如果说透射电子显微镜（TEM）是深入物质内部的“探针”，那么扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）就是洞察物质表面的“火眼金睛”。SEM以其高分辨率、大景深、多功能的特点，成为材料科学、生命科学、纳米技术等众多领域研究中不可或缺的表征手段。
技术介绍
SEM是一种利用聚焦电子束在样品表面扫描成像的显微技术。其基本原理是：电子枪发射出高能电子束，经过一系列电磁透镜的会聚，形成一束直径很小（几纳米到几十纳米）的电子探针。扫描线圈控制电子探针在样品表面逐行逐点扫描。当电子束与样品相互作用时，会产生多种信号，包括：
- 二次电子（Secondary Electrons, SE）：被入射电子激发的样品原子中的外层电子，能量较低（通常小于50 eV）。二次电子产额与样品表面形貌有关，是SEM最常用的成像信号。
- 背散射电子（Backscattered Electrons, BSE）：被样品原子核反向散射的入射电子，能量较高。背散射电子产额与样品原子的序数有关，可以用来区分不同元素或相。
- X射线：被入射电子激发的样品原子内层电子跃迁时产生的特征X射线，可以用于元素分析（能谱仪，EDS/EDX）。
- 俄歇电子: 被入射电子激发的样品原子内层电子跃迁后发射的电子.
- 阴极荧光: 电子束激发样品产生的可见光或紫外光.
SEM通过探测器收集这些信号，经过放大和处理，转换成图像，显示在屏幕上。
SEM的主要成像模式包括：
- 二次电子像（SEI）：提供样品表面形貌的高分辨率图像，景深大，立体感强。
- 背散射电子像（BEI）：提供样品表面成分衬度图像，可以区分不同元素或相。
SEM还可以与能谱仪（EDS/EDX）联用，进行微区成分分析；与电子背散射衍射（EBSD）系统联用，分析晶体取向、织构等。
应用领域
- 材料科学：
- 断口分析：观察金属、陶瓷、高分子等材料的断裂表面，分析断裂原因和机制。
- 磨损、腐蚀研究：观察材料的磨损和腐蚀表面，评估材料的耐磨性和耐腐蚀性。
- 显微结构观察：观察材料的微观组织、相结构、晶粒尺寸等。
- 薄膜和涂层分析: 测量厚度、观察界面。
- 焊接质量评估: 观察焊缝形貌和缺陷.
- 纳米科技：
- 纳米材料形貌观察：观察纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米薄膜等纳米材料的形状、尺寸和分布。
- 半导体工业：
- 器件失效分析：观察半导体器件的缺陷、损伤、污染等，分析失效原因。
- 线宽测量：测量半导体器件的特征尺寸。
- 工艺监控: 检测芯片制造过程中的缺陷.
- 生命科学：
- 细胞和组织观察：观察细胞、组织、细菌、病毒等样品的表面形貌（通常需要冷冻、干燥、喷金等特殊处理）。
- 生物材料: 观察生物材料的表面形貌, 多孔结构等.
- 地质学：
- 矿物和岩石分析：观察矿物和岩石的形貌、结构和组成。
- 刑侦科学:
- 微量物证分析: 分析残留物, 纤维, 颗粒等.
- 其他:
- 纺织品, 考古, 文物鉴定等领域.
样品要求
- 导电性：样品表面必须具有良好的导电性，以防止电子束照射时产生荷电效应。对于非导电样品，通常需要进行喷金、喷铂、喷碳等导电处理。
- 干燥：样品必须干燥，无挥发性物质。水分或其他挥发性物质在真空环境下会挥发，影响真空度和成像质量，甚至污染仪器。
- 尺寸：样品尺寸要适合样品室的大小。不同型号的SEM样品室尺寸不同，通常可以容纳几毫米到几十厘米的样品。
- 稳定性: 样品在电子束照射下要保持稳定.
常见问题
- 荷电效应： 非导电样品在电子束照射下会积累电荷，导致图像亮度异常、漂移、畸变等。
- 解决方案：
- 对样品进行喷金、喷铂、喷碳等导电处理。
- 降低加速电压。
- 使用低真空模式（对于支持低真空模式的SEM）。
- 使用环境扫描电镜（ESEM）。
- 解决方案：
- 样品损伤： 高能电子束可能对样品造成损伤，特别是对于生物样品、高分子材料等。
- 解决方案：
- 降低加速电压和束流。
- 缩短观察时间。
- 使用冷冻SEM。
- 解决方案：
- 图像分辨率低：
- 解决方案:
- 优化电子光学系统参数（加速电压、束流、物镜光阑等）。
- 减小工作距离。
- 提高样品导电性。
- 使用更高分辨率的探测器。
- 样品表面有污染物, 清洁样品.
- 解决方案: