什麼是SEM?淺談掃描式電子顯微鏡技術

Antonis Nanakoudis (Thermo Fisher Scientific Phenom 專業工程師) 著

勀傑團隊譯

掃描式電子顯微鏡已經變成一個材料分析表徵強大而多用途的工具。近年來，由於越來越小尺寸的材料應用在更多的應用上，越顯其重要性。下面文章，我們將解答”什麼是SEM?”以及描述SEM主要工作原理。

什麼是SEM?

SEM是掃描式電子顯微鏡的縮寫。電子顯微鏡使用電子束成像，就如同光學顯微鏡是利用可見光。

SEM使用特定的電子掃描光束，使用被反射或從樣品近表面區域擊落的電子來形成圖像。由於電子的波長遠小於光的波長，因此SEM的分辨率優於光學顯微鏡。

市面上電子顯微鏡分為兩種主要類型：

1.透射電子顯微鏡（TEM），使用電子檢測穿過非常薄的樣本成像。

2.掃描電子顯微鏡（SEM），它使用被反射或從樣品的近表面區域擊落的電子來產生圖像。

SEM技術如何運作？

現在我們將專注於SEM上。SEM技術的示意圖如下方圖1所示。在這種電子顯微鏡中，用電子束掃描樣品。首先，電子藉由燈絲聚焦電子槍頂端產生。當它們的熱能克服了燈絲材料的功函時，就會發出這些光，然後它們被加速並被帶正電的陽極吸引。您可以從另一篇文章關於不同類型電子源及其特性的文章中獲得更詳細的說明。

整個電子槍必須處於真空狀態，像電子顯微鏡的所有組件一樣，電子源也被密封在一個特殊的艙內，以保持真空並保護其免受污染、振動或噪音干擾。儘管真空保護電子源不受污染，但也能讓用戶獲取高分辨率圖像。在沒有真空的情況下，真空柱中可以存在其他原子和分子。它們與電子的相互作用會導致電子束偏轉並降低圖像質量。此外，高真空度提高了真空柱中檢測器對電子的收集效率。

如何控制電子路徑？

和光學顯微鏡相似，電子顯微鏡使用透鏡控制電子的路徑。由於電子無法穿過玻璃，此處使用的透鏡是電磁的。他們簡單地由金屬極片的線圈組成，當電流通過線圈時，會產生磁場。隨著電子對磁場非常敏感，它們在顯微鏡電子路徑可通過被這些電磁透鏡控制 – 透過簡單地調整施加給它們的電流。

一般來說，使用兩種類型的電磁透鏡：
聚光透鏡是電子射向樣品的第一個透鏡。該透鏡在電子束錐打開前會聚束，並在撞擊樣品之前被物鏡再次會聚。聚光透鏡確定電子束的大小（確定分辨率），而物鏡的主要作用是將電子束聚焦到樣品上。

掃描電子顯微鏡的透鏡系統還包含掃描線圈，用於將光束光柵化到樣品上。一般情況下，光圈與透鏡組合在一起可以控制光束的大小。典型的SEM儀器的這些主要組件如上方圖1所示。

SEM有什麼樣種類的電子？

電子與樣品的相互作用可導致產生許多不同類型的電子、光子或輻射。在SEM的情況下，用於成像的兩種電子是背向散射（BSE）和二次電子（SE）。

背向散射的電子屬於一次電子束，在電子束與樣品之間發生彈性相互作用後被反射回去。另一方面，二次電子起源於樣品的原子：它們是電子束與樣品之間非彈性相互作用的結果。

BSE來自樣品的較深區域（圖2），而SE來自表面區域。因此，BSE和SE攜帶不同類型的信息。BSE圖像顯示出對原子序數差異的高度敏感性：原子序數越高，圖像中出現的物質越亮。

SE成像可以提供更詳細的表面信息-您可以在圖3中看到。在許多顯微鏡中，由於電子物質相互作用而產生的X射線檢測也被廣泛用於執行樣品的元素分析。每種材料都會產生具有特定能量的X射線。 X射線是材料的指紋。因此，通過檢測成分未知的樣品發出的X射線能量，可以識別其包含的所有不同元素。

偵測電子的方式？

上述電子的類型由不同類型的檢測器檢測。為了檢測BSE，將固態檢測器與電子束同心放置在樣品上方，以使BSE收集最大化。另一方面，為了檢測SE，主要使用Everhart-Thornley檢測器。它由法拉第籠內的閃爍體組成，閃爍體用於加速電子並將其轉換為光，然後到達光電倍增器進行放大。 SE檢測器以一定角度放置在電子室的側面，以提高檢測二次電子的效率。這些二次電子用於形成樣品的3D圖像，該圖像在螢幕上顯示。