扫描电子显微镜的应用自制一台扫描电子显微镜，厉害炸了！|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

自制一台扫描电子显微镜，厉害炸了！

虽然说之前也看到了很多十分厉害的DIY视频，但是看到这个的时候我还是瞬间就跪了……

一个名叫Ben Krasnow的工程师自己做了一个扫描电子显微镜！这可是电子显微镜啊，绝对不是摆弄几个玻璃镜片就能搞定的事情，简直是有史以来最难的DIY项目了……

要知道，在实验室里，扫描电镜也是高端大气的存在，一台就几十万甚至上百万，学生们要想用还得登记排号……而你竟然说你自己做了一个？？（而且2011年就做出来了……）

下面这位就是作者，以及他自己做的电镜：

玻璃罩子里面的是核心部件，其他那些大坨的东西是真空泵和电源，另外因为泵在工作时会过热，所以他还加了冷却。

主体部分特写：

看起来似乎有模有样呢 (●—●)

这东西花了他大约100小时时间，制作期间所有的周末全都一心扑在做电镜上。至于花费嘛，大约是1500刀，看起来已经算是十分便宜了呢。

所以，这电镜到底是怎么做出来的？

首先，我们会在图上看到一个钟形的玻璃罩子，这是用来隔绝空气的。电子显微镜要在真空环境下工作，因此Krasnow用这个的罩子罩住了所有的关键部件，然后接上泵给内部抽真空。

罩子里面都有什么呢？首先我们会看到一根直立的铜管，在铜管的上方，是他自己制作的“电子枪”，也就是发射电子的源头。

电子枪的关键部件是一个纤细的钨丝，把钨丝通电加热到高温（2800K左右），它就可以发射电子。

这些电子会替代光学显微镜的光束来进行成像，但它们还不能直接用来照射样品。现在的电子束还比较散，而扫描电镜需要非常集中的电子束。所以接下来要经过的部件是汇聚电子束的“透镜”。可以简单理解为类似光学透镜那样，但是当然原理是不同的，实际上汇聚电子束用的是磁透镜。

经过了透镜之后，电子束会“扫描”样品的表面。接下来，要检测的一个重要的对象是样品表面发出的“二次电子”，这些二次电子能很好地体现物体的表面结构。

在这个DIY电镜中，放样品的地方如下图所示：

接下来，就要收集样品的信号了，在下图中指出的右边这一坨就是一个检测器。首先它需要用高电压把需要检测的电子们都吸引过来，轰击闪烁体产生闪光，并经过光导管、光电倍增管，最终变成放大的电信号。

二次电子检测器示意图

最终，他把这些信号显示在了示波器的荧光屏上。

所以，最终结果如何呢？就是下面这个样子：

还有这样：

（这一坨据说是个项链）

而我们平时见到的电镜照片是这样的：

_(:з」∠)_

好吧，作者本人也承认，

这个DIY电镜无论是分辨率还是放大倍数，其实都还远远不能与市面上的产品相比。 他在示波器上显示的，也只是一些结构简单的图像而已。

但是说实话，他能够成功地把它做出来，还能用，这已经非常非常厉害了！现在市面上的电镜毕竟技术要成熟得多。

在他的油管频道Applied Science中，一共用了五个视频来介绍这个DIY项目（可见是多么复杂……），有兴趣可以找来看看。

顺便说，这个人平时也会用电镜（当然这回是成熟产品了）拍一些有意思的东西，比如下面这个黑胶唱片与唱针的动图就是他的作品：

（这是我的膝盖，别客气请拿走吧！）

参考：http://www.popsci.com/diy/article/2011-07/you-built-what-scanning-electron-microscope

原理图来源：http://www.jeol.co.jp/cn/words/semterms/sem_cn-a_z.pdf

原标题： 厉害炸了！一个自制扫描电子显微镜的人

来源： 酷炫科学

编辑：Dannis

金属科研“神器”：扫描电子显微镜原理及应用

扫描电子显微镜是我们金属科研工作中应用最广泛的“神器”，可以说几乎伴随着每一位研究生度过自己最重要的科研经历，时常“爱也扫描”“恨也扫描”，今天就系统地为新老同学们和需要应用扫描的科技工作者介绍一下扫描电镜的原理及应用。

电子显微镜利用电子成像，类似于光学显微镜使用可见光成像。由于电子的波长远小于光的波长，所以电子显微镜的分辨率要高于光学显微镜的分辨率。

图1 蔡司SIGMA 500场发射扫描电镜

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）,简称扫描电镜，已成为功能强、用途广的材料表征工具，已广泛应用于材料，冶金，矿物，生物学等领域，如图1所示为蔡司场发射扫描电镜。

SEM结构及工作原理‍

SEM主要组成部分是：电子光学系统，信号收集处理系统，图像显示和记录系统，真空系统，电源及控制系统等，如图2所示。

图2 SEM工作原理示意图

它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。

图3 金属断口观察（来源网络）

在SEM中，电子束以栅网模式扫描样品。首先，电子枪在镜筒顶部生成电子。当电子的热能超过了源材料的功函数时，就会被释放出来，然后它们加速向带有正电荷的阳极高速移动。整个电子镜筒必须处于真空状态。

像电子显微镜的所有组件一样，电子枪也被密封在特殊的真空室中以保护它不受污染、振动和噪音的影响。除了保护电子枪不受污染，真空环境有利于得到高分辨率图像。

若非真空环境，镜筒中可能存在其他原子和分子，它们与电子相互作用，使电子束发生偏转，从而降低图像质量。高真空环境也提高了镜筒内检测器对电子的收集效率。

图4 SEM不同信号及其形成区域

样品与电子的相互作用可以产生许多不同类型的电子、光子或辐射。就扫描电子显微镜而言，用于成像的两种电子是指背散射电子和二次电子，如图4所示。

二次电子像原理

二次电子是由于被入射电子“碰撞”而获得能量，逃出样品表面的核外电子，其主要特点是：

(1)能量小于50eV，较易被检测器前端的电场吸引，因而阴影效应较弱。

(2)只有样品表面很浅（约10nm）的部分激发出的二次电子才能逃出样品表面,因此二次电子像分辨率较高。

(3)二次电子的产额主要取决于样品表面局部斜率，因此二次电子像主要是形貌像。

可看成由许多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、凹坑等细节组成，这些细节的不同部位发射的二次电子数不同，从而产生衬度。

二次电子像分辨率高、无明显阴影效应、场深大、立体感强，是扫描电镜的主要成像方式，特别适用于粗糙样品表面的形貌观察。

背散射电子像原理

背散射电子是由样品“反射”出来的入射电子，其主要特点是：

(1)能量高，从50eV到接近入射电子的能量。

(2)穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)，在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围大，图像分辨率较低；

(3)背散射电子产额随原子序数增大而明显增加，即样品平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号，在荧光屏上形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上形成较暗的区域，这样就形成原子序数衬度（成分衬度）。

与二次电子像相比，背散射像的分辨率要低，主要应用于样品表面不同成分分布情况的观察，比如有机无机混合物、合金等。

但严格说，背散射电子也带有形貌信息，尤其是，由于能量高，背散射电子可以认为是直线行进，因而有明显的阴影效应，对于形貌起伏较大的样品表面，立体感甚至优于二次电子像。

只有样品表面较平整，甚至是抛光后的样品才能将背散射像等同于成份像。同样地，二次电子也带有成分信息，只是远没有背散射电子明显而已。举例如下：

图5 锡铅镀层的表面图像

(a)二次电子图像；(b)背散射电子图像

SEM主要性能参数

<1> 分辨率

对微区成分分析而言，分辨率指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点间的最小距离。

SEM分辨率主要受三方面影响：入射电子束束斑直径、入射电子束在样品中的扩展效应、成像方式及所用的调制信号。

二次电子像的分辨率约为5-10nm，背散射电子像的分辨率约为50-200nm。一般来说SEM分辨率指的是二次电子像的分辨率。

<2>放大倍数

放大倍数可从十倍到几十万倍连续可调。

放大倍数：M = L/I，其中L是显像管尺寸，I是光栅扫描时相邻两点间距。M通过调节扫描线圈电流进行，电流小则电子束偏转角度小，放大倍数增大。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择，与分辨率保持一定关系。

<3> 景深

景深指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。估算景深D = 2 r/a = 0.2/(aM) mm，a-电子束张角，M-放大倍数。SEM物镜采用小孔视角、长焦距，可获得很大景深。

<4> 衬度

包括表面形貌衬度和原子序数衬度。表面形貌衬度由试样表面的不平整性引起。原子序数衬度指扫描电子束入射试祥时产生的背散射电子、吸收电子、X射线，对微区内原子序数的差异相当敏感。原子序数越大，图像越亮。二次电子受原子序数的影响较小。高分子中各组分之间的平均原子序数差别不大；所以只有—些特殊的高分子多相体系才能利用这种衬度成像。

SEM应用：形貌观察

材料形貌观察

<1> 金属玻璃（MGs）