鋰電知識(shí)必備（8）——掃描電子顯微鏡（SEM）

這是該鋰電知識(shí)必備系列文章的第8篇，希望大家可以持續(xù)關(guān)注。

對(duì)于鋰電材料（正極、負(fù)極、電解質(zhì)（固態(tài)）、隔膜等）研發(fā)來講，掃描電子顯微鏡發(fā)揮著不可替代的作用。

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）的工作原理是利用極細(xì)的聚焦電子束在樣品表面作光柵掃描，電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生各種信號(hào)，包括二次電子、背散射電子、俄歇電子、特征X射線等，這些信號(hào)被探測(cè)器接收放大顯示在顯示屏上，可用于分析樣品的微觀形貌、晶體特征、元素組成等。

想要了解掃描電鏡的工作原理，知道構(gòu)成掃描電鏡的結(jié)構(gòu)件和其相關(guān)作用是必要的。

組成

電子槍

電子槍用來提供高能電子束，可以說是整臺(tái)電鏡最重要的部件之一。電子槍的質(zhì)量決定著掃描電鏡成像的質(zhì)量。

目前常用的電子槍包括鎢陰極、氧化釔陰極、硼化物（LaB6、CeB6等）陰極等

鎢陰極是掃描電鏡最常用的發(fā)射陰極。采用直徑0.2mm左右的鎢絲，彎曲成發(fā)夾型或“V”字型。當(dāng)電流流過鎢陰極時(shí)，鎢燈絲被加熱，鎢燈絲中的電子被激發(fā)，在加速電場(chǎng)的作用下發(fā)射。鎢燈絲的壽命一般在80~100h。鎢陰極對(duì)真空度要求不是特別高，≤10-3Pa，發(fā)射電流和豎斑較大，抗干擾能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是束流密度小，信噪比差，難以滿足超高分辨率的需要，壽命短。

氧化釔銥（Y2O3-Ir）陰極以金屬銥為基材，氧化釔為電子發(fā)射涂層的陰極。其工作溫度約為2000K，發(fā)射電流密度為10A/cm2，逸出功約2eV。相較于鎢陰極，工作溫度比鎢陰極低700K，所以蒸發(fā)量少，壽命略長(zhǎng)；逸出功低。在相同工作溫度下，亮度更高。但加工工藝復(fù)雜，成本較高，且耐離子轟擊的能力較差。

六硼化鑭（LaB6）陰極六硼化物具有良好的金屬導(dǎo)電性，化學(xué)穩(wěn)定性好。逸出功為2.4eV，在1500K左右即能獲得與鎢陰極相同的束流密度且亮度較高。工作溫度較低，壽命約為鎢陰極的10倍左右。但真空度要求較高，必須小于10-5Pa，需要附加一臺(tái)離子泵，成本增加，此外LaB6本身的成本也較貴，維護(hù)成本較高。

冷場(chǎng)發(fā)射陰極電子槍場(chǎng)發(fā)射陰極仍然采用直徑約為0.2mm的單晶鎢彎曲成發(fā)夾型，再在彎曲的頂端處焊接鎢針尖。場(chǎng)發(fā)射陰極尖端需承受較大的電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力，這也是選用鎢的主要原因。冷場(chǎng)發(fā)射需要正空度小于10-7Pa，真空腔內(nèi)的殘余氣體分子會(huì)導(dǎo)致發(fā)射電流的不穩(wěn)定，需隔8小時(shí)左右進(jìn)行2000℃的燒洗（Flashing），讓電子槍表面附著的氣體分子揮發(fā)掉。

熱場(chǎng)發(fā)射陰極電子槍在鎢絲針尖涂覆一小團(tuán)金屬氧化物（氧化鋯等），氧化鋯使鎢陰極的電子逸出功從4.5eV下降到2.5eV。陰極尖端在1800K溫度下工作，因此無需Flashing操作，真空度可比冷場(chǎng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖片來源施明哲《掃描電鏡和能譜儀的原理與實(shí)用分析技術(shù)》

電磁透鏡

定義通電的線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)所構(gòu)成的透鏡。

還有一種透鏡為靜電透鏡靜電場(chǎng)構(gòu)成的透鏡。鎢陰極和LaB6陰極采用電磁透鏡，場(chǎng)發(fā)射電鏡的第一聚光鏡為靜電透鏡，第二聚光鏡為電磁透鏡。

可見光可以通過玻璃透鏡匯聚成像，而能讓運(yùn)動(dòng)的電子產(chǎn)生偏折的方法是添加電場(chǎng)或磁場(chǎng)。

圖片來源施明哲《掃描電鏡和能譜儀的原理與實(shí)用分析技術(shù)》

工作原理電子束通過電磁透鏡時(shí)，由于電子帶負(fù)電，所以受到洛倫茲力使得運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電子在磁場(chǎng)和外加電場(chǎng)的作用下螺旋前進(jìn)。

掃描偏轉(zhuǎn)線圈

為了實(shí)現(xiàn)電子束在試樣上可控的光柵狀掃描，在鏡筒內(nèi)設(shè)計(jì)了設(shè)計(jì)了上下兩組驅(qū)動(dòng)電子束掃描偏轉(zhuǎn)的線圈。掃描順序是從上到下，從左至右，逐點(diǎn)，逐行掃描。

圖片來源施明哲《掃描電鏡和能譜儀的原理與實(shí)用分析技術(shù)》

當(dāng)電子通過上偏轉(zhuǎn)線圈時(shí)，方向發(fā)生偏折，再通過下偏轉(zhuǎn)線圈時(shí)，方向再次發(fā)生偏折。使用雙偏轉(zhuǎn)線圈的目的是使電子束通過末級(jí)透鏡的中心入射到樣品上。

樣品倉

樣品倉的材料是優(yōu)質(zhì)的無磁性不銹鋼。樣品倉的容積越大，對(duì)鑄造要求越高，對(duì)樣品臺(tái)的移動(dòng)穩(wěn)定性要求越高，對(duì)配套的真空泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率要求也相應(yīng)增加。有些場(chǎng)發(fā)射電鏡還加裝了氣鎖裝置和樣品交換倉，當(dāng)更換樣品時(shí)，避免樣品倉直接與大氣相通。

真空泵

包括旋片式機(jī)械泵、無油干式機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵、渦輪分子泵、離子吸附泵。

成像

二次電子

二次電子是高能電子束轟擊樣品表面而逸出的核外電子。當(dāng)原子的核外電子從入射電子那大于相應(yīng)的結(jié)合能后，脫離原子核的束縛成為自由電子，也就是二次電子。二次電子主要來自于樣品表面1~10nm深度的表面。二次電子能很好的顯示樣品表面的微觀形貌。市場(chǎng)上說的掃描電鏡的分辨率指的就是二次電子的分辨率。

背散射電子

入射電子與樣品作用后，一部分原入射電子會(huì)逸出樣品表面，這部分電子稱為背散射電子。背散射電子的分辨率僅次于二次電子。其成像信息主要來自逸出樣品表面的原入射電子，所以能量較高，約為原入射電子能量的0.7~0.9倍。背散射電子的產(chǎn)生深度在樣品表面1μm左右，產(chǎn)生的數(shù)量隨原子序數(shù)的增大而增加。

此外，還有吸收電子、透射電子、特征X射線、連續(xù)譜X射線、俄歇電子、陰極熒光和二次熒光等，這里不再一一介紹。

圖片來源張大同《掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)》

附本文參考文獻(xiàn)

施明哲《掃描電鏡和能譜儀的原理與實(shí)用分析技術(shù)》 張大同《掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)》