掃描電子顯微鏡是一種大型分析儀器，它廣泛應(yīng)用于觀察各種固態(tài)物質(zhì)的表面超微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和組成。 所謂掃描是指在圖象上從左到右、從上到下依次對(duì)圖象象元掃掠的工作過程。它與電視一樣是由控制電子束偏轉(zhuǎn)的電子系統(tǒng)來完成的，只是在結(jié)構(gòu)和部件上稍有差異而已。 在電子掃描中，把電子束從左到右方向的掃描運(yùn)動(dòng)叫做行掃描或稱作水平掃描，把電子束從上到下方向的掃描運(yùn)動(dòng)叫做幀掃描或稱作垂直掃描。兩者的掃描速度完全不同，行掃描的速度比幀掃描的速度快，對(duì)于1000條線的掃描圖象來說，速度比為1000。

掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具，主要是利用二次電子信號(hào)成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。二次電子能夠產(chǎn)生樣品表面放大的形貌像，這個(gè)像是在樣品被掃描時(shí)按時(shí)序建立起來的，即使用逐點(diǎn)成像的方法獲得放大像。

掃描電子顯微鏡工作原理

二次電子成像是使用掃描電鏡所獲得的各種圖象中應(yīng)用最廣泛，分辨本領(lǐng)最高的一種圖象。由電子槍發(fā)射的電子束最高可達(dá)30keV，經(jīng)會(huì)聚透鏡、物鏡縮小和聚焦，在樣品表面形成一個(gè)具有一定能量、強(qiáng)度、斑點(diǎn)直徑的電子束。在掃描線圈的磁場(chǎng)作用下，入射電子束在樣品表面上按照一定的空間和時(shí)間順序做光柵式逐點(diǎn)掃描。由于入射電子與樣品之間的相互作用，將從樣品中激發(fā)出二次電子。由于二次電子收集極的作用，可將各個(gè)方向發(fā)射的二級(jí)電子匯集起來，再將加速極加速射到閃爍體上，轉(zhuǎn)變成光信號(hào)，經(jīng)過光導(dǎo)管到達(dá)光電倍增管，使光信號(hào)再轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。這個(gè)電信號(hào)又經(jīng)視頻放大器放大并將其輸送至顯像管的柵極，調(diào)制顯像管的亮度。因而，再熒光屏上呈現(xiàn)一幅亮暗程度不同的、反映樣品表面形貌的二次電子象。

入射電子與試樣相互作用

在掃描電鏡中，入射電子束在樣品上的掃描和顯像管中電子束在熒光屏上的掃描是用一個(gè)共同的掃描發(fā)生器控制的。這樣就保證了入射電子束的掃描和顯像管中電子束的掃描完全同步，保證了樣品上的 “物點(diǎn)”與熒光屏上的“象點(diǎn)”在時(shí)間和空間上一一對(duì)應(yīng)，稱其為“同步掃描”。一般掃描圖象是由近100萬個(gè)與物點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的圖象單元構(gòu)成的，正因?yàn)槿绱?，才使得掃描電鏡除能顯示一般的形貌外，還能將樣品局部范圍內(nèi)的化學(xué)元素、光、電、磁等性質(zhì)的差異以二維圖象形式顯示。

掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)原理

掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)可分為六大部分，電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)、圖像顯示和記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源及控制系統(tǒng)。下圖是掃描電鏡主機(jī)構(gòu)造示意圖。

掃描電鏡主機(jī)構(gòu)造示意圖

1. 電子光學(xué)系統(tǒng)  主要包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。

（1）電子槍：根據(jù)陰極材料分類，電子槍主要有三種類型，鎢絲( W)、六硼化鑭( LaB6)、鎢單晶。根據(jù)分辨率的不同，可選擇不同的陰極材料。分辨率要求越高，陰極材料也就越貴。電子束加速電壓一般為0.5～30kV。目前，應(yīng)用于SEM的電子槍可以分為三類：a為直熱式發(fā)射型電子槍，陰極材料為鎢絲（直徑大約0.1～0.15mm），制成發(fā)夾式或針尖式形狀，并利用直接電阻加熱來發(fā)射電子，它是一種最常用的電子槍；b為旁熱式發(fā)射型電子槍。陰極材料式用電子逸出功小的材料如LaB6，YB6，TiC 或ZrC 等制造，其中LaB6應(yīng)用最多，它是用旁熱式加熱陰極來發(fā)射電子；c為場(chǎng)致發(fā)射型電子槍。陰極材料是用（310）位向的鎢單晶針尖，針尖的曲率半徑大約為100nm，它是利用場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)來發(fā)射電子的；

（2）電磁透鏡，主要是對(duì)電子束進(jìn)行聚焦，一般有兩到三個(gè)透鏡。每個(gè)透鏡都配有光闌，可對(duì)無用的電子實(shí)現(xiàn)遮擋。目前掃描電鏡的透鏡系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)：（a）雙透鏡系統(tǒng)；（b）雙級(jí)勵(lì)磁的三級(jí)透鏡系統(tǒng)；（c）三級(jí)勵(lì)磁的三級(jí)透鏡系統(tǒng)。其中以三級(jí)勵(lì)磁透鏡系統(tǒng)具有較多優(yōu)點(diǎn)，其理由如下：（1）多一級(jí)透鏡的效果是使電子束的收縮能力更強(qiáng)，對(duì)原始光源的尺寸要求不高，仍可以獲得小于5nm的電子束斑；（2）電子光學(xué)系統(tǒng)具有較大的靈活性，便于形成各種掃描式的光路，特別是要形成單偏轉(zhuǎn)搖擺掃描式的光路（這是一種獲得選區(qū)電子通道花樣的光路），只有用三個(gè)獨(dú)立可調(diào)的透鏡系統(tǒng)才有可能做到。

（3）掃描線圈，在掃描信號(hào)發(fā)生器的作用下，對(duì)樣品表面進(jìn)行從左到右的光柵式掃描。樣品室是試樣的檢測(cè)場(chǎng)所，同時(shí)裝有各種信號(hào)探測(cè)器。樣品在該區(qū)域可實(shí)現(xiàn)上下、前后、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，以便對(duì)樣品進(jìn)行全方位的觀測(cè)。

2. 掃描系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。它的作用是：

1) 使入射電子束在樣品表面掃描，并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描；

2) 改變?nèi)肷涫跇悠繁砻娴膾呙璺?，從而改變掃描像的放大倍?shù)。

3. 信號(hào)收集及圖像顯示系統(tǒng)

掃描電鏡應(yīng)用的物理信號(hào)可分為：

1) 電子信號(hào)，包括二次電子、背散射電子、透射電子和吸收電子。吸收電子可直接用電流表測(cè)，其他電子信號(hào)用電子收集器；

2) 特征X射線信號(hào)，用X射線譜儀檢測(cè)(EDS)

3) 光學(xué)信號(hào)（陰極熒光）

圖像顯示系統(tǒng)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為陰極射線顯像管電子束強(qiáng)度的變化，得到一幅亮度變化的掃描像，同時(shí)用照相方式記錄下來，或用數(shù)字化形式存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。

4. 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)為電子光學(xué)系統(tǒng)提供必需的高真空，保證了電子束的正常掃描，還可以防止樣品受到污染。

5. 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)主要是指各種部件的電源，如加速電壓電源、透鏡電源和光電倍增管電源等。

掃描電子顯微鏡成象特點(diǎn)

掃描電鏡雖然是顯微鏡家族中的后起之秀，但由于其本身具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展速度是很快的。

1儀器分辨率較高，通過二次電子象能夠觀察試樣表面6nm左右的細(xì)節(jié)，采用LaB6電子槍，可以進(jìn)一步提高到3nm。

2儀器放大倍數(shù)變化范圍大，且能連續(xù)可調(diào)。因此可以根據(jù)需要選擇大小不同的視場(chǎng)進(jìn)行觀察，同時(shí)在高放大倍數(shù)下也可獲得一般透射電鏡較難達(dá)到的高亮度的清晰圖像。

3觀察樣品的景深大，視場(chǎng)大，圖像富有立體感，可直接觀察起伏較大的粗糙表面和試樣凹凸不平的金屬斷口象等，使人具有親臨微觀世界現(xiàn)場(chǎng)之感。

4樣品制備簡單，只要將塊狀或粉末狀的樣品稍加處理或不處理，就可直接放到掃描電鏡中進(jìn)行觀察，因而更接近于物質(zhì)的自然狀態(tài)。

5可以通過電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像質(zhì)量，如亮度及反差自動(dòng)保持，試樣傾斜角度校正，圖象旋轉(zhuǎn)，或通過Y調(diào)制改善圖象反差的寬容度，以及圖象各部分亮暗適中。采用雙放大倍數(shù)裝置或圖象選擇器，可在熒光屏上同時(shí)觀察放大倍數(shù)不同的圖象。

6可進(jìn)行綜合分析。裝上波長色散X射線譜儀(WDX)或能量色散X射線譜儀(EDX)，使具有電子探針的功能，也能檢測(cè)樣品發(fā)出的反射電子、X射線、陰極熒光、透射電子、俄歇電子等。把掃描電鏡擴(kuò)大應(yīng)用到各種顯微的和微區(qū)的分析方式，顯示出了掃描電鏡的多功能。另外，還可以在觀察形貌圖象的同時(shí)，對(duì)樣品任選微區(qū)進(jìn)行分析；裝上半導(dǎo)體試樣座附件，通過電動(dòng)勢(shì)象放大器可以直接觀察晶體管或集成電路中的PN結(jié)和微觀缺陷。由于不少掃描電鏡電子探針實(shí)現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)和半自動(dòng)控制，因而大大提高了定量分析的速度。

掃描電子顯微鏡優(yōu)勢(shì)

（1）能直接觀察大尺寸試樣的原始表面。其能夠直接觀察尺寸可大到直徑為100mm，高50mm，或更大尺寸的試樣，對(duì)試樣的形狀沒有任何限制，粗糙表面也能觀察。

（2）試樣在樣品室中可動(dòng)的自由度非常大。其它方式顯微鏡的工作距離通常只有2～3mm，故實(shí)際上只允許試樣在兩度空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。但在SEM由于工作距離大，焦深大，樣品室的空間也大，這對(duì)觀察不規(guī)則形狀試樣的各個(gè)區(qū)域細(xì)節(jié)帶來無比的方便。

（3）觀察試樣的視場(chǎng)大。若采用30cm的顯像管，放大倍數(shù)為10倍時(shí)，其視場(chǎng)范圍可達(dá)30mm。

（4）焦深大，圖像富立體感。SEM的焦深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡大幾百倍。由于圖像景深大，故所得掃描電子像富有立體感。

（5）掃放大倍數(shù)的可變范圍很寬，且不用經(jīng)常對(duì)焦。SEM的放大倍數(shù)范圍很寬，且一次聚焦好后即可從低倍到高倍，或低倍到高倍連續(xù)觀察，不用重新聚焦。

（6）在觀察厚塊試樣中，它能得到的較高的分辨率和最真實(shí)形貌。對(duì)厚塊試樣進(jìn)行觀察，TEM鏡中要采用復(fù)膜方法，而復(fù)膜的分辨率通常只能達(dá)10nm，且觀察并不是試樣本身。因此，用SEM觀察厚塊試樣更有利，更能得到真實(shí)的試樣表面資料。

（7）因電子照射而發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小。觀察時(shí)所用的電子探針電流小，電子探針的束斑尺寸小，電子探針的能量也比較小，而且是以光柵狀掃描方式照射試樣，因此，由于電子照射而發(fā)生試樣的損傷和污染程度很小。

（8）能進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察。可以通過連接電視裝置，觀察相變、斷裂等動(dòng)態(tài)的變化過程。

（9）可以從試樣表面形貌獲得多方面資料?？梢酝ㄟ^信號(hào)處理方法，獲得多種圖像的特殊顯示方法，可以從試樣的表面形貌獲得多方面資料。

（10）SEM除了觀察表面形貌外，還能進(jìn)行成分和元素的分析。采用三透鏡式的SEM還可以通過電子通道花樣進(jìn)行結(jié)晶學(xué)分析。由于掃描電鏡具有上述特點(diǎn)和功能，所以頗受科研工作者的重視，用途日益廣泛。

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深圳善時(shí)掃描電子顯微鏡SS-150

- 最大放大倍率15萬倍

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經(jīng)過團(tuán)隊(duì)2年的艱苦努力，善時(shí)儀器公司為了滿足更多客戶的需求，我們已推出升級(jí)產(chǎn)品，SS-150系列電子顯微鏡。此系列電子顯微鏡配置高等，我們主要著眼于經(jīng)濟(jì)適用，更適合于在國內(nèi)中高客戶群體內(nèi)做普及性推廣。

對(duì)于此系列的小型SEM，我們自行設(shè)計(jì)制造了電子槍系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)，真空組件，軟件等等，我們盡可能自己制造了除真空泵和電子元器件外的全部部件，所有傾注的心血主要是為產(chǎn)品下一步的技術(shù)升級(jí)做到盡可能多的技術(shù)儲(chǔ)備。

作為國內(nèi)一個(gè)自主研發(fā)的儀器公司，我們投入了大部分精力在做掃描電子顯微鏡的項(xiàng)目，我們目的很明確，就是要盡可能做到在同等技術(shù)級(jí)別的平臺(tái)下不落后國際上的前輩產(chǎn)品。我們還會(huì)像能譜儀(ED-XRF)一樣，一步一個(gè)腳印的為國內(nèi)廠家、大學(xué)和研發(fā)機(jī)構(gòu)等做好每一臺(tái)產(chǎn)品。希望我們的產(chǎn)品能夠?yàn)槲覀冎袊找媾畈难邪l(fā)工作做出微薄之力。