掃描電子顯微鏡是我們金屬科研工作中應用最廣泛的「神器」，可以說幾乎伴隨著每一位研究生度過自己最重要的科研經歷，時常「愛也掃描」「恨也掃描」，今天就系統地為新老同學們和需要應用掃描的科技工作者介紹一下掃描電鏡的原理及應用。
電子顯微鏡利用電子成像，類似於光學顯微鏡使用可見光成像。由於電子的波長遠小於光的波長，所以電子顯微鏡的解析度要高於光學顯微鏡的解析度。
圖1 蔡司SIGMA 500場發射掃描電鏡
掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）,簡稱掃描電鏡，已成為功能強、用途廣的材料表徵工具，已廣泛應用於材料，冶金，礦物，生物學等領域，如圖1所示為蔡司場發射掃描電鏡。
SEM主要組成部分是：電子光學系統，信號收集處理系統，圖像顯示和記錄系統，真空系統，電源及控制系統等，如圖2所示。圖2 SEM工作原理示意圖
它是用細聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產生二次電子、背散射電子等對樣品表面或斷口形貌進行觀察和分析。
圖3 金屬斷口觀察（來源網絡）
在SEM中，電子束以柵網模式掃描樣品。首先，電子槍在鏡筒頂部生成電子。當電子的熱能超過了源材料的功函數時，就會被釋放出來，然後它們加速向帶有正電荷的陽極高速移動。整個電子鏡筒必須處於真空狀態。
像電子顯微鏡的所有組件一樣，電子槍也被密封在特殊的真空室中以保護它不受汙染、振動和噪音的影響。除了保護電子槍不受汙染，真空環境有利於得到高解析度圖像。
若非真空環境，鏡筒中可能存在其他原子和分子，它們與電子相互作用，使電子束髮生偏轉，從而降低圖像質量。高真空環境也提高了鏡筒內檢測器對電子的收集效率。
圖4 SEM不同信號及其形成區域
樣品與電子的相互作用可以產生許多不同類型的電子、光子或輻射。就掃描電子顯微鏡而言，用於成像的兩種電子是指背散射電子和二次電子，如圖4所示。
二次電子是由於被入射電子「碰撞」而獲得能量，逃出樣品表面的核外電子，其主要特點是：
(1)能量小於50eV，較易被檢測器前端的電場吸引，因而陰影效應較弱。
(2)只有樣品表面很淺（約10nm）的部分激發出的二次電子才能逃出樣品表面,因此二次電子像解析度較高。
(3)二次電子的產額主要取決於樣品表面局部斜率，因此二次電子像主要是形貌像。
可看成由許多不同傾斜程度的面構成的凸尖、臺階、凹坑等細節組成，這些細節的不同部位發射的二次電子數不同，從而產生襯度。
二次電子像解析度高、無明顯陰影效應、場深大、立體感強，是掃描電鏡的主要成像方式，特別適用於粗糙樣品表面的形貌觀察。
背散射電子是由樣品「反射」出來的入射電子，其主要特點是：
(1)能量高，從50eV到接近入射電子的能量。
(2)穿透能力比二次電子強得多，可從樣品中較深的區域逸出(微米級)，在這樣的深度範圍，入射電子已有相當寬的側向擴展，因此在樣品中產生的範圍大，圖像解析度較低；
(3)背散射電子產額隨原子序數增大而明顯增加，即樣品平均原子序數Z大的部位產生較強的背散射電子信號，在螢光屏上形成較亮的區域；而平均原子序數較低的部位則產生較少的背散射電子，在螢光屏上形成較暗的區域，這樣就形成原子序數襯度（成分襯度）。
與二次電子像相比，背散射像的解析度要低，主要應用於樣品表面不同成分分布情況的觀察，比如有機無機混合物、合金等。
但嚴格說，背散射電子也帶有形貌信息，尤其是，由於能量高，背散射電子可以認為是直線行進，因而有明顯的陰影效應，對於形貌起伏較大的樣品表面，立體感甚至優於二次電子像。
只有樣品表面較平整，甚至是拋光後的樣品才能將背散射像等同於成份像。同樣地，二次電子也帶有成分信息，只是遠沒有背散射電子明顯而已。舉例如下：
圖5 錫鉛鍍層的表面圖像
(a)二次電子圖像；(b)背散射電子圖像
<1> 解析度
對微區成分分析而言，解析度指能分析的最小區域；對成像而言，它是指能分辨兩點間的最小距離。
SEM解析度主要受三方面影響：入射電子束束斑直徑、入射電子束在樣品中的擴展效應、成像方式及所用的調製信號。
二次電子像的解析度約為5-10nm，背散射電子像的解析度約為50-200nm。一般來說SEM解析度指的是二次電子像的解析度。
<2>放大倍數
放大倍數可從十倍到幾十萬倍連續可調。
放大倍數：M = L/I，其中L是顯像管尺寸，I是光柵掃描時相鄰兩點間距。M通過調節掃描線圈電流進行，電流小則電子束偏轉角度小，放大倍數增大。放大倍率不是越大越好，要根據有效放大倍率和分析樣品的需要進行選擇，與解析度保持一定關係。
<3> 景深
景深指一個透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力範圍。估算景深D = 2 r/a = 0.2/(aM) mm，a-電子束張角，M-放大倍數。SEM物鏡採用小孔視角、長焦距，可獲得很大景深。
<4> 襯度
包括表面形貌襯度和原子序數襯度。表面形貌襯度由試樣表面的不平整性引起。原子序數襯度指掃描電子束入射試祥時產生的背散射電子、吸收電子、X射線，對微區內原子序數的差異相當敏感。原子序數越大，圖像越亮。二次電子受原子序數的影響較小。高分子中各組分之間的平均原子序數差別不大；所以只有—些特殊的高分子多相體系才能利用這種襯度成像。
材料形貌觀察
<1> 金屬玻璃（MGs）
<2> 納米純金屬Ni
能量色散X射線光譜儀（EnergyDispersive X-Ray Spectroscopy，EDX）
能譜分析是當今材料領域研究人員廣泛採用的技術。如圖3，利用SEM，各種信號可以提供給定樣品的不同信息。當SEM與EDX探測器結合使用時，X射線也可以用作產生化學信息的信號。
EDX藉助於試樣發出的元素特徵X射線波長和強度進行分析，根據波長測定試樣所含元素，根據強度測定元素相對含量。根據探針在待測樣品表面掃描方式不同，可分為點、線、面分析三種方式：
<1>點分析
將分析範圍精確定位到樣品中感興趣的點上，進行定性或定量分析，常用於顯微結構的成分分析，如材料的晶界，析出相，夾雜相等。
<2>線分析
電子束沿著特定的方向進行線掃描，能獲得元素含量變化的線分布曲線。如果和樣品的形貌像相對照分析，可直觀分析元素在不同相或區域內的分布和變化趨勢。
<3>面分析
利用電子束對樣品表面的特定區域進行掃描，元素在試樣表面的分布能在CRT上以亮度分布顯示（定性分析）。
實例：
點掃描成分分析：下圖為一種氧離子-質子-電子導電納米複合材料BaCo0.7(Ce0.8Y0.2)0.3O3-δ(BCCY)的表徵。圖6D為A和B點EDX掃描結果。證實了元素Ce，Co，Y，Ba，O的存在並給出了相應含量。
圖6 BCCY複合顆粒結構,
(B) STEM圖像; (D) A和B點EDX掃描結果
線掃描成分分析：如圖7b所示，C、Cu信號在矽/銅/碳納米核殼結構複合材料(SCP)樣品的EDX面掃結果中幾乎重疊，證實Cu2+均勻分布在聚吡咯層中，而非集中於矽顆粒和聚吡咯層的界面。由圖7c中EDX線掃結果可以獲得一樣的結論。
圖7 含有CCI保護層的矽/銅/碳納米核殼結構複合材料(C-SCP)結構表徵：(b)SCP的EDX面掃圖；(c) SCP的EDX線掃圖；(d) C-CP的透射電鏡圖以及(e)對應的EDX線掃圖
電子背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction，EBSD)材料的晶體結構及取向信息對於新型材料的研發具有重大意義。目前的主要研究手段有三種:
一是利用X光衍射或中子衍射進行宏觀統計分析; 二是利用透射電鏡 (Transmission ElectronMicroscopy，TEM) 中的電子衍射進行微區晶體結構分析; 三是利用掃描電鏡SEM中的EBSD 技術進行微區晶體結構及取向信息分析。
EBSD技術是在SEM中加裝一套EBSD採集硬體及分析系統，從而能夠在SEM中進行樣品的微區晶體結構及取向信息分析，並將微區晶體結構及取向信息與微觀組織形貌相對應。
實例：利用EBSD技術分析鈦合金的形變孿晶。
圖8 沿著RD壓縮到15%的純鈦材料的EBSD測量結果：(a) IPF圖；(b) A晶粒中啟動的孿晶類型及其變體的鑑定；(c) A晶粒孿晶帶與母體晶粒的晶體關係；(d) A晶粒的散點(0001)極圖
在EBSD技術誕生前，人們一般用TEM來研究材料變形帶來的孿晶，缺點是掃查的區域有限，不適於材料中孿晶的大量統計。
而EBSD掃查的區域與SEM相當，可以對孿晶進行數目統計。通過反極圖(IPF)和極圖可以明顯看出孿晶的取向以及孿晶會使晶粒轉動變形方式。
如圖8所示，對A晶粒分析的結果表明：變形過程中先是形成拉伸孿晶，然後出現壓縮孿晶。變形過程中出現了1個孿晶變體，5個孿晶變體。通過(0001)極圖可發現，孿晶偏離c軸約85°，孿晶分布十分雜亂，最終晶粒c軸的取向也很分散。
掃描電鏡是我們金屬科技領域應用最多的微觀組織和表面形貌觀察設備，更多掌握如何使用掃描電鏡還需要上機練習，它已經逐漸成為金屬專業科研人員從業的好幫手。荀子說，不積跬步無以至千裡，不積小流無以成江河，希望本文能給您了解和學習它帶來幫助。
參考文獻：
[1] Pan J, Ivanov Y P, Zhou W H, et al.Strain-hardening and suppression of shear-banding in rejuvenated bulk metallicglass[J]. Nature, 2020, 578(7796): 559-562.[2] Zhou X, Feng Z, Zhu L, et al.High-pressure strengthening in ultrafine-grained metals[J]. Nature, 2020,579(7797): 67-72.
[3] Song Y, Chen Y, Wang W, et al.Self-Assembled Triple-Conducting Nanocomposite as a Superior Protonic CeramicFuel Cell Cathode[J]. Joule, 2019, 3(11): 2842-2853.[4] Liu Y, Sun M, Yuan Y, et al.Accommodation of Silicon in an Interconnected Copper Network for Robust Li‐Ion Storage[J]. Advanced FunctionalMaterials, 2020, 30(14): 1910249.[5] Won J W, Kim D, Hong S G, et al.Anisotropy in twinning characteristics and texture evolution of rollingtextured high purity alpha phase titanium[J]. Journal of Alloys and Compounds,2016, 683: 92-99.[6] https://www.sohu.com/a/387038350_708075.[7]覃麗祿. 透射式電子背散射衍射技術(t-EBSD)在材料學中的應用研究進展[J]. 世界科技研究與發展, 2017, 039(002):134-138.