SEM的原理是什么？

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SEM的原理是什么？

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(SEM)扫描电子显微镜的设计思想和工作原理，早在1935年便已被提出来了。1942年，英国首先制成一台实验室用的扫描电镜，但由于成像的分辨率很差，照相时间太长，所以实用价值不大。经过各国科学工作者的努力，尤其是随着电子工业技术水平的不断发展，到

1956年开始生产商品扫描电镜。近数十年来，扫描电镜已广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科的领域中，促进了各有关学科的发展。

一．扫描电镜的特点

和光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有以下特点：

(一) 能够直接观察样品表面的结构，样品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。

(二) 样品制备过程简单，不用切成薄片。

(三) 样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察。

(四) 景深大，图象富有立体感。扫描电镜的景深较光学显微镜大几百倍，比透射电镜大几十倍。

(五) 图象的放大范围广，分辨率也比较高。可放大十几倍到几十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围。分辨率介于光学显微镜与透射电镜之间，可达3nm。

(六) 电子束对样品的损伤与污染程度较小。

(七) 在观察形貌的同时，还可利用从样品发出的其他信号作微区成分分析。

二．扫描电镜的结构和工作原理

(一) 结构

1．镜筒

镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。

2．电子信号的收集与处理系统

在样品室中，扫描电子束与样品发生相互作用后产生多种信号，其中包括二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇(Auger)电子等。在上述信号中，最主要的是二次电子，它是被入射电子所激发出来的样品原子中的外层电子，产生于样品表面以下几nm至

几十nm的区域，其产生率主要取决于样品的形貌和成分。通常所说的扫描电镜像指的就是二次电子像，它是研究样品表面形貌的最有用的电子信号。检测二次电子的检测器(图15(2)的探头是一个闪烁体，当电子打到闪烁体上时，1就在其中产生光，这种光被光导管传送到光电倍增管，光信号即被转变成电流信号，再经前置放大及视频放大，电流信号转变成电压信号，最后被送到显像管的栅极。

3．电子信号的显示与记录系统

扫描电镜的图象显示在阴极射线管(显像管)上，并由照相机拍照记录。显像管有两个，一个用来观察，分辨率较低，是长余辉的管子；另一个用来照相记录，分辨率较高，是短余辉的管子。

4．真空系统及电源系统

扫描电镜的真空系统由机械泵与油扩散泵组成，其作用是使镜筒内达到 10(4～10(5托的真空度。电源系统供给各部件所需的特定的电源。

(二) 工作原理

从电子枪阴极发出的直径20(m～30(m的电子束，受到阴阳极之间加速电压的作用，射向镜筒，经过聚光镜及物镜的会聚作用，缩小成直径约几毫微米的电子探针。在物镜上部的扫描线圈的作用下，电子探针在样品表面作光栅状扫描并且激发出多种电子信号。这些电子信号被相应的检测器检测，经过放大、转换，变成电压信号，最后被送到显像管的栅极上并且调制显像管的亮度。显像管中的电子束在荧光屏上也作光栅状扫描，并且这种扫描运动与样品表面的电子束的扫描运动严格同步，这样即获得衬度与所接收信号强度相对应的扫描电子像，这种图象反映了样品表面的形貌特征。第二节 扫描电镜生物样品制备技术大多数生物样品都含有水分，而且比较柔软，因此，在进行扫描电镜观察前，要对样品作相应的处理。扫描电镜样品制备的主要要求是：尽可能使样品的表面结构保存好，没

有变形和污染，样品干燥并且有良好导电性能。

[Last edit by SeanWen]

由双通量量子位构成的量子超材料。由嵌入共面波导中的15个双量子位阵列组成的超导量子超材料。显示了双通量量子位的SEM图像（上方）和整个结构（下方）。每个量子位由两个超导环路组成，它们共享一个公共的中心约瑟夫森结（ α 结）和位于环路外部的四个相同的约瑟夫森结。的 α -结允许磁通环之间的隧道。插图是单个亚原子的示意图-双通量量子位；显示了节点上的阶段。

由俄罗斯和德国科学家组成的国际团队在创建看似不可能的材料方面取得了突破。他们成功地创造了世界上第一个可用作超导电路控制元素的量子超材料。

超材料是一种物质，其性质与其所组成的原子无关，而取决于原子的结构排列。每个结构都有数百纳米，并且具有自己的一组特性，当科学家尝试将材料分离为其组成部分时，这些特性会消失。这就是为什么这种结构称为亚原子的原因（不要与门捷列夫周期表中的常见原子相混淆）。任何由超原子组成的物质都称为超材料。

直到最近，原子和超原子之间的另一个区别是，常规原子的性质是由量子力学方程式描述的，而超原子是由经典物理学方程式描述的。然而，量子位的产生导致了潜在的机会来构造由超原子组成的超材料，超原子的状态可以用量子力学来描述。但是，这项研究要求创建不寻常的量子位。

“由NUST MISIS，德国卡尔斯鲁厄理工学院和IPHT Jena（德国）组成的国际科学家团队由NUST MISIS超导超材料实验室负责人Alexey Ustinov教授领导，创造了世界上第一个称为“孪生”量子位，以及基于它的超材料。由于这种新材料的卓越性能，将有可能创造出超导电子设备中的关键元素之一。” NUST MISIS负责人Alevtina Chernikova说。

双量子位跃迁频率的磁场依赖性。 从等式的哈密顿量计算出的基态能量（ a ）和双量子位的跃迁能量 hf 01。（1）（ b ）。参数 α  = 0.72和 C  = 5.2 fF，约瑟夫森能量为 E J  = 50 GHz。这些依赖关系是 Φ 0 周期和对称相对于 Φ / Φ 0  = 0.5。的（最小点 b ）曲线图对应于中央结相的转变 φ 0 从零到 π 。

NUST MISIS超导超材料实验室的研究员，该项目的第一作者Kirill Shulga指出，传统的量子位由包含三个约瑟夫森结的方案组成。但是，双量子位由相对于中心轴对称的五个结组成。

“双量子比特被认为比传统的超导量子比特更复杂。这里的逻辑非常简单：具有大量自由度的更复杂的（人为复杂的）系统具有更多影响其性能的因素。当更改超材料所处环境的某些外部属性时，我们可以通过将双量子位从具有特定属性的一种状态转换为具有其他属性的另一种状态来打开和关闭这些属性。”

在整个实验过程中，由双量子位组成的整个超材料在两种不同模式之间切换时，这一点变得显而易见。

微波通过不同形式的量子超材料的传输。 a 测得的传输系数 t 的幅值 （归一化为零场的值）对施加的直流磁场（与线圈中的偏置电流，下轴成比例）和频率 f的 依赖性 。上水平轴将磁场以 每个qubit单环的磁通量 Φ 转换 。透射 t 在磁通 Φ的 变化下显示出急剧的变化 。可以看到两种不同的微波传播范围，零场附近的传输几乎平坦，磁通量 Φ〜  ±时，在11–14 GHz附近的传输具有明显的共振增强。 Φ 0 /2。 b 的交叉切割 一个 在13千兆赫的固定频率。尖峰对应于两个量子位中量子态之间的相干隧穿（参见文本）。 Ç 交叉切割的 一 在10GHz的固定频率。急剧的跳跃对应于 双量子位的中心结在零和 π 相之间的过渡 （见文本）。红色曲线与理论预测的依赖关系式拟合。（12）

“在一种模式中，量子位链很好地传输了微波范围内的电子辐射，同时保留了量子元素。” 在另一种模式下，它将超导相位旋转180度并锁定电磁波通过自身的传输。然而，它仍然是一个量子系统。因此，借助磁场，这种材料可用作电路中的量子信号（分离的光子）系统中的控制元素，由正在开发的量子计算机组成。” NUST MISIS的工程师Ilya Besedin说超导超材料实验室和该项目的研究人员之一。

与标准量子位的性质相比，很难在标准计算机上准确计算一个孪生量子位的性质。如果量子位变得复杂几倍，则有可能达到复杂性的极限，接近或超过现代电子计算机的能力。这种复杂的系统可以用作量子模拟器，即可以预测或模拟某些实际过程或材料的属性的设备。

正如研究人员指出的那样，他们必须整理出许多理论来正确描述量子超材料中发生的过程。该研究的结果是“由双通量量子位组成的量子超材料的磁感应透明性”一文，并发表在《自然通讯》上。

世界首次成功测量原子间的结合力

近日日本北陆先端科学技术大学的先端科学技术研究科应用物理学领域的大岛义文教授等成功测量了原子间的结合力。其研究成果“Peculiar Atomic Bond Nature in Platinum Monatomic Chains”发表在影响因子为11.238的期刊《Nano Letters》上。

***什么是原子间的结合力***

原子之间的作用力，实际上就是电磁力。究竟是怎样的电磁力呢？我们知道原子空间绝大部分是电子的运动空间，原子核位于相对中心的较小区域，原子与原子核电量总体处于平衡状态。是总体处于平衡，这是我们必须清楚的地方。但具体到原子的某一部分空间是不平衡的，比如，原子核附近的空间是正电处于优势，原子外围空间自然是负电处于优势。两个原子之间接触的表面自然属于外围空间，自然都是负电占据优势，原子之间自然是相互排斥的，这当然是原子之间在一定距离范围内的情况。超过一定的距离，原子之间的排斥力就很小了，这样的原子间隔应该就是原子之间的正常距离了。

***计算原子间的结合力为何很复杂***

原子并不是我们想象中的单个个体，而是由原子核和外围的众多电子组成的。它们在量子力学的法则下，通过原子内的作用力，组成了一个复杂的量子系统。

而且，原子内各个成员的小动作太多。比方说，许多原子核有好几种办法自转，每个核外的外层电子可以在几个空轨道之间乱窜。电子或电子的电量并不是均匀分布到原子的外围空间，而是环绕原子核运动。我们知道运动的电子会产生磁场，涡旋运动的电子形成的磁场会呈现为一个小磁针状态的可以分为正极和负极的磁场，也就是我们说的偶极子磁场。

因此，原子间不同的化学反应，原子内部各成分的运动状态都会影响其作用力，无论应用量子力学还是经典计算机都很难通过理论计算来得知它们的作用力大小。

***那我们怎么测量原子间的结合力***

材料的性质由原子间的几何排列及原子间内部键结合形态而决定。原子的排列一般是链状结构，具有一维力学性质，然而对于一维力学性质，原子的微弱移动也很敏感，这大大增加了原子间力的测量难度。如果能够搞清楚原子的几何排列结构和其相关的力学性质，我们就可以根据一维力学的结构原理来分析。那么首先要做的是开发一种具备一维力学原理的电子设备或者传感器来捕捉原子的运动轨迹。在大岛义文教授等的研究中，将一个细长的水晶谐振子放入到一个可以直接观测原子排列的透射式电子显微镜电子枪中，通过显微力学原理测量法来探究原子的排列和其力学关系。这里面为什么要用到透射式电子显微镜呢？

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。

透射式电子显微镜成像采用平行入射电子束照射样品，后续的电磁透镜通过同时聚焦从样品各个像素点发出的不同散射方向透射电子（TE-transmission electron），从而对电子束照射区域进行放大成像，通过调节中间的电磁透镜焦距，可实现放大倍数调节，最后用投影镜将物像照射在图像记录或显示上；SEM/STEM使用汇聚电子束照射样品 ，逐点扫描成像，空间分辨率和汇聚电子束束斑直径相关，通过改变电子束扫描区域大小来改变放大倍数。

在这种方法中，在与白金原子接触后，水晶谐振子的共振周期会由于他们的相互作用而发生变化。共振周期的变化与物质的等价弹性系数相对应，通过观测水晶谐振子的共振周期的这种变化，间接测量纳米级或原子级物质间的作用力。水晶谐振子的振动振幅一般在27皮米（1皮米=10-12米），大约是氧原子半径的1/2。而利用透射式电子显微镜可以很容易看清楚原子的轮廓。

在他们的研究中，显微镜电子枪内部放置150个白金的原子链，在此之前研究白金原子的特性时发现，确定白金原子链间的结合强度为25N/m。这个结合力比白金的块状晶体（Bulk crystal）的原子结合强度20N/m还要大。另外，原子间结合链（0.25nm）的最大伸长长度最大为0.06nm，其弹性变形大约为24%，而块状晶体的弹性变形大约只有5%。

结合第一原理的计算结果，这种特有的原子结合性质，并非是白金原子链的能量上最稳定的构造，而是结构形成的最小必要张力而产生的原子链结合。

***结语***

我们如果能够准确掌握分子或原子间作用力的大小，对于纳米级材料的研究会有很大的帮助，使我们更容易地理解材料的物理和化学性质，进而可以更进一步地研究开发新型材料应用于各个领域。

参考文献

1.    [endif] https://www.shutterstock.com/image-illustration/3d-illustration-structure-graphene-tube-abstract-1410015179

2.    [endif] http://mozi.ustc.edu.cn/index/info/239

3.    [endif] https://microbenotes.com/transmission-electron-microscope-tem/

4.    [endif] https://research-er.jp/articles/view/98927

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