掃描電鏡

掃描電子顯微鏡(SEM)是1965年以后才迅速發展起來的新型電子儀器。其主要特點可歸納為：①儀器分辨率高；②儀器的放大倍數范圍大，一般可達15～180000倍，并在此范圍內連續可調；③圖像景深大，富有立體感；④樣品制備簡單，可不破壞樣品；⑤在SEM上裝上必要的專用附件——能譜儀(EDX)，以實現一機多用，在觀察形貌像的同時，還可對樣品的微區進行成分分析。

一、掃描電子顯微鏡(SEM)的基本結構及原理

掃描電鏡基本上是由電子光學系統、信號接收處理顯示系統、供電系統、真空系統等四部分組成。圖13-2-1是它的前兩部分結構原理方框圖。電子光學部分只有起聚焦作用的匯聚透鏡，它們的作用是用信號收受處理顯示系統來完成的。

圖13-2-1 SEM的基本結構示意圖

在掃描電鏡中，電子槍發射出來的電子束，經3個電磁透鏡聚焦，成直徑為20 μm～25 ?的電子束。置于末級透鏡上部的掃描線圈能使電子束在試樣表面上做光柵狀掃描。試樣在電子束作用下，激發出各種信號，信號的強度取決于試樣表面的形貌、受激區域的成分和晶體取向。試樣附近的探測器把激發出的電子信號接受下來，經信號處理放大系統后，輸送到陰極射線管(顯像管)的柵極以調制顯像管的亮度。由于顯像管中的電子束和鏡筒中的電子束是同步掃描的，顯像管亮度是由試樣激發出的電子信號強度來調制的，由試樣表面任一點所收集來的信號強度與顯像管屏上相應點亮度一一對應，因此試樣狀態不同，相應的亮度也必然不同。由此，得到的像一定是試樣形貌的反映。若在試樣斜上方安置的波譜儀和能譜儀，收集特征X射線的波長和能量，則可做成分分析。

值得注意的是，入射電子束在試樣表面上是逐點掃描的，像是逐點記錄的，因此試樣各點所激發出來的各種信號都可選錄出來，并可同時在相鄰的幾個顯像管上或X—Y記錄儀上顯示出來，這給試樣綜合分析帶來極大的方便。

二、高能電子束與樣品的相互作用

并從樣品中激發出各種信息。對于寶石工作者，最常用的是二次電子、背散射電子和特征X射線。上述信息產生的機理各異，采用不同的檢測器，選擇性地接收某一信息就能對樣品進行成分分析(特征X射線)或形貌觀察(二次電子和背散射電子)。這些信息主要有以下的特征：

1.二次電子(SE)

從距樣品表面100 ?左右的深度范圍內激發的低能量電子(一般為0～50 eV左右)發生非彈性碰撞。二次電子像是SEM中應用最廣、分辨率最高的一種圖像，成像原理亦有一定的代表性。高能入射電子束(一般為10～35 keV)由掃描線圈磁場的控制，在樣品表面上按一定的時間、空間順序作光柵式掃描，而從試樣中激發出二次電子。被激發出的二次電子經二次電子收集極、閃爍體、光導管、光電倍增管以及視頻放大器，放大成足夠強的電信號，用以調制顯像管的亮度。由于入射電子束在樣品上的掃描和顯像管的電子束在熒光屏上的掃描用同一個掃描發生器調制，這就保證了樣品上任一物點與熒光屏上任一“像點”在時間與空間上一一對應；同時，二次電子激發量隨試樣表面凹凸程度的變化而變化，所以，顯像管熒光屏上顯現的是一幅明暗程度不同的反映樣品表面形貌的二次電子像。由于二次電子具有低的能量，為了收集到足夠強的信息，二次電子檢測器的收集必須處于正電位(一般為+250 V )，在這個正電位的作用下，試樣表面向各個方向發射的二次電子都被拉向收集極(圖13-2-2a)，這就使二次電子像成為無影像，觀察起來更真實、更直觀、更有立體感。

2.背散射電子(BE)

從距樣品表面0.1～1 μm的深度范圍內散射回來的入射電子，其能量近似等于原入射電子的能量發生彈性碰撞。背散射電子像的成像過程幾乎與二次電子像相同，只不過是采用不同的探測器接收不同的信息而已，如圖13-2-2所示。

圖13-2-2 二次電子圖像和背散射電子圖像的照明效果

(據S.Kimoto，1972)

a：二次電子檢測方法；a′：二次電子圖像的照明效果；b：背散射電子檢測方法；b′：背散射電子圖像的照明效果

3.特征X射線

樣品中被激發了的元素特征X射線釋放出來(發射深度在0.5～5μm范圍內)。而要對樣品進行微區的元素的成分分析，則需借助于被激發的特征X射線。這就是通常所謂的“電子探針分析”，又通常把測定特征X射線波長的方法叫波長色散法(WDS)；測定特征X射線能量的方法叫能量色散法(EDS)。掃描電子顯微鏡除了可運用于寶玉石的表面形貌外，它經常帶能譜(EDS)做成分分析。EDS主要是由高效率的鋰漂移硅半導體探測器、放大器、多道脈沖高度分析器和記錄系統組成。樣品被激發的特征X射線，入射至鋰漂移硅半導體探測器中，使之產生電子—空穴對，然后轉換成電流脈沖，放大，經多道脈沖高度分析器按能量高低將這些脈沖分離，由這些脈沖所處的能量位置，可知試樣所含的元素的種類，由具有相應能量的脈沖數量可知該元素的相對含量。利用此方法很容易確定寶石礦物的成分。

掃描電鏡若帶有能譜(EDS)則不但可以不破壞樣品可運用于做寶玉石形貌像，而且還能快速做成分分析(如圖13-2-3，廖尚儀，2001)。因此它是鑒定和區別相似寶玉石礦物的好方法，如紅色的鎂鋁榴石，紅寶石、紅尖晶石、紅碧璽等，因為它們的成分不同，其能譜(EDS)圖也就有較大的區別。波譜(WDS)定量分析比能譜(EDS)定量分析精確，但EDS分析速度快。

圖13-2-3 藍色鉀-鈉閃石的能譜圖

三、SEM的微形貌觀察

1.樣品制備

如果選用粉狀樣，需要事先選擇好試樣臺。如果是塊狀樣，最大直徑一般不超過15mm。如果單為觀察形貌像，直徑稍大一些(39mm)仍可以使用，但試樣必須導電。如果是非導電體試樣，必須在試樣表面覆蓋一層約200 ?厚度的碳或150 ?的金。

2.SEM形貌像的獲得

圖13-2-4 掃描電子顯微鏡下石英(a)和藍色閃石玉(b)的二次電子像

觀察試樣的形貌，常用二次電子像或背散射電子像。圖13-2-4是石英(a)和藍色閃石玉(鉀-鈉閃石b)的二次電子像。同時由于二次電子像具有較高的分辨率和較高的放大倍數，因此，比背散射電子像更為常用。而成分分析則常采用背散射電子像。