圖像。掃描線圈：其作用是使電子束偏轉，并在樣品表面作有規則的掃動，電子束在樣品上的掃描動作和在顯像管上的掃描動作由同一掃描發生器控制,保持嚴格同步。當電子束進入偏轉線圈時，方向發生轉折，隨后又由下偏轉線圈使它的方向發生第二次轉折,再通過末級透鏡的光心射到樣品表面。在上下偏轉線圈的作用下，在樣品表面掃描出方形區域，相應地在樣品上也畫出一副比例圖像。3、真空系統真空系統主要包括真空泵和真空柱兩部分。

真空柱是一個密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內產生真空。有機械泵、油擴散泵以及渦輪分子泵三大類，機械泵加油擴散泵的組合可以滿足配置鎢槍的掃描電鏡的真空要求，但對于裝置了場致發射槍或六硼化鑭槍的掃描電鏡,則需要機械泵加渦輪分子泵的組合。

成象系統和電子束系統均內置在真空柱中。真空柱底端的密封室，用于放置樣品。之所以要用真空，主要基于以下兩點原因：①電子束系統中的燈絲在普通大氣中會迅速氧化而失效，所以除了在使用掃描電鏡時需要用真空以外，平時還需要以純氮氣或惰性氣體充滿整個真空柱。②為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成象的電子更多。因此如果真空度不足，除樣品被嚴重污染外，還會出現燈絲壽命下降，極間放電等問題。

4、機械系統包括：支撐部分樣品室：樣品室中有樣品臺和信號探測器，樣品臺用于安裝、交換和移動試樣。試樣可以沿X、Y、Z軸方向移動，有的試樣臺可以傾斜、旋轉。現在試樣臺已用光編碼定位，準確度優于1μm，對表面不平的大試樣進行元素面分析時，Z軸方向可以自動聚焦。同時樣品還可在樣品臺上加熱、冷卻和進行力學性能實驗（如拉伸和疲勞）。試樣室安裝的各種探測器，例如二次電子探測器、背散射電子探測器、波譜、能譜、及光學顯微鏡等。（光學顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射后能發出熒光的試樣（如Zr02），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。）5、信號的收集、處理和顯示系統主要包括探測器、顯像管和照相機等。樣品在入射電子束作用下會產生各種物理信號，有二次電子、背散射電子、特征X射線、陰極熒光和透射電子。不同的物理信號要用不同類型的檢測系統。它大致可分為三大類，即電子檢測器、陰極熒光檢測器和X射線檢測器。常用的檢測系統為閃爍計數器，它位于樣品上側，由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成，如圖5所示。6、電源系統電源系統由穩壓，穩流及相應的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。SEM三種主要分析模式(a)光柵掃描(b)角光柵掃描圖4電子束在樣品表面的掃描方式五、掃描電鏡的工作原理工作原理：如圖所示，由電子槍發射出能量為5~35kev的電子流，經聚光鏡和物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束，在掃描線圈驅動下，在試樣表面按一定時間和空間順序作拉網式掃描。聚焦后的微細電子束與試樣發生相互作用，產生二次電子、背散射電子、特征X射線及其他物理信號。二次電子發射量隨試樣表面起伏而變化，背散射電子的發射量與試樣中元素的原子序數成正比，二次電子信號及背散射電子信號分別被探測器收集并轉化成電信號，經視頻放大后輸入到顯像管柵極，調制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度分別得到二次電子像及背散射電子像，得試樣表面微觀組織結構和形貌信息。配置波譜儀和能譜儀，利用所產生的X射線對試樣進行定性和定量化學成分分析。SNeFSNI(行)t(時間)T(行)I(幀)t(時間)T(幀)SNSNeF掃描原理比較透射電鏡一般是電子光學系統（照明系統）、成像放大系統、電源和真空系統三大部分組成。1.掃描電鏡電子光學部分只有起聚焦作用的會聚透鏡，而沒有透射電鏡里起成象放大作用的物鏡、中間鏡和投影鏡。這些電磁透鏡所起的作用在掃描電鏡中是用信號接受處理顯示系統來完成的。2.掃描電鏡的成象過程與透射電鏡的成象原理是完全不同的。透射電鏡是利用電磁透鏡成象，并一次成象；掃描電鏡的成象不需要成象透鏡，它類似于電視顯象過程，其圖象按一定時間空間順序逐點形成，并在鏡體外顯象管上顯示。六、主要性能指標1、分辨本領和景深掃描電鏡的分辨本領有兩重含義：①對于微區成份分析而言，它是指能分析的最小區域；②對于成象而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。兩者主要取決于入射電子束的直徑，但并不等于直徑，因為入射電子束與試樣相互作用會使入射電子束在試樣內的有效激發范圍大大超過入射束的直徑，如圖。入射電子激發試樣內各種信號的發射范圍不同，因此各種信號成象的分辨本領不同（如下表）。分辨率大小由入射電子束直徑和調制信號類型共同決定.不同信號的分辨率掃描電鏡的景深是指在樣品深度方向可能觀察的程度，或者是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。在電子顯微鏡和光學顯微鏡中，掃描電鏡的景深最大，對金屬材料的斷口分析具有特殊的優勢。電子束孔徑角是決定掃描電鏡景深的主要因素，它取決于末級透鏡的光柵直徑和工作距離。掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角，長焦距，所以可以獲得很大的景深，它比一般光學顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡的景深大10倍。因此用掃描電鏡觀察試樣斷口具有其它分析儀器無法比擬的優點。當像平面固定時(像距不變),能維持物像清晰的范圍內,允許物平面(樣品)沿透鏡主軸移動的最大距離Df即景深。二、放大倍數及有效放大倍數掃描電鏡的放大倍數M取決于顯象管熒光屏尺寸S2和入射束在試樣表面掃描距離S1之比，即：M＝S2／S1由于熒光屏尺寸S2是固定的，因此其放大倍數的變化是通過改變電子束在試樣表面掃描距離S1來實現的。一般放大倍數在20～20萬倍之間，且連續可調。將樣品細節放大到人眼剛能看清楚（約0.2mm）的放大倍數稱為有效放大倍數M：

M有效＝人眼分辨本領／儀器分辨本領（a）二次電子圖像

（b）背散射電子圖像錫鉛鍍層的表面圖像七、掃描電鏡圖像襯度原理襯度：所謂襯度，即是像面上相鄰部分間的黑白對比度或顏色差。形成掃描電子像的襯度分為形貌襯度、原子系數襯度和電壓襯度3種類型。（1）形貌襯度由于試樣表面形貌的差別而形成的襯度。（2）原子序數的襯度

由于試樣表面原子序數（化學成分）差別形成的襯度稱為原子序數襯度。（3）電壓襯度

電壓襯度是由于試樣表面電位差而形成的襯度，利用對試樣表面電位敏感的信號（二次電子）作為顯像管的調制信號可得到電壓襯度像。1、二次電子圖象襯度原理入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價帶或導帶電子）電離產生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習慣上把能量小于50eV電子統稱為二次電子，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。二次電子圖象反映試樣表面狀態，從表面出來的二次電子多，呈亮象；出來的電子少，呈暗象。二次電子產額δ與二次電子束與試樣表面法向夾角有關，δ∝1/cosθ。因為隨著θ角增大，入射電子束作用體積更靠近表面層，作用體積內產生的大量自由電子離開表層的機會增多；其次隨θ角的增加，總軌跡增長，引起價電子電離的機會增多。二次電子產率：a<b<d<eorf(邊緣效應),eorf無法區分a<b<d<c(尖端效應)形貌襯度原理綜上，圖象反差是由于不同物點之間二次電子產額及收集效率的差別造成的。可歸為以下幾個效應：(1)傾斜效應如果樣品局部表面傾斜φ角，則電子束在二次電子發射層（約10nm）內的路徑增大。從而使二次電子產額δ∝1/cosφ，即表面越傾斜，二次電子產額越大。(2)孔洞效應來自凸起后面（相對于檢測器方向）的物點或孔洞里面的物點的二次電子均受到側表面的抑制，導致收集效率的減小。(3)邊緣效應在凸起的邊緣，由于擴大了電子作用區的裸露表面，而使二次電子產額有明顯增大。類似的影響也發生在尺度接近入射電子作用范圍的尖銳凸起或小球。(4)成分效應二次電子產額隨樣品成分的平均原子序數的增大而增加，但這種差別并不明顯。二次電子形貌襯度的應用二次電子的檢測方法使得能量小于50eV的電子，不論從什么方向射出樣品幾乎都能被收集吸引過來而被檢測。因而得到無明顯陰影的圖象。同時二次電子產額主要取決于樣品表面的形貌，因此二次電子圖象特別適合于觀察起伏較大的樣品的表面。二次電子形貌襯度主要用于以下幾個方面：①斷口分析：沿晶斷口、韌窩斷口、解理斷口、纖維增強復合材料斷口。②表面形貌分析③材料變形與斷裂動態過程的原位觀察鎂合金斷口形貌鈦合金斷口形貌粉末顆粒表面形貌多孔氧化鋁模板制備的金納米線的形貌（a）低倍像（b）高倍像2、背散射電子圖象襯度原理背散射電子產額隨原子序數增大而增多，如圖。在進行圖象分析時，樣品中重元素區域背散射電子數量較多，呈亮區，而輕元素區域則為暗區。背散射電子發射系數可表示為：背散射電子檢測器的工作原理如圖。A和B表示一對半導體硅檢測器，將二者收集到的信號進行處理：對于原子序數信息來說，進入左右兩個檢測器的信號，其大小和極性相同，而對于形貌信息，兩個檢測器得到的信號絕對值相同，其極性恰恰相反。將檢測器得到的信號相加，能得到反映樣品原子序數的信息；相減能得到形貌信息。背散射電子主要是由經典的彈性散射所產生的。所謂彈性散射，就是在散射過程中，入射電子僅僅是改變了運動的方向，而忽略了它在碰撞過程中的能量損失，也就是說在這種碰撞過程中，是嚴格遵守經典的能量守恒定律的。當探測器接受的是背散射電子時，由于背散射電子的能量大，始終沿直線運動，若在前進方向上存在障礙物(樣品突起部分)，背散射電子受到阻礙而不能進入探測器。即樣品表面一定范圍內的背散射電子不能被檢測，形成無信號的暗，與用點光源照明物體時的效果相似，因此背散射電子像是一種有影像的電子像，圖象有浮雕感。由于它的陰影效果，通常背散射電子不適于觀察表面起伏很大的樣品，但在觀察淺溝槽表面的樣品時，反而加強了立體效果。礦物樣品的背散射電子圖象ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。由于ZrO2相平均原子序數遠高于Al2O3相和SiO2相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來石混合區為莫來石－斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來石。A.電子槍的種類:使用場發射、LaB6或鎢妊的電子槍。B.電磁透鏡的完美度。C.電磁透鏡的型式:In-lens,semiin-lens,off-lensD.樣品室的潔凈度:避免粉塵、水氣、油氣等污染。E.操作條件:加速電壓、工作電流、儀器調整、樣品處理、真空度。F.環境因素:振動、磁場、噪音、接地。3、影響電子顯微鏡影像品質的因素:4.X射線能譜儀由不同元素產生的特征X射線波長和相應的光量子能E滿足：的關系，因此能量也有特征性，能譜儀就是以測定元素特征X射線的能量為基礎的。X射線能譜儀，主要是由鋰漂移硅固態探測器、前置放大器、脈沖信號處理器、模數轉化器、多道分析器、小型計算機及顯示記錄系統等部分構成。特征X射線產生原理工作原理利用不同元素X射線光子特征能量不同特點進行成分分析原理圖：作為掃描電鏡中的附加系統，在樣品室中裝入X射線接受系統，于是可對被測樣品進行成分分析，包括定性分析和定量分析：1．定性分析點分析：將電子束固定在所需分析的微區上，幾分鐘即可直接從顯示屏上得到微區內全部元素的譜線。線分析：將能譜儀固定在所要測量的某一元素特征X射線信號能量的位置上，把電子束對著指定的方向作直線軌跡掃描，便可得到這一元素沿直線的濃度分布曲線，改變能譜儀的位置，便可得到另一種元素的濃度分布曲線。面分析：電子束在樣品表面作光柵掃描時，把能譜儀固定在某一元素特征X射線信號的位置上，此時，在熒光屏上便可得到該元素的分布圖象，移動位置，便可獲得另一種元素的濃度分布圖象。2．定量分析用半定量法，可測出微區內質量濃度百分比，修正后的誤差可限定在±5%之內。能譜儀分析特點具有以下優點（與波譜儀相比）1)能譜儀探測X射線的效率高。其靈敏度比波譜儀高約一個數量級。2)在同一時間對分析點內所有元素X射線光子的能量進行測定和計數，在幾分鐘內可得到定性分析結果，而波譜儀只能逐個測量每種元素特征波長。3)結構簡單，穩定性和重現性都很好（因為無機械傳動）。4)不必聚焦，對樣品表面無特殊要求，適于粗糙表面分析。

具有以下缺點和不足：1)分辨率低：Si(Li)檢測器分辨率約為160eV；波譜儀分辨率為5－10eV2)能譜儀中因Si(Li)檢測器的鈹窗口限制了超輕元素的測量，因此它只能分析原子序數大于11的元素；而波譜儀可測定原子序數從4到92間的所有元素。3)能譜儀的Si(Li)探頭必須保持在低溫態，因此必須時時用液氮冷卻。Ti的X射線能譜圖Cu合金X射線能譜圖八、掃描電鏡樣品的制備掃描電鏡對試樣的要求：（1）要求干凈，干燥的塊狀或粉末樣品，尺寸不大于φ20×10mm。（2）金屬斷口樣品：要求是干凈、新鮮的表面；如果是金相樣品須進行深腐蝕。（3）非金屬樣品須在真空鍍膜機中噴鍍金、鋁或碳，以保證樣品導電性良好。為什么掃描電鏡要求試樣導電呢？

當入射電子束打到樣品上，會在樣品表面產生電荷的積累，形成充電和放電效應，影響對象的觀察和拍照記錄。因此在觀察之前要進行導電處理，使樣品表面導電。

1、樣品的干燥掃描電鏡觀察樣品要求在高真空中進行。無論是水或脫水溶液，在高真空中都會產生劇烈地汽化，不僅影響真空度、污染樣品，還會破壞樣品的微細結構。因此，樣品在用電鏡觀察之前必須進行干燥。干燥的方法有以下幾種：(一)空氣干燥法空氣干燥法又稱自然干燥法，就是將經過脫水的樣品，讓其暴露在空氣中使脫水劑逐漸揮發干燥。這種方法的最大優點是簡便易行和節省時間；它的主要缺點是在干燥過程中，組織會由于脫水劑揮發時表面張力的作用而產生收縮變形。因此，該方法一般只適用于表面較為堅硬的樣品。(二)臨界點干燥法臨界點干燥法是利用物質在臨界狀態時，其表面張力等于零的特性，使樣品的液體完全汽化，并以氣體方式排掉，來達到完全干燥的目的。這樣就可以避免表面張力的影響，較好地保存樣品的微細結構。此法操作較為方便，所用的時間也不算長，一般約2～3小時即可完成，所以是最為常用的干燥方法。(三)冷凍干燥法冷凍干燥法是將經過冷凍的樣品置于高真空中，通過升華除去樣品中的水分或脫水劑的過程。冷凍干燥的基礎是冰從樣品中升華，即水分從固態直接轉化為氣態，不經過中間的液態，不存在氣相和液相之間的表面張力對樣品的作用，從而減輕在干燥過程中對樣品的損傷。樣品的導電處理

例如生物樣品經過脫水、干燥處理后，其表面不帶電，導電性能也差。因此在觀察之前要進行導電處理，使樣品表面導電。常用的導電方法有以下幾種：(一)金屬鍍膜法金屬鍍膜法是采用特殊裝置將電阻率小的金屬，如金、鉑、鈀等蒸發后覆蓋在樣品表面的方法。樣品鍍以金屬膜后，不僅可以防止充電、放電效應，還可以減少電子束對樣品的損傷作用，增加二次電子的產生率，獲得良好的圖象。(二)組織導電法用金屬鍍膜法使樣品表面導電，需要特殊的設備，操作比較復雜，同時對樣品有一定程度的損傷。為了克服這些不足，有人采用組織導電法(又稱導電染色法)，即利用某些金屬溶液對生物樣品中的蛋白質、脂類和醣類等成分的結合作用，使樣品表面離子化或產生導電性能好的金屬鹽類化合物，從而提高樣品耐受電子束轟擊的能力和導電率。2、掃描電鏡樣品制備一般原則為:A.顯露出所欲分析的位置。B.表面導電性良好，需能排除電荷。C.不得有松動的粉末或碎屑(以避免抽真空時粉末匕揚污染鏡柱體)。D.需耐熱，不得有熔融蒸發的現象。E.不能含液狀或膠狀物質，以免揮發。F.非導體表面需鍍金(影像觀察)或鍍碳(成份分析)。膜不能有明顯的特征。鍍導電膜的選擇，在放大倍率低于1000倍時，可以鍍一層較厚的Au，以提高導電度。放大倍率低于10000倍時，可以鍍一層Au來增加導電度。放大倍率低于100000倍時，可以鍍一層Pt或Au-Pd合金，在超過100000時，以鍍一層超薄的Pt或Cr膜較佳。G樣品表面附著有灰塵和油污，可用有機溶劑(乙醇或丙酮)在超聲波清洗器中清洗。H樣品表面銹蝕或嚴重氧化，采用化學清洗或電解的方法處理。清洗時可能會失去一些表面形貌特征的細節，操作過程中應該注意。真空鍍膜臺包括兩個部分，上部玻璃鐘罩為真空蒸發室，下部為真空系統，使蒸發室內達到5*10-5Torr的真空度。蒸發室內有兩對電極，一對電極與碳棒相連用來蒸發碳；另一對電極與裝有重金屬的螺旋形鎢絲相連，用來蒸發重金屬。當其中一對電極加上電壓，碳棒尖端或螺旋形鎢絲流過大電流，將碳或金屬加熱蒸發在被蒸鍍物上形成一層碳膜或金屬膜。九、SEM的主要特點1、放大倍率高

可從幾十倍放大到幾十萬倍，連續可調。觀察極為方便。2、分辨率高

SEM是用電子束照射試樣，目前用W燈絲的SEM，分辨率已達到3nm-6nm,場發射源SEM分辨率可達到1nm。3、景深大景深大、圖像立體感強，對粗糙不平的斷口試樣觀察需要大景深。一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學顯微鏡（OM）大100倍。4、保真度好試樣通常不需要作任何處理即可以直接進行形貌觀察，所以不會由于制樣原因而產生假象。這對斷口的失效分析及貴重試樣的分析特別重要。5、試樣制備簡單

試樣可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對不導電的試樣只需蒸鍍一層10nm左右的導電膜。6、另外，現在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。有的SEM加入附件后，能進行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動態過程的觀察。十、掃描電鏡的操作及調節1、利用掃描電鏡觀察樣品形貌的操作步驟（1）打開樣品室，裝樣，關閉樣品室，抽真空；（2）將抽真空后的樣品放進載物臺，調節載物臺，找到所放置的樣品；（3）調節對比度和亮度，使樣品在顯示屏上顯示出來；（4）雙擊自己感興趣的部位，使其移動至顯示屏中央；（5）調整放大倍數并調焦；（6）慢速掃描，照相，保存。掃描電鏡的調整：（一）加速電壓選擇加速電壓高時，電子束的直徑變小，使分辨率增加，但是分辨率還取決于能夠獲得的對比度和像素等因素。低加速電壓觀察也有許多優點，如降低加速電壓可消除下層結構引起的干擾，看到更多的表面細小形貌，某些不導電的樣品還可在低加速電壓下直接觀察。加速電壓和象質的關系由上表可知，加速電壓提高，電了束波長越短，理論上，只考慮電子束直徑的大小，加速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電了束，因而提高分辨率，然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點:A.無法看到樣品表面的微細結構。B.會出現不尋常的邊緣效應。C.電荷累積的可能性增高。D.樣品損傷的可能性增高。因此適當的加速電壓調整，才可獲得最清晰的影像。（二）束流選擇在加速電壓和物鏡光闌孔徑固定的情況下調節聚光鏡電流可以改變束流大小，聚光鏡勵磁電流越大，電子束直徑就越小，從而使分辨率提高。束流減小使二次電子信號減弱，噪音增大。過大的束流會使邊緣效應增大，帶來過強的反差，要獲得最佳的圖像質量，必須兼顧電子束直徑和能收集足夠強的二次電子信號兩方面的要求。束流與象質的關系束流與像質的關系（三）物鏡光闌和工作距離的選擇光闌孔徑越小，景深越大，在工作距離相同的條件下，選用小孔徑的光闌燈絲下面的支架也可以看清楚。工作距離（WD）是指物鏡下極靴端面到樣品表面的距離，通過樣品移動裝置Z軸旋鈕來調整。在相同的物鏡光闌孔徑條件下，增大工作距離使景深增加。通常工作距離采用10或15mm，要求高分辨率時采用5mm以下，要求加深景深時采用30mm。由于二次電子象襯度與電子束入射角度有關，入射角越大，二次電子產生的越多，像的襯度越好。較平坦的樣品應加大傾斜角觀察。物鏡光闌孔徑與像質的關系（四）象散校正在電子光學系統中所形成的磁場或靜電場不能滿足軸對稱的要求時，就會產生象散。磁場不對稱而造成的象散對一臺確定的儀器是固定不變的，靜電場引起象散的主要原因是電子通道周圍被污染，特別是物鏡光闌被污染時將嚴重產生象散。象散的特征是在過焦和欠焦時圖像細節在互為90o方向上拉長。象散校正是調整消象散器，方法是利用調焦鈕找出象散最大時的兩個位置，將調焦鈕置于中間位置，然后反復調消象散鈕，直至調到圖象最清楚為止。象散特別嚴重時應該清洗鏡筒和物鏡光闌。（五）電子束合軸的調整調整電子束對中（合軸）的方法有機械式和電磁式。①機械式是調整合軸螺釘②電磁式則是調整電磁對中線圈的電流，以此移動電子束相對光路中心位置達到合軸目的。十一、掃描電鏡的應用現在掃描電鏡已廣泛用于材料科學（金屬材料、非金屬材料、納米材料）、礦物加工、冶金、生物學、醫學、半導體材料與器件、地質勘探、病蟲害的防治、災害（火災、失效分析）鑒定、刑事偵察、寶石鑒定、工業生產中的產品質量鑒定及生產工藝控制等。1、觀察納米材料所謂納米材料就是指組成材料的顆粒或微晶尺寸在0.1-100nm范圍內，在保持表面潔凈的條件下加壓成型而得到的固體材料。納米材料具有許多與晶體、非晶態不同的、獨特的物理化學性質。納米材料有著廣闊的發展前景，將成為未來材料研究的重點方向。掃描電鏡的一個重要特點就是具有很高的分辨率。現已廣泛用于觀察納米材料。2、材料斷口的分析掃描電鏡的另一個重要特點是景深大，圖象富立體感。掃描電鏡的焦深比透射電子顯微鏡大10倍，比光學顯微鏡大幾百倍。由于圖象景深大，故所得掃描電子象富有立體感，具有三維形態，能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息，這個特點對使用者很有價值。掃描電鏡所顯示的斷口形貌從深層次，高景深的角度呈現材料斷裂的本質，在教學、科研和生產中，有不可替代的作用，在材料斷裂原因的分析、事故原因的分析以及工藝合理性的判定等方面是一個強有力的手段。3、直接觀察原始表面它能夠直接觀察直徑100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對試樣的形狀沒有任何限制，粗糙表面也能觀察，這便免除了制備樣品的麻煩，而且能真實觀察試樣本身物質成分不同的襯度（背反射電子象）。4、觀察厚試樣其在觀察厚試樣時，能得到高的分辨率和最真實的形貌。掃描電子顯微的分辨率介于光學顯微鏡和透射電子顯微鏡之間，但在對厚塊試樣的觀察進行比較時，因為在透射電子顯微鏡中還要采用復膜方法，而復膜的分辨率通常只能達到10nm，且觀察的不是試樣本身。因此，用掃描電鏡觀察厚塊試樣更有利，更能得到真實的試樣表面資料。5、觀察各個區域的細節試樣在樣品室中可動的范圍非常大，其他方式顯微鏡的工作距離通常只有2-3cm，故實際上只許可試樣在兩度空間內運動，但在掃描電鏡中則不同。由于工作距離大（可大于20mm）。焦深大（比透射電子顯微鏡大10倍）。樣品室的空間也大。因此，可以讓試樣在三度空間內有6個自由度運動（即三度空間平移、三度空間旋轉）。且可動范圍大，這對觀察不規則形狀試樣的各個區域帶來極大的方便。6、大視場低放大倍數觀察用掃描電鏡觀察試樣的視場大。在掃描電鏡中，能同時觀察試樣的視場范圍F由下式來確定：F=L/M式中F——視場范圍；M——觀察時的放大倍數；L——顯像管的熒光屏尺寸。若掃描電鏡采用30cm（12英寸）的顯像管，放大倍數15倍時，其視場范圍可達20mm，大視場、低倍數觀察樣品的形貌對有些領域是很必要的，如刑事偵察和考古。7、從高到低倍的連續觀察放大倍數的可變范圍很寬，且不用經常對焦。掃描電鏡的放大倍數范圍很寬（從5到20萬倍連續可調），且一次聚焦好后即可從高倍到低倍、從低倍到高倍連續觀察，不用重新聚焦，這對進行事故分析特別方便。8、觀察生物試樣因電子照射而發生試樣的損傷和污染程度很小。同其他方式的電子顯微鏡比較，因為觀察時所用的電子探針電流小（一般約為10-10-10-12A）電子探針的束斑尺寸小（通常是5nm到幾十納米），電子探針的能量也比較小（加速電壓可以小到2kV）。而且不是固定一點照射試樣，而是以光柵狀掃描方式照射試樣。因此，由于電子照射面發生試樣的損傷和污染程度很小，這一點對觀察一些生物試樣特別重要。9、進行動態觀察在掃描電鏡中，成象的信息主要是電子信息，根據近代的電子工業技術水平，即使高速變化的電子信息，也能毫不困難的及時接收、處理和儲存，故可進行一些動態過程的觀察，如果在樣品室內裝有加熱、冷卻、彎曲、拉伸和離子刻蝕等附件，則可以通過電視裝置，觀察相變、斷裂等動態的變化過程。10、從形貌獲得資料在掃描電鏡中，不僅可以利用入射電子和試樣相互作用產生各種信息來成象，而且可以通過信號處理方法，獲得多種圖象的特殊顯示方法，還可以從試樣的表面形貌獲得多方面資料。因為掃描電子象不是同時記錄的，它是分解為近百萬個逐次依此記錄構成的。因而使得掃描電鏡除了觀察表面形貌外還能進行成分和元素的分析，以及通過電子通道花樣進行結晶學分析，選區尺寸可以從10μm到3μm。11、分析礦物表面形態、產狀、微觀性質，研究礦物表面性質及成分對選礦效果的影響，提供元素賦存狀態、成礦信息等。

當然也廣泛應用于下面幾個方面：鍍層表面分析和深度檢測、微區化學成分分析、金屬及合金,氧化/腐蝕,斷口,焊點,拋光斷面,磁性及超導材料、陶瓷,復合材料,塑料、薄膜/涂層地質樣品斷面,礦物、軟物質:聚合物,藥品,過濾膜,凝膠,生物組織,木材、顆粒,多孔材料,纖維。

近代掃描電鏡的發展主要是在二次電子像分辨率上取得了較大的進展。但對不導電或導電性能不太好的樣品還需噴金后才能達到理想的圖像分辨率。隨著材料科學的發展特別是半導體工業的需求，要盡量保持試樣的原始表而，在不做任何處理的條件下進行分析。早在20世紀80年代中期，便有廠家根據新材料(主要是半導體材料)發展的需要，提出了導電性不好的材料不經過任何處理也能夠進行觀察分析的設想，到90年代初期，這一設想就己有了實驗雛形，90年代末期，己變成比較成熟的技術。其工作方式便是現在己為大家所接受的低真空和低電壓，最近幾年又出現了模擬環境工作方式的掃描電鏡，這就是現代掃描電鏡領域出現的新名詞“環掃”，即環境掃描電鏡。十二、環境掃描電鏡低電壓掃描電鏡在掃描電鏡中，低電壓是指電子束流加速電壓在1kV左右。此時