1什么是扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，缩写为SEM），简称扫描电镜，是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的一种常用的显微分析仪器。
2SEM的发展
2.1SEM的发展历史年提出扫描电子显微镜的设计思想。
年在实验室制成第一台扫描电子显微镜。
年在英国诞生了第一台实用化的商品扫描电子显微镜，表明扫描电子显微镜具有广泛的应用价值。
年以后是扫描电子显微镜的精细化发展阶段。
年场发射扫描电子显微镜研发成功，极大提高了扫描电子显微镜的分辨率。
年日本日立公司推出S-型高分辨场发射扫描电子显微镜（FESEM）。
2.2SEM在中国的发展
-年，自行设计研制期，研制成功DX-3型SEM[3]。
-年，从美国Amray公司的引进SEM技术并消化，推出KTYKY-BSEM。
-年，自主研发集中期,许多机构投入SEM研制领域。
年至今，缓慢自主研发期。
3SEM的结构
扫描电子显微镜主要以下几部分构成（图1）：
（1）电子光学系统：电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室。
（2）扫描系统：扫描信号发生器，扫描放大控制器，扫描偏转线圈。
（3）信号探测放大系统：接收二次电子，背散射电子等电子信号并放大。
（4）图像显示和记录系统：SEM采用计算机进行图像显示和记录。
（5）真空系统：机械泵，扩散泵和涡轮分子泵等。
（6）电源系统。
4SEM的成像原理及特点
4.1电子束与样品的作用
电子枪产生的电子束轰击样品时主要产生图2所示的各种信号。
（1）二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子。二次电子特点是能量低，小于50eV，只有样品表层5-10nm深度范围内的二次电子才能离开样品表面。对样品的表面形貌十分敏感，产率高，成像分辨率高，能非常有效地显示表面形貌。二次电子地产额和原子序数之间没有明显地关系，不能用它进行成分分析。
（2）背散射电子：被样品中的原子反弹回来的一部分入射电子，可分为弹性背散射电子和非弹性背散射电子。能量高，分布范围宽，为数十电子伏到数千电子伏。弹性背散射电子比非弹性背散射电子所占数量多。背散射电子来自样品表面几百纳米的深度范围。背散射电子产额随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析（分辨率不如二次电子）而且可以用来显示原子序数衬度，定性用作成分分析。
（3）其他信号：透射电子是入射电子的一部分，如果样品很薄，就会产生透射电子，可以用作微区成分分析。特征X射线是原子内层电子被轰出后，外层电子向内层跃迁产生的，可以用特征X射线判定微区中存在的元素。在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去（或使空位层的外层电子发射出去），这个被电离的电子成为俄歇电子。俄歇电子特别适用于表面成分分析。
从以上各种物理信号的空间分辨率（表1）和产率可以看出，二次电子和背散射电子是扫描电子显微镜的主要成像信号。
4.2成像原理
电子枪产生的电子束经过电磁透镜聚焦，扫描线圈控制电子束对样品进行扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，探测器将物理信号转换成图像信息。样品不同的形貌表现出不同的衬度（图像不同部位之间的亮度差异），因此扫描电子显微镜可以观察到样品的表面的形貌[5]。
注意，突出的尖棱，小粒子和比较陡峭的斜面处二次电子产额较多，在图像上表现为亮度较大。平面的二次电子产率较小，在图像上表现为亮度较低。在深的凹槽处二次电子产率也高，但是，二次电子离开样品表面的数量少，在图像上表现为较暗。
4.3特点
（1）图像景深大，立体感强
（2）分辨率高
（3）制样简单
（4）可直接观察大尺寸试样
（5）观察的视场大
（6）对样品表面的污染小
（7）试样在样品室中的自由度大
（8）放大倍数大，从数倍到几十万倍
（9）可以进行许多原位实验
5SEM的应用
5.1形貌分析
Lu等通过水热法一步合成氮掺杂碳所包覆的FeSe2团簇用于钾离子电容器负极材料，性能优异，并借助扫描电镜观察到所合成的FeSe2/N-C形貌为由纳米棒组成3D团簇结构，团簇直径大约为1.5-2.5微米（图3）。
5.2截面尺寸观察
Wu等通过使用一锅水热法合成了氮掺杂氧化石墨烯包覆的聚锑酸（PAAN-RGO），作为锂离子和钾离子电池负极电极材料，表现出优异的倍率和循环性能。如图4所示，采用FESEM观察三种样品的初始态和放电末态（放电到0.01V），发现样品PAAN-RGO通过N-RGO的包覆极大缓冲了充放电过程中体积膨胀，这揭示了PAAN-RGO材料电化学性能优异的原因。
5.3EDX元素分析
Wu等借助SEM观察了Mn2-xSb2O7的微观形貌（图5a）,并根据EDX分析了元素组成及含量，确定所合成的物质Mn1.41Sb2O7。图5（a）Mn2-xSb2O7的SEM图像（b）相应的EDX结果。
5.4Mapping
Li等构建了一种高度定向石墨烯（HOGS），用作钠离子电容器正极材料，表现出极好的电化学性能，并借助FESEM观察放电态HOGS的形貌（图6a），图6b-d的Mapping图则表明元素C，O，Na均匀分布。Na元素的出现证明了放电过程中有赝电容参与电化学反应，支持了HOGS的钠离子赝电容储能机理。
6SEM样品要求
6.1样品不含水分
湿的样品会释放出水蒸气，往往真空度很难上去，而且水蒸气遇到高能电子束，会被电离，还会增加电子束能量分散，会使成像模糊分辨率降低；水蒸气还会与高温钨丝反应，加速电子枪灯丝挥发，极大的降低了灯丝的寿命；在高真空状态下，大部分含水样品的表面易发生变形，这会导致结果失真。绝大多数的生物样品需要经过干燥处理。
2.2样品不含挥发物、污染物样品中的挥发物会造成探测器、光阑等部件污染。
还有有机油脂类污染物，在电子束的作用下会容易分解产生碳氢化物，会遮盖样品表面的细节或吸附在探测器晶体表面，最终降低成像信号产量以及探测器检测效率。
2.3样品具有导电性
SEM成像原理是通过探测器获得二次电子和背散射电子信号，样品不导电会造成表面多余电子或游离粒子的累积进而不能及时导走，到达一定程度后就会反复出现充放电现象，最终影响电子信号的传递，造成图像扭曲、变形、晃动。所以不导电的试样，其表面一般都需要镀金（影像观察）或者镀碳（成份分析）。
7SEM制样方法
在SEM制样时，针对不同的样品、不同的形态、不同的导电性能、不同的观测要求，会采用不同的方法制样。
7.1块体样品
块体样品应该尽量小，一定不能超过电镜样品台尺寸，选取的样品要具有代表性。为了避免取样过程样品被污染而影响结果分析，一般需要用溶剂先对样品进行超声清洗，特别是整个制样的过程都不能用手直接接触样品。然后用导电胶把样品粘结在样品台上，对于不导电或者导电性差的样品，需要进行镀膜处理后再放入扫描电镜中观察；而对于导电样品，可以直接放入扫描电镜中观察。如果样品的底面不平整，我们就需要采用导电银胶进行粘贴，银胶可以填满缝隙，更好的保证样品在抽真空时保持平稳不漂移。
7.2粉末样品
先将导电胶带粘在样品台上，然后将粉末样品均匀的撒在导电胶上面，随后用压缩空气（或者洗耳球）吹去没有黏住的样品，能很好的防止未被黏住的样品污染设备；切记粘样品时不能挤压样品，主要是避免挤压过程对样品表面的微观形貌造成破坏。同样的，对于不导电或者导电性差的样品，需要进行镀膜处理后再放入扫描电镜中观察；而对于导电样品，可以直接放入扫描电镜中观察。对于粉末样品，一般为了提高测试效率，一个样品台上会同时制备多个样品，但需要保证样品之间不会互相污染，位置不被混淆。
7.3液体样品
液体样品制样时，一般需要借用薄铜片作为载体。首先将导电胶粘在样品台上，然后将干净的薄铜片粘在导电胶上，采用少量多次的方法把液体样品滴在铜片上，等待溶剂完全挥发干燥后就可以进行喷镀处理和扫描电镜测试。对于团聚十分严重的粉末样品，也会将粉末混合在易挥发溶剂（如乙醇、超纯水、环己烷等）中配成悬浊液。不过值得注意的是选择的溶剂不能对要观察的样品有影响，否则会改变样品的初始形貌。
7.4生物样品
生物样品性质较为特殊，一般都具有含水量高、质地柔软、导电性差、对热和电子束等敏感等特性。所以生物样品的制样过程较为复杂，主要包括取样、清洗、固定、脱水、干燥、粘样、导电处理几个步骤。
①取样：样品大小一般不超过10×10×5毫米，确定观察样品的目标，避免取样过程中拉割、挤压样品。
②清洗：一般采用漂洗、换洗、加压冲洗、震荡超声等物理方法以及酶消化法等化学方法，主要是去除观察面的杂质，在保证不破坏观察面的条件下，充分暴露观察面。
③固定：一般在4℃的条件下完成固定比较好，戊二醛、锇酸均可单独固定，也可以用“戊二醛-锇酸”双重固定。固定1-3小时（根据样品种类和固定剂选取相关）后，吸出固定液，加入0.1mol/L磷酸缓冲液（PH=7.2），漂洗1小时，换液3-4次。
④脱水：从小瓶中吸出缓冲液，加入乙醇逐级梯度脱水（乙醇浓度一次为30%-50%-70%-80%-90%-%），每级停留时间根据样品大小而定，一般15-30分钟。最后吸出乙醇，加入醋酸异戊酯与乙醇1：1的混合液，侵泡10-20分钟并适当摇晃，再吸弃混合液，加入纯醋酸异戊酯侵泡10-20分钟并适当摇晃。
⑤干燥：干燥是扫描电镜生物制备中的关键缓解，需要在干燥过程中尽可能减少由于水分蒸发而引起的表面形貌的畸变，且必须确保干燥彻底。常用的有自然干燥法、烘干干燥法、临界点干燥法、冷冻干燥法以及真空干燥法，针对不同的生物样品会选择不同的干燥方法。
⑥粘样：用牙签将少量导电胶涂到样品台上，胶面应该略小于样品地面，用镊子轻轻夹样品侧面，保证观察面向上贴牢在涂胶上，粘贴后，待导电胶干透，才能进行真空镀膜和SEM镜检。
⑦导电处理：生物样品都是由低原子序数的碳、氢、氧、氮等元素组成，二次电子发射率很低，信号弱，难以获得必要的图像反差。生物样品在扫描电镜观察钱，均需要进行表面导电处理。
8注意事项
为了得到无损、真实而清晰的表面形貌结构，在扫描电子显微镜样品制备的全过程中都必须十分小心，这里分享几个在SEM制样过程中需要特别注意的事：
（1）在样品制备时，应该把被观察面充分的暴露出来，同事需要保证被观察面无污染、无皱缩、无明显的人工损伤以及附加结构。
（2）在不导电材料表面镀重金属（金、铂、钯等）时，镀层“厚度”即要大于等于入射电子束进入样品的扩散深度，又不能掩盖样品本身的凹凸形貌结构。例如镀Au膜，一般在10万倍左右就能看见金颗粒，所以镀Au膜厚度尽量控制在10nm以下，如果镀10nm的导电膜导电性能仍然没有得到改善，继续镀膜也没有意义。
（3）通常情况下我们都选择镀Au膜，但是需要对样品进行严格的EDS定量分析，则不能镀金属膜，因为金属膜对X射线有较强的吸收，对定量分析结果影响较大。
（4）粉末样品的厚度要均匀，量不要太多，否则容易造成喷金样品的底层部分导电性能不佳。
来源：测试GO