扫描电镜

扫描电子显微镜(SEM)是1965年以后才迅速发展起来的新型电子仪器。其主要特点可归纳为：①仪器分辨率高；②仪器的放大倍数范围大，一般可达15～180000倍，并在此范围内连续可调；③图像景深大，富有立体感；④样品制备简单，可不破坏样品；⑤在SEM上装上必要的专用附件——能谱仪(EDX)，以实现一机多用，在观察形貌像的同时，还可对样品的微区进行成分分析。

一、扫描电子显微镜(SEM)的基本结构及原理

扫描电镜基本上是由电子光学系统、信号接收处理显示系统、供电系统、真空系统等四部分组成。图13-2-1是它的前两部分结构原理方框图。电子光学部分只有起聚焦作用的汇聚透镜，它们的作用是用信号收受处理显示系统来完成的。

图13-2-1 SEM的基本结构示意图

在扫描电镜中，电子枪发射出来的电子束，经3个电磁透镜聚焦，成直径为20 μm～25 Å的电子束。置于末级透镜上部的扫描线圈能使电子束在试样表面上做光栅状扫描。试样在电子束作用下，激发出各种信号，信号的强度取决于试样表面的形貌、受激区域的成分和晶体取向。试样附近的探测器把激发出的电子信号接受下来，经信号处理放大系统后，输送到阴极射线管(显像管)的栅极以调制显像管的亮度。由于显像管中的电子束和镜筒中的电子束是同步扫描的，显像管亮度是由试样激发出的电子信号强度来调制的，由试样表面任一点所收集来的信号强度与显像管屏上相应点亮度一一对应，因此试样状态不同，相应的亮度也必然不同。由此，得到的像一定是试样形貌的反映。若在试样斜上方安置的波谱仪和能谱仪，收集特征X射线的波长和能量，则可做成分分析。

值得注意的是，入射电子束在试样表面上是逐点扫描的，像是逐点记录的，因此试样各点所激发出来的各种信号都可选录出来，并可同时在相邻的几个显像管上或X—Y记录仪上显示出来，这给试样综合分析带来极大的方便。

二、高能电子束与样品的相互作用

并从样品中激发出各种信息。对于宝石工作者，最常用的是二次电子、背散射电子和特征X射线。上述信息产生的机理各异，采用不同的检测器，选择性地接收某一信息就能对样品进行成分分析(特征X射线)或形貌观察(二次电子和背散射电子)。这些信息主要有以下的特征：

1.二次电子(SE)

从距样品表面100 Å左右的深度范围内激发的低能量电子(一般为0～50 eV左右)发生非弹性碰撞。二次电子像是SEM中应用最广、分辨率最高的一种图像，成像原理亦有一定的代表性。高能入射电子束(一般为10～35 keV)由扫描线圈磁场的控制，在样品表面上按一定的时间、空间顺序作光栅式扫描，而从试样中激发出二次电子。被激发出的二次电子经二次电子收集极、闪烁体、光导管、光电倍增管以及视频放大器，放大成足够强的电信号，用以调制显像管的亮度。由于入射电子束在样品上的扫描和显像管的电子束在荧光屏上的扫描用同一个扫描发生器调制，这就保证了样品上任一物点与荧光屏上任一“像点”在时间与空间上一一对应；同时，二次电子激发量随试样表面凹凸程度的变化而变化，所以，显像管荧光屏上显现的是一幅明暗程度不同的反映样品表面形貌的二次电子像。由于二次电子具有低的能量，为了收集到足够强的信息，二次电子检测器的收集必须处于正电位(一般为+250 V )，在这个正电位的作用下，试样表面向各个方向发射的二次电子都被拉向收集极(图13-2-2a)，这就使二次电子像成为无影像，观察起来更真实、更直观、更有立体感。

2.背散射电子(BE)

从距样品表面0.1～1 μm的深度范围内散射回来的入射电子，其能量近似等于原入射电子的能量发生弹性碰撞。背散射电子像的成像过程几乎与二次电子像相同，只不过是采用不同的探测器接收不同的信息而已，如图13-2-2所示。

图13-2-2 二次电子图像和背散射电子图像的照明效果

(据S.Kimoto，1972)

a：二次电子检测方法；a′：二次电子图像的照明效果；b：背散射电子检测方法；b′：背散射电子图像的照明效果

3.特征X射线

样品中被激发了的元素特征X射线释放出来(发射深度在0.5～5μm范围内)。而要对样品进行微区的元素的成分分析，则需借助于被激发的特征X射线。这就是通常所谓的“电子探针分析”，又通常把测定特征X射线波长的方法叫波长色散法(WDS)；测定特征X射线能量的方法叫能量色散法(EDS)。扫描电子显微镜除了可运用于宝玉石的表面形貌外，它经常带能谱(EDS)做成分分析。EDS主要是由高效率的锂漂移硅半导体探测器、放大器、多道脉冲高度分析器和记录系统组成。样品被激发的特征X射线，入射至锂漂移硅半导体探测器中，使之产生电子—空穴对，然后转换成电流脉冲，放大，经多道脉冲高度分析器按能量高低将这些脉冲分离，由这些脉冲所处的能量位置，可知试样所含的元素的种类，由具有相应能量的脉冲数量可知该元素的相对含量。利用此方法很容易确定宝石矿物的成分。

扫描电镜若带有能谱(EDS)则不但可以不破坏样品可运用于做宝玉石形貌像，而且还能快速做成分分析(如图13-2-3，廖尚仪，2001)。因此它是鉴定和区别相似宝玉石矿物的好方法，如红色的镁铝榴石，红宝石、红尖晶石、红碧玺等，因为它们的成分不同，其能谱(EDS)图也就有较大的区别。波谱(WDS)定量分析比能谱(EDS)定量分析精确，但EDS分析速度快。

图13-2-3 蓝色钾-钠闪石的能谱图

三、SEM的微形貌观察

1.样品制备

如果选用粉状样，需要事先选择好试样台。如果是块状样，最大直径一般不超过15mm。如果单为观察形貌像，直径稍大一些(39mm)仍可以使用，但试样必须导电。如果是非导电体试样，必须在试样表面覆盖一层约200 Å厚度的碳或150 Å的金。

2.SEM形貌像的获得

图13-2-4 扫描电子显微镜下石英(a)和蓝色闪石玉(b)的二次电子像

观察试样的形貌，常用二次电子像或背散射电子像。图13-2-4是石英(a)和蓝色闪石玉(钾-钠闪石b)的二次电子像。同时由于二次电子像具有较高的分辨率和较高的放大倍数，因此，比背散射电子像更为常用。而成分分析则常采用背散射电子像。

SEM是scanning electron microscope的缩写，中文即扫描电子显微镜，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。

EDS, an HP company 是全球信息服务业领导者之一，以协助全球客户提高企业的运营绩效。另有EDS (能谱，Energy Dispersive Spectrometer)，EDS电气设计软件包

11月24日，万众瞩目的“嫦娥五号”一飞冲天，成功登月，12月17日凌晨嫦娥五号返回器2公斤左右的月球土壤样品在内蒙古预定区域安全着陆，圆满完成了我国首次地外天体采样返回之旅。这不仅意味着中国航天技术取得巨大飞跃，而中国也将成为继美国和苏联之后，全世界第三个从月球带回月壤样品的国家。

中国嫦娥带回的月壤为何如此珍贵？为什么所有国家都想要？氦-3又是什么宝物？为何说会引发下一次工业革命？

人类如果想要走出太阳系，那必须先能够在月亮上生存下去，这铁定是将来航天航空发展的最基本目标，谁能抢先研究月球土壤，谁就能提前抢得先机。氦-3则是核聚变反应的最理想原材料，不会产生辐射。也许下一次工业革命，就隐藏在这些月壤里。

从1969年到1972年，美国先后进行了7次载人登月，成功了6次，一共带回了超过382千克的月球土壤。前苏联3次登月总计带回约330克的月壤。嫦娥五号此次从月球带回2千克的月壤，已经让我国成为排名第二国家，珍贵的月亮“土特产”为我们了解月球，认识地月系统，提供非常宝贵的数据支持。

月球化学的研究技术手段有哪些？NTEK带您了解月壤元素分析的常用技术手段：

快速无损定性分析——X射线荧光光谱仪

在不破坏材料的情况下，X射线照射在样品表面，样品中元素的内层电子向外跃迁，被激发电子返回基态的时候，放射出次级X射线（荧光），不同元素的特征X射线具有不同的能量或波长，根据不同的特征X射线实现对材料的元素分析。在月壤分析中，可以在不破坏月壤样品的情况下对元素进行定性和半定量分析，是月壤元素分析必不可少的设备。

微痕量元素的定量分析——ICP-OES

材料产品经过硝酸、盐酸等强酸的消解，成为水溶液后，在最高10000K温度的等离子体中原子化、离子化，检测元素发射的特征谱线，对元素进行定性、定量检测，实现微量和痕量级分析。通过XRF对月壤元素进行定性分析后，可以通过ICP-OES对月壤中微量元素进行定量分析，确认月壤中元素的精确含量。

探究月壤的晶体结构——X射线衍射仪（XRD）

XRF、ICP-OES等仪器可以分析出材料的元素组成，但是无法对材料中元素的存在状态和化合物信息进行分析。X射线衍射仪可实现材料相的定性、定量和晶粒尺寸等物理量的分析测定。将材料成分中化合物含量、结构等一一分析出来。通过X射线衍射仪可对月壤中矿物种类、含量和晶体结果完整的呈现给您。

月壤材料化合物的含量分析——GC-MS仪器

气相色谱具有极强的分离能力，质谱对未知化合物具有独特的鉴定能力，且灵敏度极高。通过气相色谱-质谱联用仪对材料中的有机物进行定性和定量分析，确定材料中有机物的含量，帮助材料主成分的定量。通过GC-MS分析，可以检测月壤中部分化合物的含量，助力全面解析月壤成分。

探究分析月壤材料的显微结构——SEM/EDS仪器

扫描电子显微镜/X-射线能谱仪（ SEM/EDS ） SEM是用细聚焦的高能电子束轰击试样表面，通过电子与试样相互作用产生的二次电子，背闪射电子信息可对月壤中矿物质进行形貌观察。

EDS通过测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线，根据被激发的X射线光子的能量对月壤中物质进行元素定性分析，并根据X射线强度进行元素定量分析。

探究月壤材料的分子结构——FTIR仪器

FTIR一般指傅立叶变换红外吸收光谱仪，其原理是物质分子中的基团吸收红外光，产生特征红外吸收谱带，通过这些特征红外吸收谱带进行可对月壤中物质进行分子结构和化学组成定性分析。

月壤材料的热稳定性分析——热重分析仪（TGA）

TGA法是测量样品质量随温度或时间的变化关系。通过分析热重曲线，我们可以知道月壤中可能产生的中间产物的组成、热稳定性、热分解情况及生成的产物与质量相联系的信息。

探究月壤的热力学性能——差示扫描量热仪（DSC）

DSC是研究在温度程序控制下物质随温度的变化其物理量的变化，即通过程序控制温度的变化，在温度变化的同时，测量试样和参比物的功率差与温度的关系。此法可以用来研究月壤中物质的分子结构、聚集态结构。并可针对月壤中单一物质进行分析其熔点，结晶度，玻璃化转变温度，氧化诱导时间，比热容，纯度等。

月球的 探索 只是我们迈出去的一步，人类将走的更远。月壤分析研究当然不局限于以上分析仪器，从嫦娥升空奔月、落地勘探、月壤采集到返回地球，全过程使用了许多科学仪器，帮助人类了解、 探索 月球及太空中隐藏着无限的奥秘。

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