锂电知识必备（8）——扫描电子显微镜（SEM）

这是该锂电知识必备系列文章的第8篇，希望大家可以持续关注。

对于锂电材料（正极、负极、电解质（固态）、隔膜等）研发来讲，扫描电子显微镜发挥着不可替代的作用。

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）的工作原理是利用极细的聚焦电子束在样品表面作光栅扫描，电子束与样品表面相互作用产生各种信号，包括：二次电子、背散射电子、俄歇电子、特征X射线等，这些信号被探测器接收放大显示在显示屏上，可用于分析样品的微观形貌、晶体特征、元素组成等。

想要了解扫描电镜的工作原理，知道构成扫描电镜的结构件和其相关作用是必要的。

组成

电子枪

电子枪用来提供高能电子束，可以说是整台电镜最重要的部件之一。电子枪的质量决定着扫描电镜成像的质量。

目前常用的电子枪包括：钨阴极、氧化钇阴极、硼化物（LaB6、CeB6等）阴极等

钨阴极：是扫描电镜最常用的发射阴极。采用直径0.2mm左右的钨丝，弯曲成发夹型或“V”字型。当电流流过钨阴极时，钨灯丝被加热，钨灯丝中的电子被激发，在加速电场的作用下发射。钨灯丝的寿命一般在80~100h。钨阴极对真空度要求不是特别高，≤10-3Pa，发射电流和竖斑较大，抗干扰能力较强，结构简单，成本低。但是束流密度小，信噪比差，难以满足超高分辨率的需要，寿命短。

氧化钇铱（Y2O3-Ir）阴极：以金属铱为基材，氧化钇为电子发射涂层的阴极。其工作温度约为2000K，发射电流密度为10A/cm2，逸出功约2eV。相较于钨阴极，工作温度比钨阴极低700K，所以蒸发量少，寿命略长；逸出功低。在相同工作温度下，亮度更高。但加工工艺复杂，成本较高，且耐离子轰击的能力较差。

六硼化镧（LaB6）阴极：六硼化物具有良好的金属导电性，化学稳定性好。逸出功为2.4eV，在1500K左右即能获得与钨阴极相同的束流密度且亮度较高。工作温度较低，寿命约为钨阴极的10倍左右。但真空度要求较高，必须小于10-5Pa，需要附加一台离子泵，成本增加，此外LaB6本身的成本也较贵，维护成本较高。

冷场发射阴极电子枪：场发射阴极仍然采用直径约为0.2mm的单晶钨弯曲成发夹型，再在弯曲的顶端处焊接钨针尖。场发射阴极尖端需承受较大的电场，会产生很大的机械应力，这也是选用钨的主要原因。冷场发射需要正空度小于10-7Pa，真空腔内的残余气体分子会导致发射电流的不稳定，需隔8小时左右进行2000℃的烧洗（Flashing），让电子枪表面附着的气体分子挥发掉。

热场发射阴极电子枪：在钨丝针尖涂覆一小团金属氧化物（氧化锆等），氧化锆使钨阴极的电子逸出功从4.5eV下降到2.5eV。阴极尖端在1800K温度下工作，因此无需Flashing操作，真空度可比冷场小一个数量级。

图片来源：施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》

电磁透镜

定义：通电的线圈产生的磁场所构成的透镜。

还有一种透镜为静电透镜：静电场构成的透镜。钨阴极和LaB6阴极采用电磁透镜，场发射电镜的第一聚光镜为静电透镜，第二聚光镜为电磁透镜。

可见光可以通过玻璃透镜汇聚成像，而能让运动的电子产生偏折的方法是添加电场或磁场。

图片来源：施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》

工作原理：电子束通过电磁透镜时，由于电子带负电，所以受到洛伦兹力使得运动方向发生偏转。电子在磁场和外加电场的作用下螺旋前进。

扫描偏转线圈

为了实现电子束在试样上可控的光栅状扫描，在镜筒内设计了设计了上下两组驱动电子束扫描偏转的线圈。扫描顺序是从上到下，从左至右，逐点，逐行扫描。

图片来源：施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》

当电子通过上偏转线圈时，方向发生偏折，再通过下偏转线圈时，方向再次发生偏折。使用双偏转线圈的目的是：使电子束通过末级透镜的中心入射到样品上。

样品仓

样品仓的材料是优质的无磁性不锈钢。样品仓的容积越大，对铸造要求越高，对样品台的移动稳定性要求越高，对配套的真空泵和驱动电机的功率要求也相应增加。有些场发射电镜还加装了气锁装置和样品交换仓，当更换样品时，避免样品仓直接与大气相通。

真空泵

包括旋片式机械泵、无油干式机械泵、油扩散泵、涡轮分子泵、离子吸附泵。

成像

二次电子

二次电子是高能电子束轰击样品表面而逸出的核外电子。当原子的核外电子从入射电子那大于相应的结合能后，脱离原子核的束缚成为自由电子，也就是二次电子。二次电子主要来自于样品表面1~10nm深度的表面。二次电子能很好的显示样品表面的微观形貌。市场上说的扫描电镜的分辨率指的就是二次电子的分辨率。

背散射电子

入射电子与样品作用后，一部分原入射电子会逸出样品表面，这部分电子称为背散射电子。背散射电子的分辨率仅次于二次电子。其成像信息主要来自逸出样品表面的原入射电子，所以能量较高，约为原入射电子能量的0.7~0.9倍。背散射电子的产生深度在样品表面1μm左右，产生的数量随原子序数的增大而增加。

此外，还有：吸收电子、透射电子、特征X射线、连续谱X射线、俄歇电子、阴极荧光和二次荧光等，这里不再一一介绍。

图片来源：张大同《扫描电镜与能谱仪分析技术》

附：本文参考文献：

施明哲《扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术》  张大同《扫描电镜与能谱仪分析技术》