30个电镜行业基础知识快问快答

扫描电子显微镜（SEM）是一种高分辨率的电子显微镜，用于观察物体的表面结构。以下是关于SEM的30条基础知识，你都知道吗？

1、什么是SEM？

       答：SEM是扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）的缩写。不同于传统的光学显微镜，SEM使用电子束作为“照射光源”。电子束被聚焦到样品上，然后系统扫描样品并捕获由样品反射或发出的电子信号。这些信号随后被转化为图像，反映了样品的表面拓扑、组成或其他特性。SEM是许多领域，如材料科学、生物学和工业检查中的关键工具。

2、SEM与常规光学显微镜有什么不同？

       答：SEM与光学显微镜的主要差异在于它们使用的“光源”。光学显微镜使用可见光照射样品，而SEM使用电子束。因为电子的波长远小于可见光，SEM可以达到远超过光学显微镜的分辨率。此外，SEM提供的是样品表面的三维图像，这得益于电子与样品表面的相互作用方式，而光学显微镜给出的是透视的二维图像。

3、SEM的分辨率如何？
       答：SEM的分辨率主要受到电子束直径、电子与样品的相互作用体积以及检测器的性能影响。一般来说，常规SEM可以达到1到10纳米的分辨率。但这与所用设备、操作条件和样品种类都有关系。例如，当使用场发射枪和超高真空条件时，某些SEM可以达到亚纳米级分辨率。

4、为什么SEM可以提供三维的表面图像？
       答：SEM生成的图像基于样品表面与入射电子束的相互作用。这些相互作用不仅仅发生在表面，还发生在样品内部，但表面近处的相互作用最为强烈。因此，SEM的图像捕获了样品表面的微小细节和纹理，产生了一种天然的三维视觉效果。与光学显微镜相比，SEM图像显示的是样品的实际表面拓扑，而非由两个维度投影得到的形态。

5、什么是二次电子？
       答：二次电子是指当SEM的入射电子束撞击样品表面时，从样品中被激发出来的低能电子。它们的能量通常小于50电子伏特。当电子束撞击样品时，它会将其部分能量传递给样品原子中的电子，导致这些电子获得足够的能量从原子中逸出。这些逸出的电子被称为二次电子。由于二次电子主要来源于样品表面的微小区域，它们为产生高分辨率的SEM图像提供了关键信息。

6、SEM的样品需要特殊处理吗？
       答：样品的准备对于获得高质量的SEM图像至关重要。对于非导电样品，为了避免在电子束照射下产生的电荷积累，通常需要对样品表面进行涂层，覆盖一层薄薄的导电金属，如金或碳。这有助于导出任何在样品上积累的电荷，从而避免图像失真。此外，由于SEM在高真空下工作，所以样品必须能够承受真空条件。对于生物样品，常常需要经过固定、脱水和干燥的步骤，以保持其形态并使其适应真空环境。

7、SEM工作原理是什么？
       答：SEM的核心原理是使用一个电子枪产生一个高能的电子束。这个电子束经过系列电磁透镜聚焦后，以一种有序的方式扫描样品表面。当电子束与样品相互作用时，样品会发射或反射出各种电子（如二次电子和背散射电子）。这些电子被检测器捕获，并转换为电信号。然后，这些信号被放大并显示在显示器上，形成一幅代表样品表面特性的图像。

8、什么是背散射电子？
       答：背散射电子是由入射电子束与样品内部原子的核心发生弹性碰撞而反射回的电子。与二次电子相比，背散射电子具有较高的能量，因为它们基本上是被样品原子的核反弹出来的入射电子。背散射电子的产生与原子号（或原子核电荷）有关。这意味着，较重的元素（如金、铅等）会产生更多的背散射电子。因此，使用背散射电子探测器，我们可以获得关于样品的元素组成的信息。

9、SEM图像为什么是黑白的？
       答：SEM图像是基于从样品中收集的电子信号生成的。这些电子信号本身不带有颜色信息，因此，生成的图像是灰度的。颜色在这里是对亮度的一个表示，其中亮度是由样品上电子的数量决定的。然而，为了特定的科学或可视化目的，人们经常使用假色技术为SEM图像上色。

10、SEM可以提供化学组成信息吗？
       答：是的，尽管SEM主要是用来获取形态信息，但通过与能量散射X射线光谱仪（EDS或EDX）的结合，可以得到样品的化学组成信息。当电子束撞击样品时，会激发样品中的原子发射特定的X射线，这些X射线的能量和样品中的元素类型有关。通过分析这些X射线，我们可以确定样品的元素组成。

11、电子束与样品的相互作用会导致样品损伤吗？
       答：是的，尤其是对于某些敏感或有机的样品，电子束可能会导致辐射损伤。这种损伤可能表现为局部的加热、化学结构的变化或其他形式的物理变化。为了最小化这种损伤，可以通过调整电子束的参数、使用低束流或减少照射时间等方式。

12、在SEM下可以观察液态样品吗？
       答：传统的SEM需要在高真空条件下运行，这意味着液态样品需要先进行干燥或冷冻处理。但是，随着技术的进步，已经开发出了环境扫描电子显微镜（ESEM），它可以在较高的压力下工作，使得观察液态、湿态或冷冻样品成为可能。

13、样品的大小会影响SEM观察吗？
       答：样品的大小确实会影响SEM的观察，特别是在其尺寸接近或超过SEM样品舱的大小时。大多数SEM都有样品尺寸的限制。此外，样品的形状和高度也可能会影响电子束的聚焦和扫描。过高的样品可能会导致由于工作距离问题而无法正常观察。

14、如何解释SEM图像的对比度？
       答：SEM图像的对比度来源于样品表面不同区域电子产生和检测的差异。对比度可以由样品的拓扑、成分、电荷状态、电子束参数和其他因素影响。例如，不同材料的界面，由于材料的电子产生和射出特性不同，会在SEM图像上显示出明显的对比度。

15、为什么需要将非导电样品进行涂层？
       答：当非导电样品受到电子束的照射时，电子会在样品表面积累，因为它们无法被有效地导出。这会导致电荷积累，从而导致图像失真、漂移或其他问题。通过将样品涂覆一层薄薄的导电材料（如金、银或碳），可以有效地减少或消除这种电荷积累，从而获得清晰、无失真的图像。

16、SEM如何实现深度的焦点？
       答：由于SEM使用的电子束具有很小的波长，它能够产生深度上的大焦点范围。这使得SEM能够在一个给定的图像上展示很大的深度清晰度，即使是复杂和粗糙的样品表面也能够清晰显示。此外，通过调整工作距离和电子束的加速电压，可以进一步优化深度的焦点。

17、SEM可以实时观察样品吗？
        答：是的，SEM可以实时观察样品。当电子束扫描样品时，检测器会即时收集来自样品的信号，并将其转化为图像。这种实时成像能力对于观察动态过程或进行实时操作（如纳米操纵）是非常有价值的。

18、SEM的操作需要特殊的训练吗？
       答：正确操作SEM确实需要专门的训练。虽然现代的SEM通常具有用户友好的界面和自动化功能，但为了获得最佳的图像质量和确保设备的长寿命，操作者需要对SEM的基本原理、样品制备技术和潜在的样品特点以及电子束相互作用有深入的理解。此外，为了安全使用高压和真空系统，也需要特定的训练和知识。

19、SEM中的“工作距离”是什么意思？
       答：在SEM中，工作距离（WD）是指最后一个透镜和样品表面之间的距离。工作距离对图像的分辨率、深度焦点和信号的收集都有影响。通常，较短的工作距离可以提供更高的分辨率，但可能会限制对样品的观察区域，特别是对于较大或凸起的样品。

20、SEM下的样品可以移动吗？
       答：SEM的样品舱内通常配备有一个机械台，允许在X、Y和Z轴上移动样品。这使得操作者可以选择和调整感兴趣的区域，同时调整样品的高度以确保其处于最佳的焦点位置。对于某些复杂的应用，还可能需要旋转或倾斜样品，以获得不同的观察角度。

21、为什么有些SEM配备了金属探针？
       答：金属探针常用于纳米操作或纳米电刻技术。当与SEM结合时，这些探针可以在电子显微镜的实时监控下进行精确操作，如移动纳米颗粒、创建纳米结构或甚至测量纳米级的电学特性。

22、SEM能够测量样品的电学性质吗？
       答：虽然传统的SEM主要用于形貌观察，但通过与其他技术的结合，例如电导率探针，SEM可以用来测量样品的电学特性。这种方法常用于半导体研究，以在纳米尺度上研究材料或设备的电学行为。

23、SEM中常听说的“真空”有什么作用？
       答：在SEM中，真空环境对于电子束的产生和传输至样品表面至关重要。在空气或其他气体存在的条件下，电子会与气体分子相互作用，导致散射和能量损失，从而降低图像质量。真空环境确保电子束的稳定性和高分辨率成像。

24、可以使用SEM观察生物样品吗？
       答：可以。但由于生物样品主要是由水分和有机物质组成，所以在传统SEM的高真空环境下，它们可能会干燥、收缩或发生结构变化。为了减少这些问题，样品通常需要经过特殊的处理，如固定、脱水和涂层。ESEM（环境扫描电子显微镜）则允许在较高的压力和湿度条件下观察，这对于观察水合或部分水合的生物样品是非常方便的。

25、SEM图像中的放大倍数是如何控制的？
       答：在SEM中，放大倍数是通过改变电子束扫描样品表面的面积来控制的。当电子束扫描一个较小的区域时，得到的图像就有更高的放大倍数。大多数SEM都允许用户轻松地调整放大倍数，从相对较低的放大（如10x或100x）到非常高的放大（如100,000x或更高）。

26、SEM的分辨率是如何确定的？
       答：分辨率是描述显微镜能够区分两个接近的物体为单独实体的能力。在SEM中，分辨率由多个因素决定，包括电子束的直径、样品的性质以及使用的检测器类型。理论上，更小的电子束直径可以提供更高的分辨率。然而，在实践中，由于样品漂移、电子束稳定性和其他因素的影响，可能不会总是达到最优分辨率。

27、为什么需要在SEM观察之前将样品放在一个特定的位置？
       答：样品的定位是为了确保电子束可以有效地与其相互作用，同时也使检测器可以从正确的角度收集由样品散射或发射的信号。正确的样品定位也确保了其不会干扰电子束的路径或与显微镜的其他部分相撞。

28、在SEM中使用的电子是如何产生的？
       答：在SEM中，电子是由一个电子枪产生的，通常使用钨或场发射源。当这些源被加热或施加一个强电场时，它们会释放电子。这些电子然后被加速并通过一系列电磁透镜聚焦成一个细束，之后这个电子束被引导到样品上。

29、在SEM中如何控制电子束的能量？
       答：电子束的能量是通过调整其加速电压来控制的。加速电压越高，电子的能量就越高。不同的应用和样品可能需要不同的电子束能量。例如，为了获得表面的高分辨率图像，可能会使用低能量的电子束；而对于深层或散射信号的分析，则可能需要更高的能量。

30、为什么有些样品需要在观察之前进行涂层？
       答：非导电样品在被电子束照射时可能会积累电荷。这些积累的电荷会影响电子束和故障图像的质量。为了消除这一问题，可以在样品表面涂上一层导电材料，如金、银或碳。这层涂层可以为样品提供一个导电路径，从而允许电荷离开样品，确保清晰、稳定的图像获取。