掃描電子顯微鏡技術原理及應用

掃描電子顯微鏡一種新型的多功能的，用途最為廣泛的電子光學儀器。數十年來，掃描電子顯微鏡已廣泛地應用在生物學、醫學、冶金學等學科的領域中，促進了各有關學科的發展。

關鍵詞：掃描電子顯微鏡;應用

1938 年德國的阿登納製成了第一台掃描電子顯微鏡，1965 年英國製造出第一台作為商品用的掃描電子顯微鏡，使掃描電子顯微鏡進入實用階段。近 20 年來，掃描電子顯微鏡發展迅速，多功能的分析掃描電鏡（即掃描電鏡帶上能譜儀、波譜儀、熒光儀等）既能做超微結構研究，又能做超微結構分析，既能做定性、定量分析、又能做定位分析,具有景深大，圖像富有立體感，分辨率高，圖像放大倍數高，顯像直觀，樣品製備過程相對簡單，可連接EDAX（X-射線能譜分析儀）進行微區成分分析等特點，被廣泛應用於生物學、醫學、古生物學、地質學、化學、物理、電子學及林業等學科和領域。

1掃描電子顯微鏡的工作原理與技術特點

1.1 掃描電子顯微鏡的工作原理

掃描電子顯微鏡( SEM) 的工作原理是由電子槍發射出來直徑為50μm（微米）的電子束，在加速電壓的作用下經過磁透鏡係統會聚，形成直徑為5nm（納米）的電子束，聚焦在樣品表麵上，在第二聚光鏡和物鏡之間偏轉線圈的作用下，電子束在樣品上做光柵狀掃描，同時同步探測入射電子和研究對象相互作用後從樣品表麵散射出來的電子和光子，獲得相應材料的表麵形貌和成分分析。從材料表麵散射出來的二次電子的能量一般低於50 eV，其大多數的能量約2 ～ 3 eV。因為二次電子的能量較低，隻有樣品表麵產生的二次電子才能跑出表麵，逃逸深度隻有幾個納米，這些信號電子經探測器收集並轉換為光子，再通過電信號放大器加以放大處理，最終成像在顯示係統上。掃描電鏡工作原理的特殊之處在於把來自二次電子的圖像信號作為時像信號，將一點一點的畫麵“動態”地形成三維的圖像。

1.2 掃描電子顯微鏡的技術特點

掃描電子顯微鏡測試技術特點主要有:

( 1) 聚焦景深大。掃描電子顯微鏡的聚焦景深是實體顯微鏡聚焦景深的50倍，比偏反光顯微鏡則大500 倍，且不受樣品大小與厚度的影響，觀察樣品時立體感強。

( 2) 二次電子掃描圖像的分辨率優於100 埃，比實體顯微鏡高200 倍。可以直接觀察礦物、岩石等的表麵顯微結構特征，清晰度好。

( 3) 放大倍數在14 ～ 100000 倍內連續可調。填補了光學顯微鏡和電子顯微鏡之間放大倍數的空白，便於在低倍下尋找位置，在高倍下詳細觀察，且不用重新對焦，易於了解局部和整體之間的相互聯係。

( 4) 不破壞樣品，製樣方便，樣品大小幾乎不受限製。

( 5) 掃描電子顯微鏡是一種有效的理化分析工具，通過它可進行各種形式的圖像觀察、元素分析、晶體結構分析。

特殊之處在於把來自二次電子的圖像信號作為時像信號，將一點一點的畫麵“動態”地形成三維的圖像.

2 掃描電鏡技術的應用

2.1 掃描電鏡技術在木材工業中的應用

世界上林業發達的國家，如歐美及日本等國均大量采用掃描電鏡技術來研究木材解剖、木材化學、木材物理及力學等方麵的性質，為樹種的改良、木材改性及應用提供了有力的科學依據。近年來，在木材學研究領域，我國也大量應用了掃描電鏡技術。在20 世紀80 年代，中國林科院的科研人員就使用SEM 505 型電鏡對中國裸子植物木材的超微構造進行研究，填補了我國在該研究領域的空白。

2．2 在選礦方麵

朱紅應用掃描電子顯微鏡及X 射線衍射分析了黃鐵礦的表麵氧化產物，研究了黃鐵礦表麵氧化機理及黃鐵礦表麵狀態對煤浮選脫硫的影響。侯彤等為尋求高灰煤泥難選的本質原因，通過浮選試驗、SEM 電鏡掃描和XRD 衍射儀對錢家營礦選煤廠煤泥中礦物成分的分布進行了分析。結果表明，該煤泥的主要礦物成分為私土類礦物，具有易碎、易泥化的特點，因此礦物的細粒嵌布和夾帶是造成煤泥精煤灰分偏高，煤泥難選的主要原因，這一結論對以後的細粒煤分選研究起到了指導作用。

2.3 用於紡織品文物表麵物的表麵形態分析和元素分析

因為紡織品文物的製作工藝一般都比較複雜，它的製作曆經染色、刺繡、摻雜金屬絲線等工藝，另外紡織品文物表麵一般附有汙染物。因此應用掃描電鏡—能譜儀對紡織品文物上表麵物的分析研究（例如鑒定染料成分、分析汙染物成分等）對紡織品的文物保護具有十分重要的意義。龔德才運用掃描電鏡-能譜儀來分析古代絲織品蛋白質纖維中的鐵、鋁與硫的比例，可以判斷這件絲織品文物的染色是否運用了媒染劑硫酸鋁鉀。汪自強等運用掃描電鏡-能譜儀來觀察出土紡織品上結晶鹽的表麵形態並分析其元素成分。周暘等運用掃描電鏡-能譜儀對南昌明寧靖王妃墓出土紡織品的平金線進行表麵形態分析和表麵元素分析，並參照元代平金線的掃描電鏡分析測試結果對之進行解釋 。

3 結論

掃描電子顯微鏡在礦物加工領域，已經極大的促進了人們認識微觀的礦物顆粒，解釋與之相關的現象，從而更加合理的利用礦產資源。未來的掃描電鏡將會在以下三個方麵發展:

( 1) 不斷提高分辨率，以求觀察更精細的物質結構、微小的實體以至單個原子;

( 2) 研製超高壓電鏡和特殊環境的樣品室，以研究物體在自然狀態下的形貌及動態性質;

( 3) 研製能對樣品進行綜合分析( 包括形態、結構和化學成分等) 的設備。

總之，現代分析測試技術的發展和應用，已經或將要大大促進礦物加工學科的發展，必然帶來礦物加工學科研究量的和質的進步。隨著掃描電子顯微鏡的發展以及其他測試的手段的發展，定將更有力的推動礦物加工學科的發展。