SEM

1 什么是扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope ，缩写 为SEM），简称扫描电镜，是利用细聚焦电子束在样品表面扫 描时激发出来的各种物理信号来调制成像的一种常用的显微分 析仪器。

2 SEM的发展

2.1 SEM的发展历史1935年提出扫描电子显微镜的设计思想[1, 2]。

1942年在实验室制成第一台扫描电子显微镜。

1965年在英国诞生了第一台实用化的商品扫描电子显微镜， 表明扫描电子显微镜具有广泛的应用价值。

1965年以后是扫描电子显微镜的精细化发展阶段。

1968年场发射扫描电子显微镜研发成功，极大提高了扫描电 子显微镜的分辨率。

2002年日本日立公司推出S-4800型高分辨场发射扫描电子 显微镜（FESEM）。

2.2 SEM在中国的发展

1975-1983年，自行设计研制期，研制成功DX - 3 型SEM[3]。

1983-1987年，从美国Amray公司的引进SEM技术并消化，推出KTYKY-1000B SEM。

1987-2000年，自主研发集中期,许多机构投入SEM 研制领域。

2000年至今，缓慢自主研发期。

3 SEM的结构

扫描电子显微镜主要以下几部分构成（图 1）：

（1） 电子光学系统：电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品 室。

（2） 扫描系统：扫描信号发生器，扫描放大控制器，扫描 偏转线圈。

（3） 信号探测放大系统：接收二次电子，背散射电子等电 子信号并放大。

（4） 图像显示和记录系统：SEM采用计算机进行图像显示和记录。

（5） 真空系统：机械泵，扩散泵和涡轮分子泵等。

（6） 电源系统。

4 SEM的成像原理及特点

4.1 电子束与样品的作用

电子枪产生的电子束轰击样品时主要产生图2所示的各种信号

（1）二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样 品表面的样品原子的核外电子。二次电子特点是能量低，小于 50 eV，只有样品表层5-10 nm深度范围内的二次电子才能离 开样品表面。对样品的表面形貌十分敏感，产率高，成像分辨 率高，能非常有效地显示表面形貌。二次电子地产额和原子序数之间没有明显地关系，不能用它进行成分分析。

（2） 背散射电子：被样品中的原子反弹回来的一部分入射电子，可分为弹性背散射电子和非弹性背散射电子。能量高，分布范围宽，为数十电子伏到数千电子伏。弹性背散射电子比非弹性背散射电子所占数量多。背散射电子来自样品表面几百 纳米的深度范围。背散射电子产额随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析（分辨率不如二次电子）而且可 以用来显示原子序数衬度，定性用作成分分析。

（3） 其他信号：透射电子是入射电子的一部分，如果样品 很薄，就会产生透射电子，可以用作微区成分分析。特征X射 线是原子内层电子被轰出后，外层电子向内层跃迁产生的，可 以用特征X射线判定微区中存在的元素。在入射电子激发样品 的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释 放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能 量把空位层内的另一个电子发射出去（或使空位层的外层电子 发射出去），这个被电离的电子成为俄歇电子。俄歇电子特别 适用于表面成分分析。

从以上各种物理信号的空间分辨率（表1）和产率可以看 出，二次电子和背散射电子是扫描电子显微镜的主要成像信号。

4.2 成像原理

电子枪产生的电子束经过电磁透镜聚焦，扫描线圈控制电子 束对样品进行扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，探测 器将物理信号转换成图像信息。样品不同的形貌表现出不同的衬度（图像不同部位之间的亮度差异），因此扫描电子显微镜 可以观察到样品的表面的形貌[5]。

注意，突出的尖棱，小粒子和比较陡峭的斜面处二次电子产 额较多，在图像上表现为亮度较大。平面的二次电子产率较 小，在图像上表现为亮度较低。在深的凹槽处二次电子产率也 高，但是，二次电子离开样品表面的数量少，在图像上表现为 较暗。

4.3 特点

（1） 图像景深大，立体感强

（2） 分辨率高

（3） 制样简单

（4） 可直接观察大尺寸试样

（5） 观察的视场大

（6） 对样品表面的污染小

（7） 试样在样品室中的自由度大

（8） 放大倍数大，从数倍到几十万倍

（9） 可以进行许多原位实验

5 SEM的应用

5.1 形貌分析

Lu等[6]通过水热法一步合成氮掺杂碳所包覆的FeSe2团簇用于钾离子电容器负极材料，性能优异，并借助扫描电镜观察到 所合成的FeSe2/N-C形貌为由纳米棒组成3D团簇结构，团簇直径大约为1.5-2.5微米（图 3）。

5.2 截面尺寸观察

Wu等[7]通过使用一锅水热法合成了氮掺杂氧化石墨烯包覆的聚锑酸（PAA⊂N-RGO），作为锂离子和钾离子电池负极电 极材料，表现出优异的倍率和循环性能。如图4所示，采用 FESEM观察三种样品的初始态和放电末态（放电到0.01 V）， 发现样品PAA⊂N-RGO通过N-RGO的包覆极大缓冲了充放电 过程中体积膨胀，这揭示了PAA⊂N-RGO材料电化学性能优异 的原因。

5.3 EDX元素分析

Wu等[8]借助SEM观察了Mn2-xSb2O7的微观形貌（图5a）,并根据EDX分析了元素组成及含量，确定所合成的物质Mn1.41Sb2O7。

图5（a）Mn2-xSb2O7的SEM图像（b）相应的EDX结果

5.4 Mapping

Li 等[9]构建了一种高度定向石墨烯（HOGS），用作钠离子电容器正极材料，表现出极好的电化学性能，并借助FESEM观 察放电态HOGS的形貌（图6a），图6b-d的Mapping图则表 明元素C，O，Na均匀分布。Na元素的出现证明了放电过程中 有赝电容参与电化学反应，支持了HOGS的钠离子赝电容储能 机理。

参考文献

[1] 罗晓晶. 扫描电镜的发展及其在医药领域的应用[J]. 山东工业技术. 2018:22

[2] 刘彻. 扫描电镜的发展及其在聚合物材料研究中的应用 [J]. 中山 大学研究生学刊(自然科学.医学版). 2013,34:7-12

[3] 李志荣, 郑佳, 等. 中韩扫描电子显微镜发展情况比较研究[J]. 全 球科技经济瞭望. 2013,28:64-68

[4] 周玉. 材料分析方法[M]. 北京：机械工业出版社，2019.

[5] 吴立新，陈方玉. 现代扫描电镜的发展及其在材料科学中的应用

[J]. 武钢技术. 2005:36-40

[ 6 ] Ge, J. , et al. Nature of Fe Se 2 / N‐ C Anode for High Performance Potassium Ion Hybrid Capacitor[J]. Advanced Energy Materials, 2019. 10(4): p. 1903277.

[7] Wang, B., et al. Realizing Reversible Conversion‐Alloying of Sb(V) in Polyantimonic Acid for Fast and Durable Lithium‐ and Potassium‐Ion Storage[J]. Advanced Energy Materials, 2019. 10(1).

[8] Wang, B., et al. Three-dimensional cross-linked MnO/Sb hybrid nanowires co-embedded nitrogen-doped carbon tubes as high-performance anode materials for lithium-ion batteries[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020. 835.

[9] Ma, H., et al. Highly Ordered Graphene Solid: An Efficient Platform for Capacitive Sodium-Ion Storage with Ultrahigh Volumetric Capacity and Superior Rate Capability[J]. ACS Nano, 2019. 13(8): p. 9161-9170.