扫描电镜技术原理及应用

扫描电镜技术原理及应用

摘要: 扫描电镜一种新型的多功能的，用途最为广泛的电子光学仪器。数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

关键词：扫描电镜;应用

1938 年德国的阿登纳制成了第一台扫描电子显微镜，1965 年英国制造出第一台作为商品用的扫描电镜，使扫描电镜进入实用阶段。近 20 年来，扫描电镜发展迅速，多功能的分析扫描电镜（即扫描电镜带上能谱仪、波谱仪、荧光仪等）既能做超微结构研究，又能做超微结构分析，既能做定性、定量分析、又能做定位分析,具有景深大，图像富有立体感，分辨率高，图像放大倍数高，显像直观，样品制备过程相对简单，可连接EDAX（X-射线能谱分析仪）进行微区成分分析等特点，被广泛应用于生物学、医学、古生物学、地质学、化学、物理、电子学及林业等学科和领域［1-2］。

1扫描电镜的工作原理与技术特点

1.1 扫描电镜的工作原理

扫描电镜( SEM) 的工作原理是由电子枪发射出来直径为50μm（微米）的电子束，在加速电压的作用下经过磁透镜系统会聚，形成直径为5nm（纳米）的电子束，聚焦在样品表面上，在第二聚光镜和物镜之间偏转线圈的作用下，电子束在样品上做光栅状扫描，同时同步探测入射电子和研究对象相互作用后从样品表面散射出来的电子和光子，获得相应材料的表面形貌和成分分析［3］。从材料表面散射出来的二次电子的能量一般低于50 eV，其大多数的能量约在2 ～ 3 eV。因为二次电子的能量较低，只有样品表面产生的二次电子才能跑出表面，逃逸深度只有几个纳米，这些信号电子经探测器收集并转换为光子，再通过电信号放大器加以放大处理，最终成像在显示系统上。扫描电镜工作原理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像。

1.2 扫描电镜的技术特点［4］

扫描电子显微镜测试技术特点主要有:

( 1) 聚焦景深大。扫描电子显微镜的聚焦景深是实体显微镜聚焦景深的50

倍，比偏反光显微镜则大500 倍，且不受样品大小与厚度的影响，观察样品时立体感强。

( 2) 二次电子扫描图像的分辨率优于100 埃，比实体显微镜高200 倍。可以直接观察矿物、岩石等的表面显微结构特征，清晰度好。

( 3) 放大倍数在14 ～ 100000 倍内连续可调。填补了光学显微镜和电子显微镜之间放大倍数的空白，便于在低倍下寻找位置，在高倍下详细观察，且不用重新对焦，易于了解局部和整体之间的相互联系。

( 4) 不破坏样品，制样方便，样品大小几乎不受限制。

( 5) 扫描电镜是一种有效的理化分析工具，通过它可进行各种形式的图像观察、元素分析、晶体结构分析。

理的特殊之处在于把来自二次电子的图像信号作为时像信号，将一点一点的画面“动态”地形成三维的图像

2 扫描电镜技术的应用

2.1：扫描电镜技术在木材工业中的应用

世界上林业发达的国家，如欧美及日本等国均大量采用扫描电镜技术来研究木材解剖、木材化学、木材物理及力学等方面的性质，为树种的改良、木材改性及应用提供了有力的科学依据［5-7］。近年来，在木材学研究领域，我国也大量应用了扫描电镜技术。在20 世纪80 年代，中国林科院的科研人员［8］就使用SEM 505 型电镜对中国裸子植物木材的超微构造进行研究，填补了我国在该研究领域的空白。

2．2 在选矿方面

朱红［9］应用扫描电镜及X 射线衍射分析了黄铁矿的表面氧化产物，研究了黄铁矿表面氧化机理及黄铁矿表面状态对煤浮选脱硫的影响。侯彤等［10］为寻求高灰煤泥难选的本质原因，通过浮选试验、SEM 电镜扫描和XRD 衍射仪对钱家营矿选煤厂煤泥中矿物成分的分布进行了分析。结果表明，该煤泥的主要矿物成分为私土类矿物，具有易碎、易泥化的特点，因此矿物的细粒嵌布和夹带是造成煤泥精煤灰分偏高，煤泥难选的主要原因，这一结论对以后的细粒煤分选研究起到了指导作用［11］。

2.3 用于纺织品文物表面物的表面形态分析和元素分析

因为纺织品文物的制作工艺一般都比较复杂，它的制作历经染色、刺绣、掺杂金属丝线等工艺，另外纺织品文物表面一般附有污染物。因此应用扫描电镜—能谱仪对纺织品文物上表面物的分析研究（例如鉴定染料成分、分析污染物成分等）对纺织品的文物保护具有十分重要的意义。龚德才运用扫描电镜-能谱仪来分析古代丝织品蛋白质纤维中的铁、铝与硫的比例，可以判断这件丝织品文物的染色是否运用了媒染剂硫酸铝钾。汪自强等运用扫描电镜-能谱仪来观察出土纺织品上结晶盐的表面形态并分析其元素成分。周旸等运用扫描电镜-能谱仪对南昌明宁靖王妃墓出土纺织品的平金线进行表面形态分析和表面元素分析，并参照元代平金线的扫描电镜分析测试结果对之进行解释 [12]。

3 结论

扫描电镜在矿物加工领域，已经极大的促进了人们认识微观的矿物颗粒，解释与之相关的现象，从而更加合理的利用矿产资源。未来的扫描电镜将会在以下三个方面发展:

( 1) 不断提高分辨率，以求观察更精细的物质结构、微小的实体以至单个原子;

( 2) 研制超高压电镜和特殊环境的样品室，以研究物体在自然状态下的形貌及动态性质;

( 3) 研制能对样品进行综合分析( 包括形态、结构和化学成分等) 的设备。

总之，现代分析测试技术的发展和应用，已经或将要大大促进矿物加工学科的发展，必然带来矿物加工学科研究量的和质的进步。随着扫描电镜的发展以及其他测试的手段的发展，定将更有力的推动矿物加工学科的发展[13]。

参考文献

［1］张新言，李荣玉.扫描电镜的原理及TFT-LCD 生产中的应用［J］.现代显示，2010（3）：11-14.

［2］王弋.扫描电镜技术在木材学及人造板工艺研究中的应用［J］.建筑人造板，1998（2）：17-19.

［3］张锐．现代材料分析方法［M］．北京: 化学工业出版社， 2007: 178 －179．［2］黄新民，解挺．材料分析测试方法［M］．北京: 国防工业出版社，2006: 140 － 141．［4］周山金，姜笑梅.中国裸子植物材的林材解剖学及超微构造［M］.北京:中国林业出版社，1994.

［5］朱宜，等.电子显微镜原理及使用［M］.北京：北京大学出版社，1983.

［6］田中敬一，永谷隆.图解扫描电子显微镜［M］.北京：科学出版社，1984.