扫描电子显微镜（SEM）的原理及应用

扫描电子显微镜（SEM）的原理及应用

Milestone Pharm

扫描电子显微镜（SEM），是自上世纪60年代迅速发展起来的一种新型的电子光学仪器，是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，广泛应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造等研究领域。

✦扫描电镜的优点 ✦

1. 有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调

2. 有很大的景深，视野大，图像分辨率高，保真度高

3. 成像富有立体感，有真实的三维效应，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构

4. 试样制备简单

5. 对于导电材料可直接放入样品室分析，对于导电性差或绝缘样品可喷镀导电层后观察

6. 可与能谱（EDS）联用，满足成分分析需求

✦扫描电镜工作原理 ✦

光学显微镜的分辨率常用以下公式进行表示：

公式中，λ为波长，n为折射率，α为孔径角。受可见光波长范围的限制，光学显微镜的极限分辨率约为0.2μm。为突破这一极限，科学家利用波粒二象性原理（即电子在加速电压下运动，其波长可达可见光波长的十万分之一），以电子束替代可见光源，诞生出了高分辨的电子显微镜。

电子枪产生的高能电子束轰击试样时，与试样原子核及核外电子相互作用，产生多种信号（如二次电子、背散射电子等），这些信号能反映试样的形貌、结构和成分信息。

图1 电子与试样相互作用示意图图1 电子与试样相互作用示意图

扫描电子显微镜主要利用二次电子及背散射电子进行成像，能谱仪则是利用特征X射线的能量和强度进行定性、定量分析。各种信号的特征、用途、分析深度总结如下表。

表1 各种信号的特征、用途及分析深度表1 各种信号的特征、用途及分析深度

✦我们的服务 ✦

明捷医药药物分析平台拥有离子溅射仪、台式扫描电镜，并配备有背散射探测器（BSD）、二次电子探测器（SED）和能谱探测器，可为客户提供形貌观察 、元素分析 等服务。形貌观察，涵盖原料药 、辅料、药物制剂（片剂、丸剂、冲剂等） 、药包材 、医疗器械 等产品；元素分析，可实现B（硼）至U（铀）范围内所有元素 的检测分析。

1. 药物颗粒形貌及粒径分析（原料药及辅料形状、晶癖、尺寸分析）

2. 共晶判断（不同化学物质之间形成共晶or物理混合）

3. 异物鉴别与分析（如金属、玻璃、硅油等异物的鉴别分析）

4. 药包材相容性研究（如观察玻璃瓶内表面侵蚀、脱片）

5. 药物制剂分析（如制剂表面、截面的形貌和元素分布状况）

6. 包材及医疗器械高分子材料的研究与开发（如包装材料层厚度、孔洞缺陷观察等）

图2 Phenom XL G2台式扫描电镜

✦应用案例 ✦

案例 1

固体颗粒物形貌观察及粒径测试

图3 某样品的形貌及粒径分析结果

案例 2

包材及医疗器械表面性质观察与评估

图4 某医药用高分子薄膜打孔后的SEM图

案例 3

药物制剂成分分布分析

图5 某微丸制剂截面SEM-EDS结果

谢谢观看！

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）