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SEM，在通俗意義上來講，可以看成是一個放大倍數超級大的“放大鏡”。

作為當今十分有用的科學研究儀器，掃描電子顯微鏡是介于透射電鏡和光學顯微鏡之間的一種微觀性貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質性能進行微觀成像。近些年來，掃描電鏡已廣泛地應用在材料學、生物學、醫學、冶金學等領域中，促進了各有關學科的快速發展。

１、電子束與固體的相互作用

圖一　　電子束與固體相互作用圖

當一束高能的入射電子轟擊物質表面時，在被激發的區域將產生二次電子、俄歇電子、特征x射線、背散射電子等多種信號（如圖一所示），其中最重要的就是二次電子。它是被入射電子所激發出來的樣品原子中的外層電子，產生于樣品表面以下幾納米至幾十納米的區域，其產生率主要取決于樣品的形貌和成分。通常所說的掃描電鏡像即為二次電子像，它是研究樣品表面形貌的最有用的電子信號。

２、掃面電子顯微鏡的基本原理

圖二 掃描電子顯微鏡的基本結構

從電子槍陰極發出的直徑20～35μm的電子束，受到陽極的1～40kV高壓的加速射向鏡筒，并受到第一、二聚光鏡（或單一聚光鏡）和物鏡的會聚作用，縮小成直徑約幾十埃的狹窄電子束射到樣品上。與此同時，掃描線圈會使得電子束在樣品表面作光柵狀掃描并且激發出多種電子信號。這些電子信號會被相應的檢測器檢測，經過放大、轉換，變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極上并且調制顯像管的亮度。顯像管中的電子束在熒光屏上也作光柵狀掃描，并且這種掃描運動與樣品表面的電子束的掃描運動嚴格同步，這樣即可獲得襯度與所接收信號強度相對應的掃描電子像，這種圖象反映了樣品表面的形貌特征。總的來說，掃描電鏡的基本原理就是“光柵掃描，逐點成像”。

３、掃描電子顯微鏡樣品的要求

a)待測樣品必須是固體；

b)需滿足無毒，無放射性，無污染，無磁，無水，成分穩定的要求。

c)塊狀樣品大小要適中，粉末狀樣品要進行特殊處理，尤其是不導電或導電性能差的樣品需要選取合適的鍍膜儀進行鍍膜。

４、掃描電子顯微鏡樣品的制備

a)塊狀導電材料：樣品大小要適合儀器樣品臺尺寸，再用導電膠將其粘結在樣品臺上即可放在掃描電鏡中進行觀察。

b) 塊狀非導電或導電性差的材料：需要對樣品進行鍍膜處理，在材料表面形成一層導電膜，再進行觀察。

c) 對于粉末樣品（非導電或導電性差的材料需鍍導電膜），其制備方法3種：

導電膠粘結法：先在樣品臺上均勻沾上一小條導電膠帶，然后在粘好的膠帶上撒上少許粉末，把樣品臺朝下使未與膠帶接觸的顆粒脫落，再用洗耳球吹去粘結不牢固的顆粒。

直接撒粉法：將粉末直接撒落在樣品臺上，適當滴幾滴分散劑（乙醇或者其他分散介質），輕晃樣品臺使粉末分布平整均勻，分散劑揮發后用洗耳球吹掉吸附不牢固的粉末即可。

超聲波法：將少量的粉末置于小燒杯中，加適量的乙醇或蒸餾水，超聲處理幾分鐘即可。然后盡快用滴管將分散均勻的含粉末溶液到樣品臺或錫紙上，用電熱風輕輕吹干即可。

５、掃描電子顯微鏡的主要性能參數

a）分辨率：樣品上可以分辨的兩點或兩個細節之間的最小距離。通常所指的掃描電鏡的分辨率，即二次電子像的分辨率，通常約為5-10nm；背反射電子像的分辨率約為50-200nm。

b）放大倍數：　　　　　　　　　　　　　 ? ? ? ? ? ? M=L/l ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（公式１）
掃描電子顯微鏡的放大倍數如公式１，其中Ｍ表示放大倍數，Ｌ是顯像管的熒光屏尺寸，ｌ是電子束在試樣上的掃描距離。目前，多數商品掃描電鏡其放大倍數為20～20,000倍，介于透射電鏡和光學顯微鏡之間。

c）襯度：即為像面上相鄰部分間的黑白對比度或顏色差，包括表面形貌襯度和原子序數襯度。

表面形貌襯度是由試由試樣表面形貌差別而形成的襯度。掃描電子顯微鏡圖像表面形貌襯度幾乎可以用于顯示任何樣品表面的超微信息，還可用于顯示表面外延生長層的結晶形態。原子序數襯度是由試樣表面物質原子序數（或化學成分）差別而形成的襯度。

６、掃描電子顯微鏡在材料領域的應用

a）材料表面形貌的觀察

通過掃描電子顯微鏡我們可以觀察材料的表面形貌，如圖三我們可以看出用含(-CF3)水性聚氨酯改性前后的棉織物表面光滑度的差異。未經處理的棉織物表面光滑，經過處理的表面粗糙。

圖三 含(-CF3)水性聚氨酯對棉織物的處理（前者:未處理；后者:處理過）［1］

b）斷口形貌的觀察

通過掃描電子顯微鏡我們可以進行材料的斷口形貌的觀察，借助掃描電鏡分析斷口的破壞特征、零件內部的結構及缺陷 ,從而判斷零件損壞的原因。如圖四所示，從復合改性碳纖維/HA復合材料斷口的掃描電鏡照片可以看到碳纖維表面的涂層具有獨特的多孔結構， 還可觀察到碳纖維在復合材料彎曲受力時的纖維脫粘、 拔出和斷裂痕跡。

圖四 改性碳纖維/HA 復合陶瓷樣品斷口形貌照片

c）微區化學成分分析

在樣品的處理過程中，有時需要提供包括形貌、成分、晶體結構或位向在內的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進行判斷分析。為此，相繼出現了掃描電子顯微鏡—電子探針多種分析功能的組合型儀器。掃描電子顯微鏡如配有X射線能譜（EDS）和X射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區的化學成分等信息。

小結

掃描電子顯微鏡對于研究材料面結構、形狀、三維尺寸、分散狀態以及測量某些數據具有重要意義。隨著科學技術的發展，掃描電子顯微鏡必將在材料科學領域近一步發揮其作用。

[1] Wan-Chao Jiang， Yangen Huang， Guo-Tuan Gu， et al. A novel waterborne polyurethane containing short fluoroalkyl chains: Synthesis， characterization and its application on cotton fabrics surface[J]， Applied Surface Science， 2006(253):2304-2309.

本文由材料人編輯部學術干貨組 趙瑾 供稿，材料牛編輯整理。

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