扫描电镜简介

 

扫描电子显微镜（SEM）属于样品表面形态观察用仪器。它用电子束代替光源，能观察到普通光学显微镜不能观察到的样品表面超微细节。扫描图片呈黑白色，具有三维效果。

 

我校扫描电镜及附属设备技术指标

型号：蔡司扫描电镜 EVO LS15

光源：钨灯丝

加速电压：≦30KV

放大倍数：5-100万倍

分辨率：高真空二次电子像约3nm（30KV）

最大样品尺寸：250mm×145mm

 

能谱仪

型号：IncaX-Max20 与扫描电镜联合应用，可以进行未知样品化学成分的定性分析和定量分析。分析元素范围Be4-U92，含量>1%。

 

临界点干燥仪：英国K850。干燥生物样品，避免表面应力对样品的损坏。

 

离子溅射仪：英国Q150RS。适于给样品镀制不氧化金属膜（即贵金属膜），如金、银、铂和钯 。

 

扫描电镜具有三个明显的优势：更好的分辨率，更大的景深和进行X射线微区元素分析的能力。

分辨率即可感知的最小的两点之间距离。其主要取决于照明的波长，电子的波长比可见光小的多，因此在扫描电镜分辨率上有所提高。光学显微镜的分辨率> 200 nm（绿光波长＝500 nm），放大倍数可达3,000倍。SEM分辨率< 5 nm（30 kV电子的波长＝0.007 nm），放大倍数可达1百万倍。

景深即样品表面高度变化时维持细节清晰聚焦的能力。这便于观察形貌非常不规则的样品。

微区分析:样品的元素组成可以用高能电子轰击到样品上所激发的X射线光谱来确定。每一种元素有其特定的光谱，就像“指纹”一样。电镜室现有牛津能谱仪，可通过点扫描和面分布分析样品特定区域的元素组成。

 

电子束与样品的相互作用及检测方式

高能聚焦的电子束会在样品表面激发一系列不同信号。扫描电镜配备多种探头，采集相应信号并显示样品信息。

扫描电镜样品仓内探头

二次电子（SE）：当电子束轰击样品时，从样品上表面层（0到10nm）产生的电子。能量范围从0到50电子伏特，大多数具有3到5电子伏特。它能够反映样品真实的表面信息，形成的图像具有分辨率高，景深好，立体感强的特点。二次电子探测器（SED）负责收集这些信号电子。

背散射电子（BSE）当电子束轰击样品时，背散射电子的发射深度是0.1-1微米。他能够反映原子序数衬度和形貌衬度。图像对于低原子序数元素显示是暗的，对于高原子序数元素显示是亮的。背散射电子探测器通常位于末级透镜极靴的下方，假如样品样品是平坦且无倾斜的，在这个位置它将收集最大数量的背散射电子。

特征X射线：主要应用能谱仪，结合不同元素的特征X射线，进行元素的定性和定量分析。

 

 

扫描电镜基本工作原理

扫描电镜结构图

 

扫描电镜从上到下的结构依次是：

1. 产生称子束照明源的电子枪。

2. 一组偏转线圈来使电子束对准镜筒，称之为电子枪对中线圈。

3. 两组电磁透镜将电子束聚焦成很小的束斑，这些透镜称为聚光镜1和2。

4. 辅助电子束尺寸控制的末级光栏（功能与照相机中可变光圈相似）。

5. 一组消像散线圈使电子束成形以便其横截面是圆形（上图中没有显示）。

6. 一组扫描线圈在样品表面用来偏转电子束，就是通常所指的光栅扫描，与电视的偏转线圈十分相似。这些线圈由扫描发生器通过放大倍数来控制样品表面扫描区域。扫描发生器也控制电子束的扫描速度。

7. 第三个聚光镜，有时也称为物镜，用于将电子束聚焦在样品表面。

8. 所有三个聚光镜是由一个软件程序控制，这个软件把聚焦到样品表面电子束的电流（探针电流）最优化。由参数“I probe（探针电流）”显示电流的数值，此参数关联电子束的“Spot Size（束斑尺寸）”，并对图像分辨率影响很大。

9. 样品室中的二次电子收集器通常是用于产生样品表面图像的探测器。当电子束扫描样品时，其吸引从表面激发出来的低能量二次电子。其它的信号也从样品激发出来；每种有其自己的探测器，可以用于显示信息图像。

10. 由适当的探测器收集的样品表面上每个点产生的信号放在图库的存储器里。这个图库位于图像处理器中，其结合电子束扫描速度的选择来降低图像中的噪声。

11. 涡轮分子泵装在样品室下，通过抽空空气来实现镜筒和样品室中的高真空。SEM后面的旋转泵把空气排出到大气中。

 

扫描电镜在三种真空度下的观察模式

 

高真空观察模式：所用探头SE1，压力范围<10Pa。首先要抽真空，当镜筒内达到良好的真空后，电子束就可以开启。因为用来产生电子束的是高电压，要求镜筒里有高度的真空来防止任何放电发生或电子束被气体分子扩散或吸收。

可变压力观察模式：所用探头VPSE，压力范围10~400Pa。压差光栏可以控制气体分子的数量，空气可以被引入到样品室，而电子光学镜筒和电子枪能维持好的真空。电子束的高能电子与气体分子之间的碰撞将使气体电离，产生的正离子将中和在绝缘材料表面形成并能干扰样品图像获取的负电荷。二次电子（SE）通过气体将与分子相互作用导致发出光子，这些光子能够被另一个探测器（VPSE探测器）收集，从而成像。

低真空观察模式：所用探头EPSE，压力范围400Pa-3000Pa。压差光阑同样控制镜筒真空度和样品仓真空度的差异，样品仓内更接近大气压。结合冷台等附属装置，调节水分、压力、温度三者之间的关系，从而在接近自然的状态下，观察含水样品的表面形态。含水样品无需前期复杂的制样过程。

值得一提的是，背散射探头可以在所有压力范围内使用，用来观察样品的成分衬度。

 

SEM简单操作指南

1. 按下绿色启动（Start Up）按钮启动SEM。

2. 双击SmartSEM图标来开启SEM软件。

3. 给样品室进气，快速装入样品，样品室抽真空。

4. 等待真空“Ready（就绪）”。

5. 通过选择“File（文件）”然后选择“Load state（装入状态）”或显示器右下角的“Gun（电子枪）”来开启电子束。

6. 把“亮度”调到50％，如果图像太亮或太暗的话调节“对比度”。

7. 检查灯丝饱和及电子枪对中。

8. 在低倍下在样品或样品座上将电子束聚焦，然后根据需要使用操纵杆确定样品的位置。

9. 不断增加放大倍数，电子束聚焦，直到可在大于5000x下观察样品。

10. 如果必要，利用聚焦摆动（Focus Wobble）方式调整末级光栏对中。

11. 校正任何观察到的像散。

12. 选择一个合适的扫描／降噪模式来消除图像的任何噪声。

13. 适当的调节图像的“亮度”和“对比度”

14. 冻结图像

15. 如果需要，注释图像。

16. 为了打印或输出图像，只要在图像区域单击鼠标右键，并从“send to（传送到）”菜单选择合适的选项。

17. 要结束电镜操作，操作者可以登出（LOG OFF）或关机。

 

扫描电镜软件操作界面

 

影响图片质量的几个关键参数

加速电压：加速电压高，分辨率高，电子束穿透深；加速电压低，电子束穿透深度浅。

探针电流：探针电流小，束斑小，分辨率高；（束流）探针电流大，信号强，衬度好。

工作距离：工作距离近，分辨率高；工作距离远，景深大。

物镜光栏：光栏孔径小，分辨率高，景深大；光栏大，束流大，信号强。

扫描速度：速度慢，图像清晰，噪声小；速度快，利于寻找样品。

 

 

样品制备指南

导体：1 金属的：这些通常都是良导体，对于表面形貌的观察不需要制备。然而，对于微观结构形貌研究和精确的微区分析，有必要抛光样品。腐蚀和电解抛光也可能必要的。2 半导电（半绝缘）：不需要特别制备就可检验，并且能在高真空下观察。

非导体：这类样品可进一步分为不挥发的和挥发的两种。1 不挥发样品，如果在使用低加速电压并且表面没有喷镀的情况下，不可能获得适当的分辨率的话，有两个方法可行，喷镀样品或者使用样品室的可变压力。2 挥发的样品：如动植物等含水样品。它们需要较为复杂的前期制样过程，并且需要结合其它的制样设备。

 

应用范围

¡  植物学，动物学，微生物学，古生物学，考古学，材料学，物理学。

¡  半导体工业，陶瓷工业，化学工业，地质矿物业，食品业。

¡  医学：基础研究，疾病模型、培养细胞或组织鉴定，疾病诊断，药理作用与效果观察，疑难病症的电镜诊断。