30個電鏡行業基礎知識快問快答

掃描電子顯微鏡（SEM）是一種高分辨率的電子顯微鏡，用于觀察物體的表面結構。以下是關于SEM的30條基礎知識，你都知道嗎？

1、什么是SEM？

       答：SEM是掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope）的縮寫。不同于傳統的光學顯微鏡，SEM使用電子束作為“照射光源”。電子束被聚焦到樣品上，然后系統掃描樣品并捕獲由樣品反射或發出的電子信號。這些信號隨后被轉化為圖像，反映了樣品的表面拓撲、組成或其他特性。SEM是許多領域，如材料科學、生物學和工業檢查中的關鍵工具。

2、SEM與常規光學顯微鏡有什么不同？

       答：SEM與光學顯微鏡的主要差異在于它們使用的“光源”。光學顯微鏡使用可見光照射樣品，而SEM使用電子束。因為電子的波長遠小于可見光，SEM可以達到遠超過光學顯微鏡的分辨率。此外，SEM提供的是樣品表面的三維圖像，這得益于電子與樣品表面的相互作用方式，而光學顯微鏡給出的是透視的二維圖像。

3、SEM的分辨率如何？
       答：SEM的分辨率主要受到電子束直徑、電子與樣品的相互作用體積以及檢測器的性能影響。一般來說，常規SEM可以達到1到10納米的分辨率。但這與所用設備、操作條件和樣品種類都有關系。例如，當使用場發射槍和超高真空條件時，某些SEM可以達到亞納米級分辨率。

4、為什么SEM可以提供三維的表面圖像？
       答：SEM生成的圖像基于樣品表面與入射電子束的相互作用。這些相互作用不僅僅發生在表面，還發生在樣品內部，但表面近處的相互作用最為強烈。因此，SEM的圖像捕獲了樣品表面的微小細節和紋理，產生了一種天然的三維視覺效果。與光學顯微鏡相比，SEM圖像顯示的是樣品的實際表面拓撲，而非由兩個維度投影得到的形態。

5、什么是二次電子？
       答：二次電子是指當SEM的入射電子束撞擊樣品表面時，從樣品中被激發出來的低能電子。它們的能量通常小于50電子伏特。當電子束撞擊樣品時，它會將其部分能量傳遞給樣品原子中的電子，導致這些電子獲得足夠的能量從原子中逸出。這些逸出的電子被稱為二次電子。由于二次電子主要來源于樣品表面的微小區域，它們為產生高分辨率的SEM圖像提供了關鍵信息。

6、SEM的樣品需要特殊處理嗎？
       答：樣品的準備對于獲得高質量的SEM圖像至關重要。對于非導電樣品，為了避免在電子束照射下產生的電荷積累，通常需要對樣品表面進行涂層，覆蓋一層薄薄的導電金屬，如金或碳。這有助于導出任何在樣品上積累的電荷，從而避免圖像失真。此外，由于SEM在高真空下工作，所以樣品必須能夠承受真空條件。對于生物樣品，常常需要經過固定、脫水和干燥的步驟，以保持其形態并使其適應真空環境。

7、SEM工作原理是什么？
       答：SEM的核心原理是使用一個電子槍產生一個高能的電子束。這個電子束經過系列電磁透鏡聚焦后，以一種有序的方式掃描樣品表面。當電子束與樣品相互作用時，樣品會發射或反射出各種電子（如二次電子和背散射電子）。這些電子被檢測器捕獲，并轉換為電信號。然后，這些信號被放大并顯示在顯示器上，形成一幅代表樣品表面特性的圖像。

8、什么是背散射電子？
       答：背散射電子是由入射電子束與樣品內部原子的核心發生彈性碰撞而反射回的電子。與二次電子相比，背散射電子具有較高的能量，因為它們基本上是被樣品原子的核反彈出來的入射電子。背散射電子的產生與原子號（或原子核電荷）有關。這意味著，較重的元素（如金、鉛等）會產生更多的背散射電子。因此，使用背散射電子探測器，我們可以獲得關于樣品的元素組成的信息。

9、SEM圖像為什么是黑白的？
       答：SEM圖像是基于從樣品中收集的電子信號生成的。這些電子信號本身不帶有顏色信息，因此，生成的圖像是灰度的。顏色在這里是對亮度的一個表示，其中亮度是由樣品上電子的數量決定的。然而，為了特定的科學或可視化目的，人們經常使用假色技術為SEM圖像上色。

10、SEM可以提供化學組成信息嗎？
       答：是的，盡管SEM主要是用來獲取形態信息，但通過與能量散射X射線光譜儀（EDS或EDX）的結合，可以得到樣品的化學組成信息。當電子束撞擊樣品時，會激發樣品中的原子發射特定的X射線，這些X射線的能量和樣品中的元素類型有關。通過分析這些X射線，我們可以確定樣品的元素組成。

11、電子束與樣品的相互作用會導致樣品損傷嗎？
       答：是的，尤其是對于某些敏感或有機的樣品，電子束可能會導致輻射損傷。這種損傷可能表現為局部的加熱、化學結構的變化或其他形式的物理變化。為了最小化這種損傷，可以通過調整電子束的參數、使用低束流或減少照射時間等方式。

12、在SEM下可以觀察液態樣品嗎？
       答：傳統的SEM需要在高真空條件下運行，這意味著液態樣品需要先進行干燥或冷凍處理。但是，隨著技術的進步，已經開發出了環境掃描電子顯微鏡（ESEM），它可以在較高的壓力下工作，使得觀察液態、濕態或冷凍樣品成為可能。

13、樣品的大小會影響SEM觀察嗎？
       答：樣品的大小確實會影響SEM的觀察，特別是在其尺寸接近或超過SEM樣品艙的大小時。大多數SEM都有樣品尺寸的限制。此外，樣品的形狀和高度也可能會影響電子束的聚焦和掃描。過高的樣品可能會導致由于工作距離問題而無法正常觀察。

14、如何解釋SEM圖像的對比度？
       答：SEM圖像的對比度來源于樣品表面不同區域電子產生和檢測的差異。對比度可以由樣品的拓撲、成分、電荷狀態、電子束參數和其他因素影響。例如，不同材料的界面，由于材料的電子產生和射出特性不同，會在SEM圖像上顯示出明顯的對比度。

15、為什么需要將非導電樣品進行涂層？
       答：當非導電樣品受到電子束的照射時，電子會在樣品表面積累，因為它們無法被有效地導出。這會導致電荷積累，從而導致圖像失真、漂移或其他問題。通過將樣品涂覆一層薄薄的導電材料（如金、銀或碳），可以有效地減少或消除這種電荷積累，從而獲得清晰、無失真的圖像。

16、SEM如何實現深度的焦點？
       答：由于SEM使用的電子束具有很小的波長，它能夠產生深度上的大焦點范圍。這使得SEM能夠在一個給定的圖像上展示很大的深度清晰度，即使是復雜和粗糙的樣品表面也能夠清晰顯示。此外，通過調整工作距離和電子束的加速電壓，可以進一步優化深度的焦點。

17、SEM可以實時觀察樣品嗎？
        答：是的，SEM可以實時觀察樣品。當電子束掃描樣品時，檢測器會即時收集來自樣品的信號，并將其轉化為圖像。這種實時成像能力對于觀察動態過程或進行實時操作（如納米操縱）是非常有價值的。

18、SEM的操作需要特殊的訓練嗎？
       答：正確操作SEM確實需要專門的訓練。雖然現代的SEM通常具有用戶友好的界面和自動化功能，但為了獲得最佳的圖像質量和確保設備的長壽命，操作者需要對SEM的基本原理、樣品制備技術和潛在的樣品特點以及電子束相互作用有深入的理解。此外，為了安全使用高壓和真空系統，也需要特定的訓練和知識。

19、SEM中的“工作距離”是什么意思？
       答：在SEM中，工作距離（WD）是指最后一個透鏡和樣品表面之間的距離。工作距離對圖像的分辨率、深度焦點和信號的收集都有影響。通常，較短的工作距離可以提供更高的分辨率，但可能會限制對樣品的觀察區域，特別是對于較大或凸起的樣品。

20、SEM下的樣品可以移動嗎？
       答：SEM的樣品艙內通常配備有一個機械臺，允許在X、Y和Z軸上移動樣品。這使得操作者可以選擇和調整感興趣的區域，同時調整樣品的高度以確保其處于最佳的焦點位置。對于某些復雜的應用，還可能需要旋轉或傾斜樣品，以獲得不同的觀察角度。

21、為什么有些SEM配備了金屬探針？
       答：金屬探針常用于納米操作或納米電刻技術。當與SEM結合時，這些探針可以在電子顯微鏡的實時監控下進行精確操作，如移動納米顆粒、創建納米結構或甚至測量納米級的電學特性。

22、SEM能夠測量樣品的電學性質嗎？
       答：雖然傳統的SEM主要用于形貌觀察，但通過與其他技術的結合，例如電導率探針，SEM可以用來測量樣品的電學特性。這種方法常用于半導體研究，以在納米尺度上研究材料或設備的電學行為。

23、SEM中常聽說的“真空”有什么作用？
       答：在SEM中，真空環境對于電子束的產生和傳輸至樣品表面至關重要。在空氣或其他氣體存在的條件下，電子會與氣體分子相互作用，導致散射和能量損失，從而降低圖像質量。真空環境確保電子束的穩定性和高分辨率成像。

24、可以使用SEM觀察生物樣品嗎？
       答：可以。但由于生物樣品主要是由水分和有機物質組成，所以在傳統SEM的高真空環境下，它們可能會干燥、收縮或發生結構變化。為了減少這些問題，樣品通常需要經過特殊的處理，如固定、脫水和涂層。ESEM（環境掃描電子顯微鏡）則允許在較高的壓力和濕度條件下觀察，這對于觀察水合或部分水合的生物樣品是非常方便的。

25、SEM圖像中的放大倍數是如何控制的？
       答：在SEM中，放大倍數是通過改變電子束掃描樣品表面的面積來控制的。當電子束掃描一個較小的區域時，得到的圖像就有更高的放大倍數。大多數SEM都允許用戶輕松地調整放大倍數，從相對較低的放大（如10x或100x）到非常高的放大（如100,000x或更高）。

26、SEM的分辨率是如何確定的？
       答：分辨率是描述顯微鏡能夠區分兩個接近的物體為單獨實體的能力。在SEM中，分辨率由多個因素決定，包括電子束的直徑、樣品的性質以及使用的檢測器類型。理論上，更小的電子束直徑可以提供更高的分辨率。然而，在實踐中，由于樣品漂移、電子束穩定性和其他因素的影響，可能不會總是達到最優分辨率。

27、為什么需要在SEM觀察之前將樣品放在一個特定的位置？
       答：樣品的定位是為了確保電子束可以有效地與其相互作用，同時也使檢測器可以從正確的角度收集由樣品散射或發射的信號。正確的樣品定位也確保了其不會干擾電子束的路徑或與顯微鏡的其他部分相撞。

28、在SEM中使用的電子是如何產生的？
       答：在SEM中，電子是由一個電子槍產生的，通常使用鎢或場發射源。當這些源被加熱或施加一個強電場時，它們會釋放電子。這些電子然后被加速并通過一系列電磁透鏡聚焦成一個細束，之后這個電子束被引導到樣品上。

29、在SEM中如何控制電子束的能量？
       答：電子束的能量是通過調整其加速電壓來控制的。加速電壓越高，電子的能量就越高。不同的應用和樣品可能需要不同的電子束能量。例如，為了獲得表面的高分辨率圖像，可能會使用低能量的電子束；而對于深層或散射信號的分析，則可能需要更高的能量。

30、為什么有些樣品需要在觀察之前進行涂層？
       答：非導電樣品在被電子束照射時可能會積累電荷。這些積累的電荷會影響電子束和故障圖像的質量。為了消除這一問題，可以在樣品表面涂上一層導電材料，如金、銀或碳。這層涂層可以為樣品提供一個導電路徑，從而允許電荷離開樣品，確保清晰、穩定的圖像獲取。