掃描電子顯微鏡的主要用途

掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)，簡稱SEM，是一種較大型的材料分析測試儀器，它廣泛應(yīng)用于觀察各種固態(tài)物質(zhì)的表面超微結(jié)構(gòu)的形態(tài)和組成。作為自20世紀(jì)30年代中期發(fā)展起來的—種新型電鏡,是一種多功能的電子顯微分析儀器,主要功能是對固態(tài)物質(zhì)的形貌顯微分析和對常規(guī)成分的微區(qū)分析，廣泛應(yīng)用于化工、材料、醫(yī)藥、生物、礦產(chǎn)、司法等領(lǐng)域。

掃描電子顯微鏡主要依靠電子與物質(zhì)的相互作用顯示圖像，能入射電子束轟擊樣品表面,由于入射電子束與樣品間的相互作用,將有99%以上的入射電子能量轉(zhuǎn)變成樣品熱能，而剩余1%的入射電子能量將激發(fā)包括二次電子、透射電子、俄歇電子、X射線等不同的信息,從而反映樣品本身不同的物理化學(xué)性質(zhì)。

掃描電子顯微鏡的主要用途是什么呢？接下來鑠思百檢測小編詳細(xì)介紹一下。

一、 掃描電鏡樣品測試的優(yōu)點

1.掃描電鏡對樣品微區(qū)結(jié)構(gòu)的觀察和分析具有簡單、易行等特點 ，是目前應(yīng)用得最為廣泛的一種試樣表征方式，它相比于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡有其特有的優(yōu)勢。

2.景深長，視野大

掃描電鏡物鏡使用小孔視角和長焦距因而景深較大。 相同放大倍數(shù)時掃描電鏡景深比透射電鏡大且比光學(xué)顯微鏡大很多。 掃描電鏡中二次電子的產(chǎn)生量和電于束入射角度在試樣表面上的漲落有一定關(guān)系，因此，掃描電鏡成像立體感較強，可以用來觀察試樣三維立體結(jié)構(gòu)。

3 分辨本領(lǐng)高，倍率連續(xù)可調(diào)

掃描電鏡具有很高的分辨率 ，普通掃描電鏡的分辨率為幾納米，場發(fā)射掃描電鏡的分辨率可達1nm ，已十分接近透射電鏡的水平。光學(xué)顯微鏡只能在低倍率下使用，而透射電鏡只能在高倍率下使用，掃描電鏡可以在幾倍到幾十萬倍的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，彌補了從光學(xué)顯微鏡到透射電鏡觀察的一個很大的跨度，實現(xiàn)了對樣品從宏觀到微觀的觀察和分析。

4 綜合分析能力強

掃描電鏡可以對樣品進行旋轉(zhuǎn)，傾斜等操作，能對樣品的各個部位進行觀察 。此外，掃描電鏡可以安裝不同的檢測器（如能譜儀（EDS），波譜儀（WDS）以及電子背散射衍射（EBSD）等）來接收不同的信號，以便對樣品微區(qū)的成分和晶體取向等特性進行表征。此外，還能在掃描電鏡中配置相應(yīng)附件，對樣品進行加熱，冷卻，拉伸等操作并對該動態(tài)過程中發(fā)生的變化進行實時觀察。

二、掃描電子顯微鏡的主要用途和應(yīng)用

掃描電鏡以其高的分辨率，良好的景深及簡易的操作等優(yōu)勢在材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、考古學(xué)、地礦學(xué)、食品科學(xué)、微電子工業(yè)以及刑事偵查等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它可以對組織進行形貌分析，斷口分析，元素定性和定量分析以及晶體結(jié)構(gòu)分 析，現(xiàn)將掃描電鏡在各領(lǐng)域的具體應(yīng)用總結(jié)如下。

1 材料學(xué)

（1） 納米材料

掃描電鏡可直接觀察納米材料的結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸 、分布 、均勻度及團聚情況 ，結(jié)合能譜還能對納米材料的微區(qū)成分進行分析，確定納米材料的組成。如圖2（a）所示，為利用掃描電鏡觀察到的金納米棒；圖2（b）為 MnO2納米線；圖2（c）為 TiO2納 米管；圖2（d）為 SiO2納米球（分別由四川大學(xué)生材中心李蕓餛 ，材料學(xué)院史麗紅及梁霄提供）。

圖2. 納米材料掃描電鏡圖

納米材料的性質(zhì)與其組成和表面形貌有很大的關(guān)系，利用掃描電鏡分析納米材料，可建立起納米材料種類、微觀形貌與宏觀性質(zhì)之間的聯(lián)系，對于改進合成條件，制備出具有優(yōu)異性能的納米 材料有很重要的指導(dǎo)意義。

（2） 高分子材料

岣掃描電鏡能直接觀察高分子材料如均聚物，共聚物和共混物的顆粒，塊體，纖維，膜片和其產(chǎn)品的微觀形貌以及增強材料如粉體顆粒和纖維在母體內(nèi)的分散狀態(tài)。

圖3（a）、圖3（b）是用掃描電鏡（四川大學(xué)高分子學(xué)院吳桐教授提供）觀測的高分子濾膜上晶片結(jié)構(gòu)與孔洞分布。

掃描電鏡（SEM）也可以觀察到高分子材料老化，疲勞，拉伸以及扭轉(zhuǎn)過程中斷口斷裂與擴散過程，從而有助于對其斷裂原因，模式與機制進行分析。

圖3. 高分子濾膜表面掃描電鏡圖

（3） 金屬材料

①掃描電鏡可對金屬材料的微觀組織（如馬氏體，奧氏體，珠光體，鐵素體等）進行顯微結(jié)構(gòu)及立體形態(tài)的分析。如圖 4（a）所示，為利用掃描電鏡觀察金屬陶瓷表面的星環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖4. 金屬材料掃描電鏡圖

②掃描電鏡可以分析金屬材料表面磨損，腐蝕和形變（例如多晶位錯與滑移）情況； 觀察金屬材料的斷口形貌，揭示其斷裂機理（解理斷裂，準(zhǔn)解理斷裂，韌窩斷裂，沿晶斷裂，疲勞斷裂）； 鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量與缺陷分析（例如氣泡、顯微裂紋、顯微縮孔等）。 圖4（b）是用掃描電鏡觀察不銹鋼斷口韌窩結(jié)構(gòu)（由四川大學(xué)制造學(xué)院唐俊提供）。 李文臣等用掃描電鏡分析了三種WC晶粒度硬質(zhì)合金表層和無梯度合金芯部的微觀形貌、硬質(zhì)合金非梯度合金芯部和硬質(zhì)合金梯度表層斷口形貌，將XRD與硬度計相結(jié)合，研究WC粒度變化對梯度硬質(zhì)合金組織與性能的影響，并探討不同WC粒度下梯度硬質(zhì)合金斷裂模式。

③掃描電鏡與能譜相結(jié)合可確定金屬與合金各元素偏析情況，觀察金屬間化合物相，碳化物相，氮化物相和鈮化物相，并進行成分識別；鋼鐵組織晶界上夾雜物或者第二相的觀察與成分識別；零部件失效分析（例如畸變失效、斷裂失效、磨損失效與腐蝕失效），并可識別失效零件表面析出物與腐蝕產(chǎn)物。 另外，針對拋光金屬樣品采用掃描電鏡（SEM）和EBSD相結(jié)合的方法可以進一步分析其晶體結(jié)構(gòu)。

（4） 陶瓷材料

掃描電鏡可對陶瓷材料的原料，成品的顯微結(jié)構(gòu)及缺陷等進行分析，觀察陶瓷材料中的晶相，晶體大小，雜質(zhì)，氣孔及孔隙分布情況，晶粒的取向以及晶粒的均勻度等情況。如圖5（a）和圖5（b）所示，分別為燒結(jié)后的YAG 陶瓷和生物陶瓷的掃描電鏡圖。利用該圖可對陶瓷表面的晶粒尺度進行統(tǒng)計，觀察晶粒均勻程度以及氣孔分布情況。

圖5. 陶器材料掃描電鏡圖

（5） 生物材料

掃描電鏡可用于觀察生物活性鈦材料和生物陶瓷材料以及這些材料經(jīng)過特殊處理后的表面形貌以及羥基磷灰石或細(xì)胞在這些材料表面的生長情況。

此外，掃描電鏡還能用于觀察水凝膠的孔洞結(jié)構(gòu)，膠原的纖維結(jié)構(gòu)，人工骨的孔分布情況以及磁性生物顯影材料的尺度及包覆情況等，為改善合成工藝，制備性能優(yōu)異的生物材料提供了依據(jù)。如圖6所示，顯示的是鈦片經(jīng)不同方法處理后在表面生長羥基磷灰石的情況。

圖6. 起基磷灰石掃描 電鏡圖

2 物理學(xué)

通過表面處理（例如沉積出不同組成，形態(tài)及厚度的膜層以及光刻蝕表面等等）可以有效地提高材料硬度和光學(xué)物理性能。通過掃描電鏡可以對鍍膜表面形貌，斷口膜層形貌進行觀察，并對膜厚進行測量；可以觀察到光刻蝕之后試樣表面形貌變化情況等等。

見圖7，分別顯示在硅表面成長TiN薄膜斷面、光刻膠表面聚苯乙烯微球、硅基底表面光納米陣列結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖。

3 生物學(xué)

掃描電鏡可用于觀察生物的精細(xì)結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的立體表面形態(tài)。它可對藻類、花粉表面溝紋的精細(xì)結(jié)構(gòu)，癌細(xì)胞的表面變化，細(xì)胞、細(xì)菌在生命周期中的表面變化進行觀察。此外，掃描電鏡與現(xiàn)代冷凍技術(shù)的結(jié)合（通過樣品冷凍斷裂暴露不同層面，如膜之間，細(xì)胞之間和細(xì)胞器之間的結(jié)構(gòu)）可以獲得生物樣品完整的剖面，對研究一些生物樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了支持 。

如圖8所示，分別是利用掃描電鏡觀察河床上的藻類，鼠的紅細(xì)胞以及在膠原表面上生長的細(xì)胞的形貌圖。

4 考古學(xué)

掃描電鏡結(jié)合能譜可以對出土的文物進行無損的顯微結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)成分鑒定。它可對金幣、銀幣和銅幣表面進行分析，確定其金、銀和銅純度及含量，為分析當(dāng)時的鑄造工藝提供證據(jù)；可分析古字畫、窯胎釉所用顏料的種類和配比。為進一步判斷其來源和破解制備工藝提供參考；可分析織物，判定織物材質(zhì)，織法工藝，為織物的保護和修復(fù)提供有力幫助。

5 地礦學(xué)

1）掃描電鏡能分析礦物表面形貌，組織和組成。通過掃描電鏡（SEM）觀測礦物微區(qū)變化能為礦物成巖環(huán)境與歷史演化分析提供證據(jù)；能觀測粘士礦物形態(tài)，分布，性質(zhì)與共生組合等特征，為粘土礦物成因與地球化學(xué)背景分析奠定基礎(chǔ)；能分析儲集巖礦物組成，結(jié)構(gòu)構(gòu)造，孔隙類型與成因等特征，并為儲層優(yōu)劣評價提供參考。

2）掃描電鏡可以研究巖土組成，構(gòu)造和堅固性?？捎脕碛^測宇宙塵，隕石及月巖等的形態(tài)特征，構(gòu)造，以便對推斷其成因和認(rèn)識寧宙提供了有效資料；可以對古微生物化石形態(tài)，排列方式進行研究，對測定地質(zhì)年代及地層形成古地理環(huán)境等提供數(shù)據(jù)。

圖9. 不同巖土掃描電鏡圖

圖9顯示混凝土及砂巖掃描電鏡圖、砂巖能譜圖（插入）。從圖中9（a）中可以看出混凝土中各組分均勻混合。由圖9（b）可見砂巖具有典型片層構(gòu)造，并結(jié)合能譜對砂巖成分進行識別，這為判斷未知巖石類型提供一種手段。

6 微電子工業(yè)

半導(dǎo)體器件性能與穩(wěn)定性與器件表面微觀狀態(tài)有關(guān)。掃描電鏡可用于半導(dǎo)體二極管、三級管、集成電路或者液晶顯示器的失效分析、微觀形貌的觀察以及失效點和缺陷點的查找與觀測，準(zhǔn)確測量器件微觀幾何尺度及表面點位分布情況等，并與能譜相結(jié)合也可以分析污染物中各要素。有利于失效原因的分析、制備工藝的完善和有效措施預(yù)防事故。

7 刑事偵查

掃描電鏡應(yīng)用于刑事偵查，其特點是用量少、對檢材無損害，可用來檢驗射擊殘留物、爆炸殘留物、油漆、涂料、文書、金屬附著物、刮擦／撬壓痕跡、毒物、生物類物證（土壤、植物組織、纖維、骨、組織和毛）。通過觀察、比對這批物證微觀形貌，并結(jié)合能譜進行成分分析，可為調(diào)查提供線索或證實作案提供科學(xué)依據(jù)。

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