SEM图详解：原理、应用及局限性147

扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种利用聚焦电子束扫描样品表面，并通过探测样品发出的各种信号来获得样品表面形貌、成分和晶体结构信息的显微分析技术。SEM图，即扫描电镜图像，是SEM技术获取的结果，广泛应用于材料科学、生物医学、纳米技术等领域。本文将深入探讨SEM图的成像原理，并对其应用和局限性进行阐述。

一、SEM图的成像原理

SEM成像的根本原理是利用高能电子束与样品相互作用产生各种信号，这些信号被探测器接收并转换成图像。整个过程大致如下：

1. 电子束的产生与聚焦： SEM采用热阴极电子枪或场发射电子枪产生电子束，并通过一系列电磁透镜将其聚焦成一个极细的束斑，束斑直径通常在纳米量级。束斑直径越小，图像分辨率越高。

2. 样品扫描：聚焦的电子束在样品表面进行逐点扫描，扫描过程由扫描线圈控制。扫描线圈通过改变磁场强度，使电子束在样品表面按照预设的扫描模式（通常是栅格状）进行扫描。

3. 信号的产生：当高能电子束撞击样品表面时，会与样品原子发生相互作用，激发出多种信号，例如二次电子、背散射电子、俄歇电子、X射线、阴极荧光等。这些信号的种类和强度都与样品的成分、形貌和晶体结构密切相关。

4. 信号的检测与放大：不同的探测器用于检测不同的信号。例如，二次电子探测器主要用于获得样品表面的形貌信息，背散射电子探测器主要用于获得样品成分和晶体结构信息。探测器接收到的信号经过放大处理后，转换成数字信号。

5. 图像的形成：数字信号被送入计算机进行处理，最终形成SEM图像。图像的亮度或灰度与所检测到的信号强度成正比。因此，SEM图像可以直观地反映样品表面的形貌、成分和晶体结构等信息。

二、不同信号的SEM成像特点

不同的信号具有不同的成像特点，可以提供互补的信息：

1. 二次电子成像 (SEI): 二次电子是样品表面原子被电子束激发后发射出的低能电子。SEI对样品表面的形貌非常敏感，图像具有良好的景深和立体感，是SEM成像中最常用的模式。图像中，高处区域显得明亮，低处区域显得暗淡。

2. 背散射电子成像 (BEI): 背散射电子是电子束被样品原子弹性散射后返回的电子。BEI对样品的原子序数敏感，原子序数越高，背散射电子强度越大，图像中相应区域就越亮。因此，BEI可以用于显示样品成分的差异。

3. 其他信号成像：除了二次电子和背散射电子外，SEM还可以检测俄歇电子、X射线和阴极荧光等信号，这些信号可以提供样品成分、化学态和晶体结构等更详细的信息。