扫描电子显微镜（SEM）引领材料人探秘微观世界！

人类智慧促使着科技不断发展，从而开始了我们对于现存空间的无限探索。

大到宇宙苍穹，小到微观世界，我们沉醉于浩瀚星河的磅礴壮阔，也痴迷于微观材料世界的奇妙引力。

 

（图片来源：图行天下）	（图片作者：宁玫）

 

没有什么能阻挡我们探秘的步伐，今天，我们就借用扫描电子显微镜来走进材料的微观领域，感受科学技术的力量！

我们首先一起来简单了解一下，什么是扫描电子显微镜？它是凭借什么优势来带领我们探秘微观世界的！

 

扫描电子显微镜

扫描电镜（Scanning Electron Microscope ,简称SEM)利用电子束打在样品表面逐点扫描，与样品作用产生各种信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在显示屏上反映样品表面各种特征的像，且有强烈的立体感。

 

扫描电子显微镜的原理①

扫描电子显微镜是一个复杂的系统，浓缩了电子光学技术、真空技术、精细机械结构以及现代计算机控制技术。

 

SEM工作图

 

扫描电子显微镜是在加速高压作用下将电子枪发射的电子经过多级电磁透镜汇集成细小的电子束。

 

电子发射图  

 

二次电子探测图

 

背散射电子探测图

 

EBSD成像过程

以上动图来源：材料测试

在试样表面进行扫描，激发出各种信息，通过对这些信息的接收、放大和显示成像,以便对试样表面进行分析。

 

扫描电子显微镜的结构②

 

SEM 的结构示意图

结构: SEM 主要包括电子光学系统、电子系统、显示部件和真空系统组成。

电子光学系统：主要包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。

电子系统：主要包括电源系统和检测系统。电源系统主要是指各种部件的电源，如加速电压电源、透镜电源和光电倍增管电源等。检测系统主要由探测器、信号放大器和电信号处理器组成。

显示部件：主要是显像管，将经处理后的信号通过显像管转换成图像显示。

真空系统：真空系统为电子光学系统提供必需的高真空，保证了电子束的正常扫描，还可以防止样品受到污染。

 

扫描电子显微镜的特点

1. 有较高的放大倍数，20倍-20万倍之间连续可调；

2. 有很大的景深，视野大，图像的分辨率高，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构，还能获得与形貌相对应的多方面的信息；

3. 对于导电材料，可直接放入样品室进行分析，对于导电性差或绝缘的样品则需要喷镀导电层；

4. 制样简单，能够直接观察大尺寸试样的原始表面，同时辐照对样品表面的污染小；

5. 在不牺牲扫描电子显微镜特性的情况下扩充附加功能，如与EDS联用，可对材料的成分进行分析。

 

在我们对SEM有了一个稍细致的了解之后，接下来就着重进入其在微观材料领域的应用，看看能为我们呈现哪些极富价值的景观！

 

美信检测实验室对于扫描电子显微镜技术应用于材料及零部件检测方面有着丰富的经验：

对于金属材料的分析方面，涉及金属材料断裂失效分析、金属材料的表面缺陷分析、金属材料的微区化学成分分析等；

对于非金属材料而言，涉及材料纳米级尺寸检测、材料的表面形貌观察与测量、涂镀层表面形貌分析与镀层厚度测量、材料的微区化学成分分析等。下面，我们一一来展示这些应用：

 

一、扫描电子显微镜在金属材料领域的应用

（1）金属材料断裂失效分析。常见以磨损、腐蚀、断裂、变形等失效形式存在。通过对断口微观形貌的观察，根据脆性断裂及韧性断裂机理，结合材料受力状态分析，找出失效根源。

 

 

（2）金属材料的表面缺陷分析。常见缺陷以起泡、翘皮、裂纹等形式存在。利用扫描电子显微镜对金属表面或界面的薄层进行组分、结构和能态等分析，揭示金属材料及其制品的表面形貌、成分、结构或状态。

 

（3）金属材料的微区化学成分分析。分析表面形貌及微区成分，为失效机理推断提供定性定量依据。

判定合金中析出相或固溶体的组成、测定金属及合金中各种元素的偏析、研究电镀等工艺过程形成的异种金属的结合状态、研究摩擦和磨损过程中的金属转移现象以及失效件表面的析出物或腐蚀产物的鉴别等。

 

二、扫描电子显微镜在非金属材料领域的应用

（1）材料的表面形貌观察

通过扫描电子显微镜观察材料表面形貌，为研究样品形态结构提供了便利，有助于监控产品质量，改善工艺。

观察的主要内容是分析材料的几何形貌、材料的颗粒度及颗粒度的分布、物相的结构等。

 

 

（2）涂镀层表面形貌分析与镀层厚度测量

♦涂镀层表面形貌分析

常见涂镀层失效现象有：褪色、图案模糊、表面磨损、腐蚀等，通过对涂层表面形貌的观察与分析，可以有效的对产品质量进行管控。材料剖面的特征 、零件内部的结构及损伤的形貌，都可借助扫描电子显微镜来判断和分析。

 

♦涂镀层厚度测量

涂镀层厚度直接影响了零件或产品的耐腐蚀性、装饰效果、导电性、产品的可靠性和使用寿命，因此，镀层厚度在产品质量、过程控制、成本控制中都发挥着重要作用。使用扫描电子显微镜能精确测量材料镀层厚度，且成像清晰。

 

 

（3）材料的微区化学成分分析

分析过程中，获得形貌放大像后,往往希望能同时进行原位化学成分或晶体结构分析,提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的更多信息,以便能更全面、客观地进行判断分析。

为此,相继出现了扫描电子显微镜——电子探针多种分析功能的组合型仪器，如常与EDS(X射线能谱仪)联用，对材料进行定性半定量分析。

 

（4）扫描电子显微镜分辨率可达纳米级别，可对纳米材料进行观察。

纳米材料的一切独特性能主要源于它的超微尺寸,通过使用高分辨率的SEM对纳米级材料进行形貌观察和尺寸检测，对纳米材料的研究及应用起到了基础性的作用。

 

三、扫描电子显微镜的实际应用案例展示

（1）某PCB板，需要对指定位置的IMC层厚度进行测量，得到如下结果。

 

 

（2）对某LED芯片进行内部结构观察。

 

 

（3）使用 SEM+EDS对某轴断裂位置进行观察。

 

SEM观察到的图示：

 

 

得到EDS测试谱图：

 

 

得到其定性半定量分析结果，进而为失效原因分析提供微区化学方面的依据。

 

（4）某车用塑料零件出现断裂现象，使用SEM观察断口情况。

 

 

由此，我们看到了扫描电子显微镜（SEM）在材料的微观领域的诸多应用，其应用涉及的行业领域十分广泛，如材料、电子、航空、汽车地学、冶金、机械加工、半导体制造、陶瓷品等。美信检测作为专业的第三方检测实验室，在SEM相关检测项目方面拥有丰富的实践经验，针对不同的产品和客户需求，采用不同的材料分析方法和测试标准，帮助企业监控产品质量，维护产品品质！

 

参考文献：

①1007-2853(2007)02-0081-04《扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用》朱琳

②1001－9677( 2012) 19－0028－03《扫描电子显微镜的结构及对样品的制备》王醒东，林中山等

③1672-3791(2007)05(c)-0005-02《扫描电子显微镜在非金属材料分析中的》王蕾，张静等

④《现代制造技术与装备》2010第1期总第194 期《扫描电镜对金属材料失效及表面缺陷的研究》曹鹏，孙黎波等

 

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