SEM掃描式電子顯微鏡使用電子束而非可見光成像,因此相較於光學顯微鏡具有更高解析度,通常用於觀察微觀結構。此外,依據不同的應用需求,使用者可透過不同的偵測器接收不一樣的電子信號種類,以取得樣品從不同觀測角度的互補資訊。以下將介紹SEM的成像原理,並說明常見的電子信號種類及其特色。
SEM掃描式電子顯微鏡如何成像?
掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)是一種高解析度的電子顯微鏡,使用高能電子束來掃描樣品表面,透過偵測器接收電子信號,進而轉換生成影像。
掃描式電子顯微鏡與樣品交互作用可產生多種信號,如二次電子(Secondary Electron)、背向散射電子(Backscattered Electron)和特徵X射線(Characteristic X-ray)等。使用不同的偵測器分別接收這些信號,可以對樣品取得更全面的瞭解。


SEM掃描式電子顯微鏡:二次電子信號成像
二次電子(Secondary electron, SE),又稱次級電子,是由高能電子束與樣品表面相互作用時,由樣品本身激發或排擠出的非彈性散射電子,其能量較低(<50 eV),來自樣品的淺層區域。
二次電子(Secondary electron)因帶有微負電,可以由在側邊具有高正電壓的二次電子感測器所吸引,而使二次電子撞擊感測器。透過掃描樣品不同的位置,可收集到不同的二次電子數量與能量信息,這種信號可提供高解析度的表面高低起伏的形態樣貌訊息。
SEM掃描式電子顯微鏡:背向散射電子信號成像
背向散射電子(Backscattered Electron, BSE)是由高能電子束與樣品原子相互作用,經彈性碰撞後反彈回來的入射電子。能量略低於入射電子,高於二次電子,來自樣品較深的區域。
背向散射電子(Backscattered Electron)的產生是由於電子的質量與原子核相差太多,當入射電子打到原子核時,電子會發生反彈,當樣品的原子序愈高,原子內的質子愈多,正電愈強,愈能吸引入射電子,更能使入射電子發生背向散射。因此原子序愈大的樣品,在相同的入射電子強度下,會有較高的亮度,這種信號可用於顯示樣品中不同區域的原子組成和結構變化。

SEM掃描式電子顯微鏡:X 射線能譜分析 (EDS元素分析)
X 射線能譜分析(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy,EDS)是由電子束與樣品內的原子碰撞時,原子內層的電子被激發形成電洞,外層電子往內填補這些電洞,而由高能階轉變成低能階的狀態,能量便藉由X-ray的方式產生,由於每個元素的內層電子能階差是固定的,所產生的X-ray便有固定的能量,就可以由光譜分析來識別樣品中的元素。
SEM掃描式電子顯微鏡應用範圍
掃描式電子顯微鏡具有高解析度、深層觀察能力和對表面微觀結構的敏感性等主要特點。相對於光學顯微鏡,SEM能夠提供更高的放大倍率。當被測物所需解析度接近或小於微米(µm)等級,甚至進入奈米(nm)等級時,SEM成為觀察的理想工具。因此廣泛用於各行業。

材料科學: 研究金屬、陶瓷、塑膠等材料的晶體結構、顆粒分佈、表面形貌、裂紋等特性,以用於表面處理、塗層和材料的製備。
半導體製造與封裝:檢查積體電路和其他微電子元件製造過程中的缺陷和材料特性。
PCB電路板:切片分析檢測、故障分析檢測、透過檢測瞭解焊接、印刷等製程問題。
纖維產業:纖維形貌分析(如直徑、長度、形狀)、纖維結構分析(如層次、纖維束的排列、纖維間的連接)等。
一台掃描式電子顯微鏡(SEM)可能具有一種或多種偵測器,根據使用者的需求也會有不同選擇,在購買前最好先進行諮詢與樣品測試,以取得符合需求的電子顯微鏡配套。
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