标签: 飞纳电镜

一文了解场发射扫描电子显微镜 当我们想观察肉眼看不见的微小物体时，比如昆虫的翅膀结构、芯片上的纳米级电路，甚至病毒的外形，普通的显微镜就无能为力了。这时，科学家们会请出一台“微观世界的高清摄像机”—— 场发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM） 。它不仅能让微观世界清晰可见，还能揭示材料表面隐藏的“秘密”。 一、什么是场发射扫描电子显微镜？ 扫描电子显微镜（SEM）是一种利用电子束扫描样品表面并成像的设备，而场发射扫描电镜（FE-SEM）则是它的“升级版”。最大的区别在于电子源的“发射方式”。 普通SEM的电子枪通过加热金属（如钨丝）发射电子（热发射），而FE-SEM的电子枪则像“武侠高手用内力逼出暗器”一样——通过施加超强电场，直接从尖锐的针尖表面“拉”出电子（场致发射）。这种技术让电子束更细、亮度更高，成像分辨率直接“开挂”。 二、场发射扫描电子显微镜如何工作？ 发射电子 ：在超高真空环境中，场发射电子枪的钨针尖（或单晶碳化钨）在强电场下发射出极细的电子束。 加速聚焦 ：电子被高压（通常1-30 kV）加速，再通过电磁透镜“瘦身”，形成直径仅纳米级的电子束。 扫描样品 ：电子束像画笔一样逐行扫描样品表面，激发出二次电子、背散射电子等信号。 成像 ：探测器捕捉信号，计算机将其转化为黑白图像。哪里电子多，哪里就更亮，最终形成样品的“立体高清照”。 三、为什么场发射扫描电子显微镜更厉害？ 分辨率逆天 ：普通SEM分辨率为3-5纳米，FE-SEM可达0.4-1纳米（相当于看清DNA双螺旋结构）。 低电压神器 ：普通SEM需要高电压（5 kV）才能工作，容易损伤样品；FE-SEM在1 kV以下也能高清成像，适合观察脆弱材料（如生物样本、有机薄膜）。 立体感爆棚 ：通过二次电子成像，FE-SEM能让蚂蚁的触角、花粉的凹凸结构呈现3D效果，仿佛触手可及。 四、它能看到什么？ FE-SEM在科研和工业领域大显身手： 材料科学 ：观察纳米颗粒的排列、锂电池电极的微观裂纹。 生命科学 ：拍摄细胞表面结构、病毒与抗体的“战斗现场”。 半导体工业 ：检测芯片电路的缺陷，精度远超光学显微镜。 考古学 ：分析千年古剑的锈蚀层，揭秘古代冶炼技术。 五、FE-SEM的“小缺点” 虽然强大，但它也有局限： 样品必须导电 ：非导电材料需喷镀金或碳层，可能掩盖真实结构。 真空环境限制 ：活体生物样本无法直接观察。 身价不菲 ：一台FE-SEM价格可达数百万人民币，维护成本也高。 六、未来：更智能、更亲民 随着技术进步，FE-SEM正朝着“低真空模式”“原位动态观测”（如观察材料在加热或拉伸时的实时变化）方向发展。人工智能的加入也让图像分析更高效。或许未来，这种“微观相机”会像手机一样走进更多实验室，揭开更多自然界的未解之谜。 结语 场发射扫描电镜就像人类窥探微观世界的“火眼金睛”，从纳米材料到病毒战场，它将不可见变为可见，让科学探索的边界不断拓展。下次当你看到一张惊艳的微观照片时，或许背后就有一台FE-SEM在默默工作呢！

​背散射电子成像 扫描电镜成像主要是利用样品表面的微区特征，如形貌、原子序数、晶体结构或位向等差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，使荧光屏上不同的区域呈现出不同的亮度，从而获得具有一定衬度的图像。 当电子束和试样表层发生作用时，会产生大量的背散射电子，这些背散射电子衬度包含三种信息： 样品表层形貌信息，凸起、尖锐和倾斜面的背散射电子多，探头接收到的信号强，图像较亮，即形貌衬度(topography contrast)； 原子序数信息，原子序数越大，背散射电子越多，探头接收到的信号越强，反映在图像上就越亮，即原子序数衬度成像(Z-contrast)； 晶体取向信息，背散射电子的强度取决于入射电子束与晶面的相对取向。晶体取向和入射电子束方向的改变均可导致 BSE 强度的改变(Electron channeling contrast，简称ECC，由此得到的衬度像简称ECCI)。 这篇文章主要讲扫描电镜成像中 ECCI的原理及应用。 Part.1 ECCI的历史 20世纪60年代末70年代初，由Coaster，Booker等人发现晶体取向也能产生衬度，他们提出和发展了电子通道效应和技术，这一发现很快地在材料科学的各个领域被用来进行有关结晶学问题的研究，但没有得到广泛应用。近几年由于电镜技术提高，开始发挥其有效作用，与晶体取向以及晶体内缺陷密度有关联的衬度显示，能解析很多材料显微现象，从而扩大了扫描电镜的功能和应用范围。 Part.2 ECCI的原理 金属、陶瓷、矿物等材料多为多晶材料，且每个晶粒取向不尽相同。当入射电子束照射到样品表面时，试样表层晶面和入射电子束的夹角也不相同。 入射电子束与晶面间的夹角越大时，溢出试样表面的背散射电子就越多，探头接收到的信号越强，图像亮度越高；相反，入射电子束与晶面之间的夹角越小时，晶面间形成通道，背散射电子多数进入试样内部，溢出试样表面的背散射电子越少，信号越弱，图像越暗。 由此可形成电子通道衬度成像(ECCI)，原理如图所示。 电子通道衬度成像原理粒子模型示意图 入电子束与晶面的夹角对背散射电子强度的影响：(a)夹角越大背散射电子数目越多；(b)夹角变小时背散射电子减少。 对于成分均匀、且抛光成平面的多晶材料，背散射电子的强度取决于入射电子束与晶面的相对取向。相对取向差越大的晶粒，成像越亮，因此可以定性地知道晶粒的取向分布情况。 Part.3 飞纳台式扫描电镜的ECCI应用 扫描电镜下金相：不同晶粒的明暗不同 扫描电镜下锂电池正极材料颗粒切片 扫描电镜下钢铁 HCP 马氏体（明暗条纹代表不同晶面取向） 扫描电镜下钢铁孪晶(不同条纹方向代表不同的滑移面) Part.4 ECCI的部分应用案例 01 研究金属的变形 应用电子通道显微术可以观察多晶试样的位向衬度，可以显示未经金相腐蚀的晶界，特别是孪晶界和亚晶界，可用来分析多晶材料塑性变形的性质。 扫描电镜下变形微观组织的ECCI像（左图）0.05 真应变，（右图）0.1 真应变 02研究裂纹扩展 材料拉伸断裂时，裂纹扩展方向与材料内部的微观组织有关。 扫描电镜下裂纹扩展样品微观组织的ECCI像（左图）沿晶界扩展，（右图）沿变形孪晶界扩展 配合飞纳电镜的原位拉伸样品台，可以实时观察裂纹扩展与材料微观组织的相关关系，并可对扩展方向和扩展速率做定量分析。 03 结合EBSD使用 在EBSD面扫之前,先用ECCI成像观察晶粒尺寸,发现缺陷、形变区及再结晶晶粒等区域，然后用EBSD技术设定合理的扫描区域大小及扫描步长对感兴趣区域进行晶体取向标定。EBSD与ECCI的结合可以充分发挥晶体取向成像技术在材料研究中的优势。EBSD的空间分辨率约为30nm~50nm，而ECCI可以观察到 EBSD 看不到的特征，比如位错结构、孪晶界、变形带等，因此，ECCI与EBSD的连用，可以提高EBSD的空间分辨率。 04应用与纳米材料研究 由于ECCI成像技术可以观察到纳米结构，因此该技术在纳米材料研究领域会有一定的应用前景。现在已经应用到实用钢和半导体（如SiC、GaN、SiGe等）领域的分析。 Part.5 样品制备 对于ECCI成像，样品的制备和EBSD技术要求一样，试样表面需尽可能的平整，从而尽最大程度滤掉形貌衬度。同时要求样品表层无残余应力，表层晶体信息未受到破坏。 通常用于EBSD制样的机械抛光、电解抛光和振动抛光等方法，均可制备出用于背散射成像观察的样品。建议采用结合离子研磨抛光仪的方式，可以获得大面积的ECCI图像观察区域。 SEMPREP SMART配备了高能量和可选的低能量氩离子枪。这款设备是用于扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）样品的最终加工和清洁的理想选择。离子加工可以改进和清洁机械抛光的SEM样品，并为EBSD分析制备无损表面。该设备还适用于快速截面加工。为您制备高精度和高质量的样品，例如在半导体测试或锂离子电池隔膜的截面检查中均能实现出色的效果。 镶嵌在钛中的镍丝的横截面加工 镍丝的 EBSD 图 使用氩离子抛光仪的横截面无需任何额外处理即可用于 EBSD 分析 SEMPREP SMART 台式离子研磨仪 定位精准：可实现±1微米 离子枪能量最高：0-16kV 超大样品腔室：可容纳直径50mm 独家制冷设计：液氮LN2制冷 可选特色功能：支持真空转移 参考文献 I. Gutierrez-Urrutia, D. Raabe, Dislocation and twin substructure evolution during strain hardening of an Fe–22wt.% Mn–0.6wt.% C TWIP steel observed by electron channeling contrast imaging, Acta Materialia, Volume 59, Issue 16, 2011, Pages 6449-6462, ISSN 1359-6454 Motomichi Koyama, Eiji Akiyama, Kaneaki Tsuzaki, Dierk Raabe,Hydrogen-assisted failure in a twinning-induced plasticity steel studied under in situ hydrogen charging by electron channeling contrast imaging, Acta Materialia, Volume 61, Issue 12,2013, Pages 4607-4618,ISSN 1359-6454

​在工业和科学研究领域，扫描电子显微镜是常见的研究材料微观结构的仪器之一。研究人员使用扫描电镜对样品进行微观形貌观察和元素成分分析。扫描电镜按照外形尺寸可以分为两种，其中一种通常被称为落地式扫描电镜（Floor Model SEM），另一种是 台式扫描电镜 （Desktop SEM）。 落地式扫描电镜 台式扫描电镜 落地式扫描电镜的发展历史可以追溯到电子显微镜的新兴时代。顾名思义，它占据了大量空间—从地面延伸到大约 1.5 米的高度。随着科技发展以及市场需要，一种体积小巧的小型化扫描电镜诞生，通常也被称为桌面式或台式扫描电镜（SEM），体积缩小了将近80%。除了外型尺寸外，落地式扫描电镜和台式扫描电镜之间的区别还体现在探测器、易操作性、安装环境和价格等方面。 01 探测器 根据市场需求，多数用户表示，使用扫描电镜的主要做形貌的观测和成分的分析。因此，台式扫描电镜主要聚焦两个核心功能：用于形貌观测（集成背散射电子探测器（BSD）和二次电子探测器（SED），以及用于成分分析（结合 EDS 能谱探测器），因此台式扫描电镜可以得到广泛应用。 落地式电镜则可以满足一些特定研究的需求，比如可以添加不同的探测器：WDS（波谱仪）、CL（阴极荧光）和 XRF（X 射线荧光光谱仪）等。 02 易操作性 落地式扫描电镜系统更为复杂，新用户需要在短期内掌握全新的知识。尽管全面掌握扫描电镜系统的各个参数设定可能会有好处，但大量的选项也增加了操作的复杂性，这给没有经验的用户带来了很大的挑战。除此之外，落地式 SEM 大多需要进行大量培训，因此通常需要一名专职技术人员来制备样品、操作并进行维护。 提高 SEM 的可操作性是研发台式扫描电镜的动机之一。简单友好的用户界面使得用户可以快速完成培训，从而降低了扫描电镜的操作技巧要求。台式扫描电镜操作很简单，几乎没有经验的用户也可以通过短时间的学习来获取高质量的图像。 界面简洁，智能操作 03 安装环境要求 落地式 SEM 需要占据大量的空间来容纳整个电镜系统，甚至需要专门的安装房间，并在特定的防磁防震环境中才能正常运行。降低安装环境要求是研发桌面式 SEM 的另一驱动力，小型化和专利防震的设计提升了系统对振动和电磁场的耐受性。台式扫描电镜不需要安装在防磁防震环境中，甚至可以放置在产线旁、移动车厢内，搬运也非常方便，节省了空间以及场地改造费用，增加了使用场景的灵活性。 车载扫描电镜 落地式 SEM 通常放置在专门的显微镜中心，并由专门的人员进行管理和操作。需要使用SEM的研究人员必须将样品带到中心，并寻求专家的帮助，以此来获取他们需要的图像信息。这意味着急需数据的周转时间从几小时到几周不等。然而，台式扫描电镜可以直接放置在研究人员的实验室里，并且也不局限于楼层限制，根据需要可以快速、及时使用。 放置于 7 楼的 Phenom Pharos G2 04 总费用 落地式 SEM 由于设备的大尺寸和复杂性，想要购买落地式扫描电镜的人员还必须考虑该仪器额外的花费，包括改造安装环境（防震防磁设备）费用、操作维护该系统所需的经验丰富的专家费用。因此在大多数情况下，购买并维护落地式 SEM 的成本很高。 购买台式扫描电镜不需要额外的改造安装环境费用，可以快速学习并上手操作。易操作、成本低，因此对于大多数检测应用来说，是一个非常具有吸引力的选择。 结论 这两种类型的扫描电子显微镜都能在工业和科学研究领域中发重要作用，但在选择仪器时必须仔细权衡两种类型扫描电镜的参数以及易操作性、安装环境要求，时效性和总体费用等。

​目录 前言 扫描电镜基础知识 扫描电镜的核心技术与应用 100个扫描电镜知识点汇总 结语 前言 随着科技的不断进步，扫描电子显微镜（SEM）已经成为科研、工业检测、材料科学等领域的重要工具。无论是对样品表面微观形貌的观察，还是对化学组成、晶体结构的分析，SEM 都展现出了无可替代的优势。本文将系统整理出 100个关于扫描电镜的核心知识点 ，帮助大家从入门到精通，全面了解这一技术。 提示： 如果你觉得本文对你有帮助，请收藏、分享并留言，让更多人了解扫描电镜的魅力！ 扫描电镜基础知识 什么是扫描电镜？ 扫描电子显微镜（SEM）是一种利用电子束扫描样品表面，并通过探测二次电子、背散射电子或其他信号生成图像的仪器。其主要优势包括高分辨率、深景深以及多种成像模式。 SEM的工作原理 电子束产生： 电子枪发射电子束。 聚焦与扫描： 电子束通过聚焦系统，在样品表面扫描。 信号检测： 二次电子、背散射电子、X射线等信号被检测器捕获。 图像生成： 经过处理后生成高分辨率图像。 常见应用领域 材料科学与工程 生物医学 半导体及电子器件 纳米技术与表面工程 图1：扫描电子显微镜工作原理示意图 扫描电镜的核心技术与应用 扫描电子显微镜的发展依托于以下几项核心技术： 电子光学系统： 确保电子束高效聚焦与精确扫描。 真空系统： 保证样品在高真空或低真空环境中被观察，减少电子与气体分子碰撞。 信号探测器： 多种检测器（如二次电子探测器、背散射电子探测器、能谱仪）协同工作，实现成像与成分分析。 数字图像处理： 提高图像分辨率和对比度，为后续数据分析提供支持。 在材料科学、生命科学、微电子领域，SEM已成为不可或缺的分析工具，为研究者提供了精确、直观的数据支持。 100个扫描电镜知识点汇总 下面为大家整理出100个关于扫描电镜的核心知识点，分为基础知识、操作技巧、应用案例以及维护保养四大部分。每个知识点均力求简明扼要，便于收藏与查阅。 基础知识（1-25） SEM的全称 ：扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope）。 工作原理 ：利用电子束扫描样品并检测信号生成图像。 主要成像信号 ：二次电子、背散射电子。 分辨率优势 ：分辨率通常在纳米级。 景深特点 ：具有较高的景深，适合观察三维结构。 样品导电性要求 ：非导电样品通常需要金属喷镀。 样品前处理 ：除金属喷涂外，还包括固定、脱水等工序。 加速电压 ：决定入射电子的能量，一般在1-30 kV之间调节。 工作模式 ：高真空、低真空和环境扫描模式。 电子束聚焦 ：依靠电磁透镜进行聚焦控制。 透镜系统 ：包含聚焦透镜、柱状透镜和扫描线圈。 二次电子成像 ：适用于表面形貌观察。 背散射电子成像 ：用于成分对比和材料分析。 X射线能谱（EDS） ：分析样品化学成分的重要工具。 样品台 ：可调节样品角度和位置，便于多角度观察。 真空腔体 ：确保电子束传播不受气体分子干扰。 离子泵和涡轮泵 ：常用于维持真空环境。 信号放大器 ：放大弱信号，确保图像质量。 图像分辨率与对比度调节 ：依赖于电压、探测器设置等参数。 扫描速度 ：影响图像细节与噪声水平的参数。 低加速电压应用 ：保护样品，减少电荷累积。 样品脱气 ：防止样品在真空中因挥发导致图像污染。 样品固定方式 ：常用碳胶带、导电胶固定样品。 成像软件 ：现代SEM配备强大图像处理软件。 操作人员培训 ：熟练掌握仪器操作和安全知识非常重要。 操作技巧（26-50） 初步调焦 ：使用低放大倍数进行初步调焦。 自动对焦功能 ：部分设备具备自动对焦，简化操作。 手动调节 ：对特殊样品需要手动精调焦点。 电子束校准 ：定期校准确保成像精度。 参数预设 ：保存常用成像参数，提高重复性。 样品预热 ：有助于减少样品表面电荷积累。 低电压操作技巧 ：适用于生物样品和软材料。 图像叠加技术 ：多次扫描图像叠加可提高信噪比。 镜头电流调节 ：确保电子束均匀稳定。 快速预览模式 ：适合快速浏览样品大致结构。 多角度观察 ：调整样品台角度获取不同视角图像。 图像对比度调节 ：利用软件调节对比度，突出细节。 图像缩放与拼接 ：实现大面积样品的全貌展示。 数据存储与备份 ：定期保存原始图像数据。 显微镜校验标准 ：参考国家或行业标准进行设备校验。 信号噪音控制 ：降低背景噪音，保证图像质量。 样品清洁 ：保持样品表面无尘、无油污。 温湿度控制 ：实验室环境对SEM稳定性有重要影响。 振动隔离 ：安装防振台减少外界干扰。 软件更新 ：定期更新设备固件和图像处理软件。 图像后期处理 ：利用滤波、增强等技术提升图像质量。 设备维护记录 ：记录每次维护情况，便于追踪问题。 操作手册参考 ：严格按照设备操作手册使用仪器。 安全防护 ：遵循操作规程，避免电子束辐射危害。 疑难问题排查 ：遇到问题及时咨询厂家技术支持。 应用案例（51-75） 材料表面形貌分析 ：直观展示材料微观结构。 纳米结构观察 ：实现对纳米颗粒、纳米线的观察。 断口分析 ：帮助研究材料断裂机制。 晶粒尺寸测量 ：用于金属及合金微观结构分析。 腐蚀行为研究 ：观察材料表面腐蚀特征。 涂层厚度测量 ：结合EDS分析实现涂层厚度测定。 微生物形态学 ：用于细菌、病毒、细胞观察。 生物组织切片成像 ：配合低温SEM观察生物样品。 半导体器件检测 ：检测芯片、电路板等电子元件缺陷。 故障分析 ：用于电子产品、机械零部件的失效分析。 复合材料研究 ：研究材料界面和分散状态。 颗粒物形态测量 ：应用于环境监测与颗粒物分析。 催化剂表面分析 ：观察催化剂表面的结构变化。 能源材料研究 ：用于燃料电池、电池材料的微观分析。 文物保护 ：对古文物进行非破坏性微观检测。 金属疲劳分析 ：观察金属疲劳裂纹及其扩展规律。 陶瓷材料观察 ：分析陶瓷材料的晶体结构和缺陷。 涂层与界面分析 ：研究不同材料界面的相互作用。 纳米颗粒分布 ：统计纳米颗粒尺寸和分布规律。 材料相变研究 ：观察材料在不同温度下的形貌变化。 高分子材料检测 ：用于聚合物表面形态及断裂分析。 生物矿化作用研究 ：分析生物组织中矿物质沉积现象。 先进复合材料检测 ：用于航空、汽车复合材料的缺陷检测。 应力分析 ：通过形貌变化推测材料受力情况。 工艺优化 ：通过对比不同工艺下样品的微观结构，优化制程参数。 维护保养与设备管理（76-100） 定期清洁镜头 ：防止灰尘影响电子束聚焦。 真空系统检查 ：定期检查泵及密封部件。 电子枪维护 ：保持电子枪处于最佳工作状态。 冷却系统维护 ：确保仪器温度稳定，防止过热。 电缆及接口检查 ：防止因接触不良引起故障。 日常校准 ：记录校准数据，确保长期精度。 软件备份 ：定期备份系统数据及参数设置。 技术培训 ：定期组织技术培训，提高操作水平。 设备日志记录 ：详细记录每次使用及维护情况。 防静电措施 ：保护电子元件和样品免受静电干扰。 定期升级硬件 ：根据使用情况进行必要的硬件升级。 备件储备 ：保持常用备件库存，减少停机时间。 仪器防尘措施 ：使用防尘罩保护仪器外部和真空室。 仪器校验报告 ：保存校验报告，便于质量追溯。 厂商支持联系 ：定期与厂商技术支持保持联系，解决疑难问题。 设备环境监测 ：监控实验室温湿度及振动情况。 定期检修计划 ：建立设备定期检修计划，预防性维护。 清洁剂使用规范 ：使用厂家推荐的清洁剂，避免损伤仪器部件。 防辐射措施 ：确保操作人员佩戴防护装备，避免长时间暴露在电子束下。 文档与记录管理 ：建立完善的仪器管理档案。 用户反馈采集 ：定期收集操作人员的反馈，改进使用方法。 技术论坛交流 ：参加学术论坛与线上讨论，吸收最新技术资讯。 节能措施 ：合理规划使用时间，降低能耗。 应急预案 ：建立故障应急预案，确保仪器突发问题及时处理。 持续创新 ：关注新技术、新材料和新应用，保持设备和技术的前沿性。 结语 扫描电子显微镜作为现代科研和工业检测的重要工具，其知识点涵盖了从基础原理、操作技巧到实际应用和设备维护的各个方面。本文整理出的100个知识点，旨在帮助广大用户快速掌握SEM的核心内容，提升科研效率和技术水平。希望这份详实的知识汇总能为你在探索微观世界的旅程中提供有力的支持！ 相关阅读与推荐 《扫描电子显微镜操作指南》 – 详细解读SEM操作流程。 《纳米技术与电子显微分析》 – 深入探讨纳米结构的成像与分析。 《材料表面工程》 – 材料表面处理与SEM应用的经典读物。 分享与收藏 如果你觉得这篇文章有帮助，请收藏、分享并在评论区留言，让更多人了解扫描电镜的奥秘。