扫描电镜技术在材料领域发挥着尤其重要的作用，广泛应用于各种材料的形态结构、界面条件、损伤机制和材料性能预测。今天，小分析姐姐将与您讨论材料检测表征方法的扫描电镜技术。

  自1965年首台商品扫描电镜问世以来，经过40多年的不断提高，扫描电镜的分辨率从**台开始25nm到现在为止0.01nm，而且大多数扫描电镜都能与X射线波谱仪，X射线能谱仪等组合已成为对表面微观世界进行全面分析的多功能电子显微仪器。

  使用扫描电镜可以直接研究晶体缺陷及其生产过程，观察金属材料中原子的收集和真实边界，观察边界在不同条件下移动的方式，以及表面机械加工中晶体造成的损伤和辐射损伤。

 1、扫描电镜的结构和主要性能

 扫描电镜可大致分为镜子和电源电路系统。镜子部分由电子光学系统、信号收集和显示系统和真空抽气系统组成。

 (1)电子光学系统

 它由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室组成。它的功能是扫描电子束作为信号的刺激源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的斑点直径。

 (2)信号收集和显示系统

 检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后通过视频放大作为显像系统的调制信号。电子探测器现在被广泛使用，由闪烁体、光导管和光电倍增器组成。

 (3)真空系统

 真空系统的作用是保证电子光学系统的正常运行，防止样品污染，一般需要保持10-4~10-5Torr的真空度。

 (4)电源系统

 电源系统由稳压、稳流和相应的安全保护电路组成，其功能是提供扫描电镜各部分所需的电源。

 （5）各类显微镜主要性能的比较

2、扫描电镜的工作原理

扫描电子枪发射的电子束在加速电压的作用下，通过磁透镜系统聚集形成直径5nm，电子光学系统由两到三个电磁透镜组成，电子束聚焦在样品表面。在更后一个透镜上安装了一个扫描线圈，使电子束在样品表面扫描。由于高能电子束与样品材料的互动，产生了各种信息：二次电子、背反射电子、吸收电子、X辐射、俄罗斯休息电子、阴尤发光和透射电子等。这些信号被相应的接收器接收，放大后发送到显像管的栅尤，以调节显像管的亮度。由于扫描线圈上的电流对应于显像管的亮度，也就是说，当电子束击中样品时，显像管荧光屏上出现亮点。

扫描电镜采用逐点成像的方法，将样品表面的不同特征按顺序成比例转换为视频信号，完成一帧图像，从而在荧光屏上观察样品表面的各种特征图像。

(1)扫描电镜衬里图像

a.二次电子像

核外电子在入射电子束的作用下被轰击并离开样品表面，称为二次电子。这是真空中的自由电子。二次电子通常在表面5~10 nm它对样品的表面形状非常敏感，因此可以非常有效地显示样品的表面形状。二次电子产量与原子序数之间没有明显的依赖性，因此不能用于成分分析。

b.背散射电子图像

背散射电子是固体样品中原子核反弹的部分入射电子。背散射电子来自样品表面数百纳米的深度范围。由于其生产能力随着样品原子序数的增加而增加，不仅可以用形态分析，还可用于显示原子序数的衬里，并定性地用于成分分析。

背散射电子信号的强度远低于二次电子，因此粗糙表面的原子序数衬里往往被形状衬里所掩盖。

(2)扫描电镜附件

扫描电镜通常配有波谱仪或能谱仪。波谱仪和能谱仪不能相互替代，只能相互补充。

使用布拉格方程波谱仪2dsinθ=λ，从样了试样X射线具有适当的晶体分光和不同的波长特征X射线将有不同的衍射角2θ。波谱仪是微区成分分析的有力工具。波谱仪的波长分辨率很高，但由于X射线利用率低，使用范围有限。

使用能谱仪X对于某一元素，光量子的能量分析方法不同X主量子数为光量子n1层跃迁至主量子数为n2在层上，有特定的能量ΔE=En1-En2。能谱仪分辨率高，分析速度快，但分辨能力差，经常有谱线重叠，低含量元素分析精度差。

与波谱仪相比，能谱仪的优缺点：能谱仪检测X射线效率高。 能谱仪的结构比波谱仪简单，没有机械传动部件，稳定性和重复性好。 能谱仪不需要聚焦，所以对样品表面没有特殊要求。

但能谱仪的分辨率低于波谱仪；能谱仪的探头要保持在低温状态，因此要始终用液氮冷却。

3、样品制备技术

与透射镜相比，扫描镜的样品制备相对简单。在保持材料原始形状的情况下，可以直接观察和研究样品的表面形状和其他物理效果（特征），这是扫描镜的突出优势。扫描镜的样品技术是透射镜、光学显微镜和电子探针X基于射线显微分析和样品技术的发展，有些方面也有透射镜样品技术，所使用的设备基本相同。但由于扫描电镜有自己的特点和观察条件，仅仅引用现有的样品方法是不够的。扫描电镜的特点是：

①对不同尺寸的固体(块、膜、颗粒)进行观察，并可直接在真空中观察。

②样品应具有良好的导电性，无导电样品，其表面一般需蒸涂一层金属导电膜。

③样品表面一般起伏(凹凸)较大。

④制样方法因观察方法而异。

⑤样品制备与加速电压、电子束流、扫描速度(方法)等观察条件的选择密切相关。

样品的导电性要求是上述项目中更重要的条件。扫描电镜观察时，如果样品表面不导电或导电性差，会产生电荷积累和放电，使入射电子束偏离正常路径，更终导致图像不清晰，甚至无法观察和拍照。

关键技术参数

▲1.组成：主机（包括真空设备、电子光学设备、检测器、二次电子探头、背散射电子探头、至少包含明场和暗场与高角度暗场的STEM探头、浸没式物镜等）、冷却循环水机、能谱仪、控制设备、离子溅射仪、标准工具及附件。

▲2.适于观测不导电介孔材料的孔道结构和三维形貌，能够对材料进行高分辨微区成分分析

▲3. 适于观测生物样品和磁性样品，生物样品分辨率不低于0.8nm@1kV，磁性样品分辨率不低于1nm@1kV

★4.分辨率：高电压优于0.8 nm（15 kV）、低电压优于1.1 nm（1 kV），STEM分辨率优于 0.8nm；能够清晰观测到不导电样品的3纳米的孔道，提供相应的图片证据

5. 电子光学部件

（1）电子枪：长寿命、高稳定性的场发射电子枪；保证寿命一年，平均寿命不少于3年

（2）加速电压：0.02~30 kV，连续可调

（3）物镜光阑：可调式，自清洁

★6.探测器：不少于3个，包括二次电子探测器、背散射电子探测器和STEM探测器（包括明场、暗场和高角暗场功能）

▲7. 能够收集不同角度的背散射电子和二次电子信号的探测器

8.样品室和样品台

（1）多轴马达驱动样品台

（2）移动范围：X ≥ 50 mm   Y ≥ 50 mm   Z ≥ 20mm

（3）连续旋转：R=360度；倾斜角T：范围不小于-5o～60o

9.真空度和数字图像处理

（1）电子枪真空度：优于1×10^-8 Pa；样品室真空度：优于1×10^-3 Pa；

（2）最大扫描和成像2560×1920像素以上

（3）图像显示：1920×1200像素，24” LCD显示器

10.自动离子溅射仪一套，要求进口机型。基本参数要求：

（1）样品仓尺寸大于100*80 mm，不锈钢结构；样品台可放置至少标准SEM样品座，高度在50 mm以内可调

（2）电源：200-240 VAC，50/60 Hz；功率：1000VA

（3）模拟计量：真空 Atm - 0.01mb  电流: 0 - 200A

（4）溅射控制：微处理器控制，安全可锁，可调，最大电流30 mA以上

（5）多种靶材可选，标配为Au靶

（6）自动气体换气和泄气功能，自动处理排序

▲11. 能谱仪（EDS）一套（要求进口机型），可与扫描电镜配套使用，用于材料的微区成分分析

（1）探测器：分析型SDD硅漂移电制冷探测器，有效面积至少80mm²，能谱空间分辨率高，超薄窗设计, 无需液氮冷却，仅消耗电能。

（2）能量分辨率：Mn Ka保证优于127eV, 元素分析范围: Be4～Cf98。

（3）圆形对称芯片，独立封装FET场效应管，避免X射线轰击，峰背比20,000:1

（4）谱峰稳定性：1,000cps到100,000cps，Mn Ka峰谱峰漂移小于1eV，分辨率变化小于1eV, 48小时内峰位漂移小于1.5eV

（5）具备零峰修正功能, 可以快速稳定谱峰, 开机后无需重新修正峰位。

（6）探测器自动伸缩，精确定位，无需手摇。

（7）能谱仪处理器与计算机采用分立式设计，电子图像清晰度8192*8192，全谱面分布图清晰度4096*4096。

（8）图像灰度、对比度自动调节，二次电子像及背散射像可同时采集

（9）能谱应用软件采用最新的AZtec平台，基于Win7 技术，多线程设计，导航器界面, 支持用户自定义模式及账户管理，支持分屏显示及远程控制，支持中、英文等多种操作界面

（10）高帽滤波法，自动扣除背底

（11）谱定性分析:可自动标识谱峰, 无禁止自动标定的元素，可进行谱重构，对重叠峰进行手动峰剥离

（12）定量分析: 可对抛光表面或粗糙表面定量分析。采用XPP定量修正技术, 可对倾斜样品进行修正, 并增强对轻元素的修正; 具有完备的虚拟标样库; 具备有标样定量分析及无标样定量分析方法; 可以得到归一化和非归一化定量结果, 可以用化学配位法得到非归一化结果。用户也可以自己建立标样库。

（13）具备全谱面分布和全谱线扫描分析功能。一次面分布分析即可存储样品每一扫描位置(x, y)的所有元素的信息, 用户随后可以在离线状态下从图像上的任何位置重建谱图和面分布图.

（14）可将电镜图象传输到能谱仪的显示器上,并以该图为中心做微区分析,可选择点, 矩形, 任意不规则区域进行分析。并且可提前设定任意多点或区域，能谱可依次进行自动分析

（15） 实验报告:多种输出格式, 单键可生成Word文档, 及HTML格式。

▲12. 整机保修期至少两年

▲13. 在1根原配灯丝的基础上再多配1-2备用灯丝

14. 电源控制器，要求进口机型，配合主机使用。基本参数：

（1）功率6kvA

（2）整机工作续航续航大于一小时，机器standby状态下续航三天以上

15. 冷却循环水机，配合主机使用。基本参数：

（1）工作电压230V，频率50/60 Hz，电流10A

（2）持续冷却温度范围5-40 oC，控温精度为0.1 oC

（3）冷却功率大于1100-1300W

16. 空压机，要求进口机型，配合主机使用。基本参数：

（1）功率 0.3 KW以上，噪音小于50 dB

（2）排气量大于40 L/min，储气罐容积4L及以上

（3）最大压力 8 Bar以上

17. 智能控制单元，配合电镜主机使用，基本参数：

（1）CPU类型Xeon E5-1630 v3及以上，CPU主频3.7 GHz及以上

（2）内存容量16G及以上，内存类型DDR4

（3）硬盘类型 SATA，容量1T以上，转速7200转

（4）操作界面Windows 7专业版64及以上

18. 手动操作面板，配合电镜主机使用，基本功能：能够实现粗聚焦，细聚焦，像散调节，放大倍率，亮度，对比度调节旋钮，电子束移动旋钮

部分样品制样方案

　　一、样品要求

　　1.粉末样品基本要求

　　(1)单颗粉末尺寸最好小于1μm；

　　(2)无磁性；

　　(3)以无机成分为主，否则会造成电镜严重的污染，高压跳掉，甚至击坏高压枪；

　　2.块状样品基本要求

　　(1)需要电解减薄或离子减薄，获得几十纳米的薄区才能观察；

　　(2)如晶粒尺寸小于1μm，也可用破碎等机械方法制成粉末来观察；

　　(3)无磁性；

　　(4)块状样品制备复杂、耗时长、工序多、需要由经验的老师指导或制备；样品的制备好坏直接影响到后面电镜的观察和分析。所以块状样品制备之前，最好与TEM的老师进行沟通和请教，或交由老师制备。

　　二、送样品前的准备工作

　　1.目的要明确：(1)做什么内容(如确定纳米棒的生长方向，特定观察分析某个晶面的缺陷，相结构分析，主相与第二相的取向关系，界面晶格匹配等等)；(2)希望能解决什么问题；

　　2.样品通过X-Ray粉末衍射(XRD)测试、并确定结构后，再决定是否做HRTEM；这样即可节省时间，又能在XRD的基础上获得更多的微观结构信息。

　　3.做HRTEM前，请带上XRD数据及其他实验结果，与HRTEM老师进行必要的沟通，以判断能否达到目的；同时HRTEM老师还会根据您的其他实验数据，向您提供好的建议，这样不但能满足您的要求，甚至使测试内容做得更深，提高论文的档次。

　　三、粉末样品的制备

　　1.选择高质量的微栅网(直径3mm)，这是关系到能否拍摄出高质量高分辨电镜照片的第一步；(注：高质量的微栅网目前本实验室还不能制备，是外购的，价格20元/只；普通碳膜铜网免费提供使用。)

　　2.用镊子小心取出微栅网，将膜面朝上(在灯光下观察显示有光泽的面，即膜面)，轻轻平放在白色滤纸上；

　　3.取适量的粉末和乙醇分别加入小烧杯，进行超声振荡10-30min，过3-5 min后，用玻璃毛细管吸取粉末和乙醇的均匀混合液，然后滴2-3滴该混合液体到微栅网上(如粉末是黑色，则当微栅网周围的白色滤纸表面变得微黑，此时便适中。滴得太多，则粉末分散不开，不利于观察，同时粉末掉入电镜的几率大增，严重影响电镜的使用寿命；滴得太少，则对电镜观察不利，难以找到实验所要求粉末颗粒。建议由老师制备或在老师指导下制备。)

　　4.等15 min以上，以便乙醇尽量挥发完毕；否则将样品装上样品台插入电镜，将影响电镜的真空。

　　四、块状样品制备

　　1.电解减薄方法

　　用于金属和合金试样的制备。(1)块状样切成约0.3mm厚的均匀薄片；(2)用金刚砂纸机械研磨到约120-150μm厚；(3)抛光研磨到约100μm厚；(4)冲成Ф3mm 的圆片；(5)选择合适的电解液和双喷电解仪的工作条件，将Ф3mm 的圆片中心减薄出小孔；(6)迅速取出减薄试样放入无水乙醇中漂洗干净。

　　注意事项：

　　(1)电解减薄所用的电解液有很强的腐蚀性，需要注意人员安全，及对设备的清洗；

　　(2)电解减薄完的试样需要轻取、轻拿、轻放和轻装，否则容易破碎，导致前功尽弃；

　　2. 离子减薄方法

　　用于陶瓷、半导体、以及多层膜截面等材料试样的制备。块状样制备(1)块状样切成约0.3mm厚的均匀薄片；(2)均匀薄片用石蜡粘贴于超声波切割机样品座上的载玻片上；(3)用超声波切割机冲成Ф3mm 的圆片；(4)用金刚砂纸机械研磨到约100μm厚；(5)用磨坑仪在圆片中央部位磨成一个凹坑，凹坑深度约50-70μm，凹坑目的主要是为了减少后序离子减薄过程时间，以提高最终减薄效率；(6)将洁净的、已凹坑的Ф3mm 圆片小心放入离子减薄仪中，根据试样材料的特性，选择合适的离子减薄参数进行减薄；通常，一般陶瓷样品离子减薄时间需2-3天；整个过程约5天。

　　注意事项：

　　(1)凹坑过程试样需要精确的对中，先粗磨后细磨抛光，磨轮负载要适中，否则试样易破碎；

　　(2)凹坑完毕后，对凹坑仪的磨轮和转轴要清洗干净；

　　(3)凹坑完毕的试样需放在丙酮中浸泡、清洗和凉干；

　　(4)进行离子减薄的试样在装上样品台和从样品台取下这二过程，需要非常的小心和细致的动作，因为此时Ф3mm薄片试样的中心已非常薄，用力不均或过大，很容易导致试样破碎。

　　(5)需要很好的耐心，欲速则不达。