介绍
扫描电子显微镜(SEM)是一种强大的成像技术，彻底改变了我们在微米和纳米尺度上可视化和分析材料的方式。SEM的应用涵盖材料科学、生物学和地质学等不同领域，已成为研究人员和行业专业人士不可或缺的工具。扫描电子显微镜提供高分辨率图像，可深入了解各种样品的结构、成分和特性。这些特性使SEM成为多种应用的有用技术，包括生物学、工程和法医学。
扫描电子显微镜基础知识
扫描电子显微镜(SEM)依靠聚焦电子束和样品之间的相互作用来生成高分辨率图像。与其他显微技术相比，SEM的主要优势之一是它能够实现更高的分辨率，通常在1-10纳米范围内。一些SEM的分辨率可以达到1纳米以上。这使得研究人员能够研究样品表面形貌、成分和其他特性的细节。
电子束的产生以及与样品的相互作用
在SEM中，阴极是电子束源。电子束由电子源产生，通常是钨丝或电子枪。电子源通过称为热电子发射或场发射的过程发射电子，具体取决于源的类型。然后发射的电子被电场加速并使用一系列电磁透镜聚焦成窄光束。驱动电荷称为加速电压。电子通过真空柱被加速至高能量，通常在1至0kV之间。[2]电子束以光栅图案扫描样品表面，从而可以收集样品上每个点的信息。
当电子束与样品相互作用时，会产生各种信号，包括二次电子、背散射电子和特征X射线。
由于入射电子的非弹性散射，二次电子从样品表面发射。这些低能电子提供有关样品表面形貌和形态的信息。
另一方面，背散射电子是被样品原子核弹性散射的高能电子。它们提供有关样品成分的信息，可用于生成元素图。
当入射电子取代样品原子中的内层电子时，会发射特征X射线，导致外层电子填充空位并以X射线的形式释放能量。这些可用于元素分析和定量。
电子束和样品相互作用期间产生的各种信号被检测和处理以形成图像或元素图。这些提供了有关样品结构、成分和特性的宝贵信息。
电子探测器和图像形成
电子探测器通过捕获电子束与样品相互作用过程中产生的信号，在SEM中发挥着至关重要的作用。使用的电子探测器有多种类型，每种都有其独特的特性和应用。
能量色散X射线微量分析（EDX/EDS）
Everhart-Thornley探测器(ETD)是用于捕获二次电子(SE)的最常见探测器。它由一个闪烁体组成，该闪烁体将入射SE转换为光子，然后由光电倍增管倍增以产生电信号。ETD通常与样品成一定角度放置，使其能够有效收集从样品表面发射的SE。ETD的高灵敏度使其能够生成具有出色表面细节的高分辨率图像。
背散射电子探测器(BSED)旨在捕获从样品表面反射的背散射电子(BSE)。BSED通常位于样品上方，与电子束直接相对。BSE图像提供有关样本成分的信息。背散射电子的强度与样品中元素的原子序数直接相关。这使得BSED对于研究具有不同成分的材料特别有用。
能量色散X射线检测器(EDX)用于检测样品与电子束相互作用期间发出的特征X射线。这些射线提供有关样品的元素信息，从而可以对其成分进行定量和定性分析。EDX探测器通常使用硅漂移探测器(SDD)或锂漂移硅(Si(Li))探测器来捕获X射线并将其转换为电信号。然后分析能量以确定样品中存在的元素及其相对浓度。
来自这些探测器的探测到的信号经过处理并用于形成揭示样品各个方面的图像。在SEM中，图像形成过程涉及电子束以光栅图案扫描样品表面。然后使用该信息生成二维图像，其中每个像素对应于样品表面上的特定位置，其强度代表该点的信号强度。通过组合从不同探测器获得的图像，可以全面了解样品的结构、成分和性质。
SEM样品制备
正确的样品制备对于在扫描电子显微镜中获得准确且有意义的结果至关重要。制备过程根据所分析的样品类型以及所使用的特定成像或分析技术而有所不同。一般来说，SEM样品制备涉及几个步骤，例如清洁、安装和涂覆样品以及调整样品的尺寸和形状以适合显微镜腔室。
扫描电子显微镜的样品制备
导电涂层
SEM样品制备的一个重要方面是将导电涂层应用于非导电样品。这是必要的，因为SEM中使用的电子束可能会对非导电样品的表面产生充电效应，从而导致图像失真和其他伪影。应用一薄层导电材料（例如金、铂或碳）可以最大限度地减少充电效应，从而获得更清晰、更准确的图像。
在样品上涂覆涂层的方法有多种，包括溅射涂层和蒸发涂层。在溅射镀膜中，靶材料（例如金或铂）受到离子轰击，导致靶中的原子被喷射并沉积到样品表面上。该方法产生均匀且薄的导电层，厚度通常在几纳米范围内。蒸发镀膜涉及在真空室中加热镀膜材料，直至其蒸发并凝结在样品表面上。这种方法也可以产生均匀的导电层，但它可能不太适合对热敏感的样品。
每种类型的涂层都有其优点和缺点。例如，金和铂涂层具有出色的导电性，并且与多种样品兼容，但它们可能很昂贵，并且在某些情况下可能会引入伪影。碳涂层成本较低，也不太可能产生伪影，但它们可能无法为所有应用提供足够的导电性。涂层材料和方法的选择取决于分析的具体要求和所研究样品的性质。
冷冻扫描电镜
用于电子显微镜的植物组织制备
冷冻扫描电子显微镜(cryo-SEM)是一种专门用于对水合样品和生物样品进行成像的技术，这些样品对传统SEM中的高真空环境和电子束曝光敏感。冷冻扫描电镜可以通过快速冷冻来保存这些样品的天然状态。这样做的同时保持其结构并防止脱水或样品制备过程中可能发生的其他伪影。
冷冻固定过程涉及快速冷冻样品，通常是将其放入液氮或液乙烷等低温液体中。这种快速冷冻可以最大限度地减少冰晶的形成，冰晶可能会损坏样品的结构。一旦样品被冷冻固定，它就会被转移到SEM内的冷冻阶段，在整个成像过程中保持低温。
冷冻断裂是冷冻扫描电镜中采用的另一种技术，用于暴露样品的内部结构。通过机械方式或使用聚焦离子束使冷冻样品破裂，从而显示出内部结构，然后可以使用SEM对其进行成像。该方法对于研究细胞、组织和其他生物样品的内部组织特别有用。[5]
与传统SEM相比，Cryo-SEM在对敏感样品进行成像方面具有多种优势。通过将样品保存在其天然的水合状态，冷冻扫描电镜可以提供更准确、更具代表性的样品结构和成分图像。此外，冷冻扫描电镜还可用于研究动态过程，例如材料的冷冻和解冻，通过捕获这些过程在不同阶段的快照。然而，冷冻扫描电镜也有一些局限性，包括需要专门的设备和专业知识，以及冷冻固定或冷冻断裂过程中样品损坏的可能性。尽管存在这些挑战，冷冻扫描电镜仍然是研究各种敏感样品和过程的宝贵工具。
SEM成像模式和技术
扫描电子显微镜提供了多种成像模式和技术，可用于获取有关样品的不同类型的信息。这些模式和技术基于对电子束与样品相互作用过程中产生的各种信号的检测和分析。通过选择适当的成像模式或技术，研究人员可以根据其特定需求定制SEM分析并获得有价值的见解。
a)完整BSD，b)地形BSD和c)叶子的SED图像；二次电子成像
二次电子成像是SEM中最常用的成像模式之一。它依赖于二次电子的检测，二次电子是由于入射电子束的非弹性散射而从样品表面发射的低能电子。这些图像提供了有关样品表面形貌和形态的详细信息。这是因为检测到的二次电子的强度对电子束的表面特征和入射角高度敏感。
在二次电子成像中，用电子束扫描样品，并且由检测器（例如Everhart-Thornley检测器）收集发射的二次电子。检测到的二次电子的强度用于生成二维图像。每个像素对应于样品表面上的特定位置，其强度代表从该点发射的二次电子的数量。SEM中电子束的波长与SEM的分辨率有关。波长越短，分辨率越高。这会产生高分辨率图像，揭示样品表面的精细细节，例如晶界、缺陷和其他特征。
二次电子成像对于研究材料的表面形态和分析样品表面上颗粒、纤维或其他特征的分布特别有用。此外，二次电子图像可以与其他成像模式或分析技术相结合，以获得对样品结构和成分的更全面的了解。
背散射电子成像
背散射电子成像是扫描电子显微镜中另一种重要的成像方式。它依赖于对样品原子核弹性散射的背散射电子(BSE)的检测。与二次电子不同，背散射电子携带有关样品成分的信息，可用于生成元素图。
背散射电子的强度与样品中元素的原子序数(Z)直接相关。当入射电子束与样品相互作用时，高Z元件比低Z元件向检测器散射更多的电子。这会导致BSE图像形成对比度，高Z区域显得更亮，低Z区域显得更暗。这种对比可以识别样品中的不同物相、夹杂物或成分变化。
背散射电子成像比二次电子成像具有多种优势。首先，BSE图像提供成分信息，这使得它们对于研究成分不同的材料或识别样品中的物相和夹杂物特别有用。其次，BSE图像比SE图像具有更大的景深，允许在不同深度处可视化样本特征，而无需重新聚焦。这对于研究粗糙或不平坦的表面特别有用。
然而，背散射电子成像也有一些局限性。BSE图像的分辨率通常低于SE图像的分辨率，因为背散射电子源自样品内较大的相互作用体积。此外，BSE图像更容易受到非导电样品中的充电伪影的影响，因为高能反向散射电子可能会导致样品表面局部充电。
尽管存在这些限制，背散射电子成像仍然是SEM中研究各种材料的成分和结构的重要工具。这为二次电子成像和其他分析技术提供了补充信息。
能量色散X射线光谱
能量色散X射线光谱(EDS)是一种与SEM结合使用的分析技术，用于获取样品的元素信息。EDS基于对样品与电子束相互作用过程中发出的特征X射线的检测和分析。这些X射线为了解样品内的元素组成和分布提供了宝贵的见解。
当SEM中的入射电子取代样品原子中的内层电子时，外层电子会填充空位，以特征X射线的形式释放能量。这些X射线的能量对于每种元素都是独特的，可以识别样品中存在的元素。EDS探测器，例如硅漂移探测器(SDD)或锂漂移硅(Si(Li))探测器，捕获发射的X射线并将其转换为电信号。然后分析X射线的能量以确定样品中存在的元素及其相对浓度。
EDS作为SEM中的分析技术具有多种优势。它是非破坏性的，可以在不造成损坏或改变其特性的情况下分析样品。EDS还可以检测原子序数低至硼(Z=5)的元素，使其适合分析多种材料。此外，EDS可用于定性和定量分析，提供有关元素存在及其相对浓度的信息。
除了元素映射之外，EDS还可用于其他应用。这些包括材料相的识别、化学反应和过程的研究以及薄膜和涂层的分析。通过将EDS与其他SEM成像技术相结合，研究人员可以全面了解样品的结构、成分和特性。
先进的扫描电镜技术
除了传统的成像模式和技术之外，还开发了几种先进的SEM技术来扩展光学显微镜的功能并满足样品分析的特定要求。
环境扫描电镜
ESEM图像显示液滴在头发上的凝结；资料来源：研究门环境扫描电子显微镜(ESEM)是一种特殊技术，可在受控环境条件（例如高压或湿度）下对样品进行成像。与传统SEM不同的是，它在较低的真空水平下运行，可以研究潮湿、水合或挥发性样品。
在ESEM中，样品被放置在专门设计的样品室中，该样品室可以保持在特定的压力和湿度水平。然后电子束通过一系列差分泵浦孔径传输。这将电子柱的高真空区域与样品室的低真空区域分开。这允许电子束与样品相互作用，而不需要高真空环境。
ESEM的优点包括能够研究自然水合状态的样品，以及实时观察动态过程（例如润湿、干燥或相变）的可能性。ESEM还可用于研究对电子束损伤敏感的样品。样品室中水蒸气的存在有助于减轻电子束对样品的影响。
ESEM已在材料科学、生物学和地质学等各个领域得到应用，用于研究腐蚀、水合作用以及多孔材料中水的行为等现象。尽管有其优点，但该技术也有一些局限性，例如与传统SEM相比，空间分辨率降低。另一个问题是需要专门的设备和专业知识来在受控的环境条件下操作显微镜。
聚焦离子束扫描电镜
聚焦离子束扫描电子显微镜(FIB-SEM)是一种强大的技术，它将聚焦离子束(FIB)系统的功能与SEM的功能相结合，能够以高分辨率同时对样品进行铣削和成像。FIB-SEM对于特定位点横截面的制备、纳米结构的制造以及样品的三维重建特别有用。
SEM中的放大倍数被控制在约10至,,倍的约6个数量级的范围内。与光学显微镜和透射电子显微镜不同，SEM中的图像放大倍数不是物镜功率的函数。
在FIB-SEM中，聚焦离子束（通常是镓离子）用于从样品表面溅射掉材料，从而可以精确去除材料并创建横截面或其他结构。离子束可以以纳米精度控制，从而能够制造复杂的特征或选择性地去除样品的特定区域。然后，源离子通常会加速到1–50千电子伏特(0.16–8.01fJ)的能量，并通过静电透镜聚焦到样品上。[8]同时，SEM用于对样品进行成像，提供有关样品结构和成分的高分辨率信息。
FIB-SEM的主要应用之一是制备用于材料分析的特定部位横截面。通过使用FIB铣掉材料，研究人员可以暴露样品的内部结构，然后使用SEM对其进行成像。这样就可以研究埋入界面、晶界和其他使用传统SEM技术无法实现的特征。
FIB-SEM还广泛用于样品的三维重建，特别是在生物成像领域。通过依次铣削样品的薄层并使用SEM对每一层进行成像，研究人员可以获得一系列二维图像，这些图像可以组合起来创建样品的三维表示。这种技术被称为串行块面成像或FIB-SEM断层扫描，已用于以纳米分辨率研究细胞、组织和其他生物样品的超微结构。
尽管FIB-SEM有许多优点，但它也有一些局限性。这包括离子束照射可能造成样品损坏以及与其他技术相比相对较慢的铣削和成像过程。然而，FIB-SEM的独特功能使其成为材料科学、生物学和其他领域广泛应用的宝贵工具。
SEM在各领域的应用
扫描电子显微镜在各个领域具有广泛的应用。通过结合SEM成像技术和分析能力，SEM为材料科学、生物学、地质学以及许多其他研究和技术领域的进步做出了贡献。
材料科学
在材料科学中，SEM在研究微观结构、缺陷以及影响材料特性和性能的其他特征方面发挥着至关重要的作用。高分辨率SEM图像提供有关光斑尺寸、形状以及晶粒、相和其他微观结构特征的分布的详细信息。这使得研究人员能够了解微观结构和材料特性之间的关系。
例如，SEM可用于研究金属和合金中的晶界，这会显着影响强度和延展性等机械性能。通过使用SEM成像和EDS分析晶界结构和化学成分，研究人员可以制定优化这些材料的加工和性能的策略。[9]
SEM还广泛用于薄膜和涂层的分析，它们是微电子、太阳能电池和防护涂层等许多先进技术的关键组成部分。SEM可以提供有关这些薄膜的厚度、形态、成分以及半导体物理特性的信息。然而，它不是衍射仪器。
除了这些应用之外，SEM还被用于研究多种材料，包括陶瓷、聚合物、复合材料和生物材料。这有助于各个领域新材料和新技术的发展。SEM通过提供有关这些材料的结构和成分的详细信息，已成为材料科学研究和开发中不可或缺的工具。
生物学与生命科学
在SEM中对生物组织和细胞的表面进行成像；
扫描电子显微镜为生物学和生命科学领域做出了重大贡献。这使得研究人员能够以高分辨率研究细胞结构、组织和生物材料的复杂细节。SEM的多功能性为我们对生物过程和系统的理解带来了众多发现和进步。
SEM在生物学中的关键应用之一是细胞结构的成像，例如细胞膜、细胞器和细胞外基质。通过提供这些结构的高分辨率图像，SEM帮助研究人员阐明它们的功能和组织，并研究细胞与其环境之间的相互作用。例如，SEM已用于研究细菌细胞的形态、细胞骨架元素的组织以及细胞外基质成分（如胶原蛋白和弹性蛋白）的结构。
除了细胞结构之外，SEM还被用于研究健康和患病状态下组织的形态和组织。这使得人们更好地了解组织结构以及特定细胞类型在组织维护和功能中的作用。例如，扫描电镜已被用来研究血管结构、结缔组织组织以及疾病进展过程中组织发生的变化。
先进的SEM技术扩大了可以使用电子显微镜研究的生物样品的范围。尤其是冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)在水合样品和生物样品的成像方面发挥了重要作用。这使得研究人员能够研究细胞、组织和生物分子的天然状态，而无需脱水或其他可能引入伪影的样品制备步骤。
总体而言，扫描电子显微镜在增进我们对生物过程和系统的理解方面发挥了至关重要的作用。随着新的扫描电镜技术和技术的不断开发，生物学和生命科学领域进一步发现和见解的潜力仍然巨大。
地质与地球科学
扫描电子光学显微镜已成为地质学和地球科学领域的重要工具。SEM的高分辨率成像能力为我们了解地球的历史、过程及其各种地质特征的形成做出了重大贡献。
矿物学和岩石学：SEM广泛用于矿物和岩石的研究，可以详细检查其晶体结构、晶界和化学成分。通过分析样品中元素的分布，研究人员可以深入了解导致矿物和岩石形成及其随后的蚀变和变质作用的过程。此外，SEM可用于研究岩石的微观结构，揭示有关其变形历史和力学性能的信息。
沉积学和古生物学：SEM的高分辨率成像能力使其成为研究沉积颗粒和化石的形态和微观结构的理想工具。[10]通过检查这些颗粒的形状、光斑大小和表面特征，研究人员可以推断有关它们的传输历史、沉积环境和成岩过程的信息。在古生物学中，扫描电镜可用于研究生物化石的细节，提供对其生物学、生态学和进化的深入了解。
环境地质学和地球化学：扫描电镜还用于研究地质材料与环境过程（例如风化、侵蚀和污染）之间的相互作用。通过分析暴露于不同环境条件下的样品的化学成分和微观结构。通过这种方式，研究人员可以深入了解这些过程的机制及其对地质材料的影响。这些信息对于了解地质结构的长期稳定性和评估人类活动对地球表面的环境影响至关重要。
综上所述，扫描电子显微镜已成为地质学和地球科学领域不可或缺的工具，为研究人员提供了在微米和纳米尺度上研究各种地质样品的能力。SEM的高分辨率成像和分析能力做出了重大贡献，为该领域的新发现和进步铺平了道路。
结论
扫描电子显微镜通过提供高分辨率成像和分析能力，彻底改变了材料、生物样品、地质标本和许多其他领域的研究。SEM的多功能性与冷冻SEM、ESEM和FIB-SEM等先进技术相结合。这使得研究人员能够探索广泛的样品，并获得对其结构、组成和特性的宝贵见解。随着新的扫描电镜技术和技术的不断开发，各个学科的进一步发现和进步的潜力仍然巨大。
常见问题
1.SEM和透射电子显微镜(TEM)有什么区别？
答：SEM和TEM都是电子显微镜技术，但它们的操作原理和提供的信息类型有所不同。SEM使用电子束扫描样品表面并检测二次或反向散射电子，以生成样品表面形貌和成分的高分辨率图像。另一方面，TEM使电子束穿过薄样品，并根据透射的电子束形成图像。这以比SEM更高的分辨率为用户提供有关样品内部结构的信息。
2.SEM可以用于研究非导电样品吗？
答：是的，SEM可用于研究非导电样品，但可能需要特殊的样品制备技术或成像条件来最大限度地减少充电伪影。常见的方法包括在样品上涂上薄薄的导电层（例如金或碳），或使用低压SEM或环境SEM来减少充电效应。
.SEM的典型分辨率是多少？
A.SEM的分辨率取决于多种因素，例如电子束能量、所用检测器的类型以及样品特性。金属表面的SEM图像可能显示尺寸为几微米的特征。一般来说，现代SEM二次电子成像的分辨率可以达到1-2纳米范围，而背散射电子成像的分辨率则略低。
4.如何准备用于SEM分析的样品？
A.SEM的样品制备取决于样品的类型和分析所需的信息。常见的制备步骤包括将样品安装在合适的支架上、对样品进行干燥或脱水，以及在必要时涂上导电材料。对于生物样品，可能需要更专业的制备技术，例如固定、脱水和临界点干燥，以保留样品的结构。
5.SEM可以用于元素分析吗？
答：是的，SEM与能量色散X射线光谱法相结合可用于元素分析。EDS检测样品在与电子束相互作用过程中发出的特征X射线，提供有关样品内元素组成和分布的信息。
6.哪些SEM技术可以在低真空环境下使用？
答：低真空扫描电子显微镜(LVSEM)是一种用于对无法置于高真空中的样品（例如生物样品或含水样品）进行成像的技术。它可以研究各种样品的元素组成和物理性质。