扫描电子显微镜（SEM）

一、成像原理

扫描电镜的成像原理如下：在高压作用下，由电子枪阴极发射出的电子束初束，经聚光镜汇聚成极细的电子束入射到样品表面的某个分析点，与样品原子发生相互作用而激发出各种携带样品特征的信号电子，通过相应的探测器接收这些信号电子，经放大器放大后进行成像，即可分析样品在电子束入射点处的特征。同时，通过扫描线圈驱动入射电子束在样品表面选定区域作从左到右、从上到下的光栅式扫描，实现对选定区域每个分析点的采样，从而产生一幅由点构成的图像。扫描电镜是信号电子成像，主要用来观察样品的表面形貌和特征，如表面粗糙度、孔隙度等，拍出的图是立体（三维）图像，如图1。

图1 扫描电镜图像

二、试验步骤

1、样品干燥

SEM测试需要在高真空状态下进行，样品中如有水分会造成设备抽真空困难；水蒸气遇高能电子束被电离，电子束能量分散，从而增大色差，导致样品成像分辨率降低；水蒸气还会加速电子枪阴极材料的挥发，降低灯丝的使用寿命；在真空环境下，大部分含水样品的的表面容易发生变形，因此，需要对样品提前进行干燥处理。如何在不影响样品自身孔径的情况下进行脱水干燥处理，就是SEM试验是否能成功的关键。

常用的干燥方法是冷冻干燥法，首先将样品置于-80℃超低温冰箱中2小时或置于液氮内10min，再放入冷冻干燥机内进行充分干燥。

但是，有些水凝胶样品在降温过程中会发生玻璃化转变，干燥时样品发生坍缩，从而导致材料表面结构丧失。而乙醇梯度脱水不需要降温过程，能够有效地避免样品的不规则坍缩。因此，可用25％、50％、75％、100％的乙醇进行梯度脱水，每梯度脱水10-15min，然后置于-80℃下冷冻1-2天，再取出利用冷冻干燥机彻底冻干得到试样。

对于某些高含水的水凝胶试样或是生物样本，可以选用临界点干燥法进行干燥。首先用2.5%的戊二醛在4℃下固定超过4h，提升样品机械和热稳定性，以保持水凝胶原来的网络结构，用PBS冲洗干净，再用25％、50％、75％、100％浓度的乙醇或丙酮交换液进行梯度脱水，每梯度脱水10-15min，然后使用液态CO₂（预充）取代样品中的交换液，最后在临界点（31℃和74 bar）进行干燥。

2、断面制备

如果需要观察样品内部结构，在干燥样品后，还需要制作出断面，才能观察到样品内部的微观结构。断面应无污染、无皱缩、无明显的人工损伤以及附加结构。对于薄膜样品的断面最好用液氮脆断。先将样品置于液氮（如泡沫箱盛放）冷冻数分钟，再用尖锐工具（镊子尖端）在边缘做出切口后掰断，就能得到一个很好的断面。有些样品韧性很好不能脆断，可以使用锋利的刀片快速划开表面以形成一个接近自然脆断的断面。尽量避免剪刀剪开，经过剪刀剪切的断面与实际的断面会有很大的差别，获得断面的形貌无法反映客观事实。

3、表面导电处理

一般导电性差的样品需喷镀金膜后拍摄，喷金薄膜需要在10万倍率下才能观察到金颗粒，因此样品表面的金属膜对材料的形貌影响忽略不计。但是盐等非导电材料会导致电子束照射时电荷积累，造成图像失真、模糊或其他伪影，因此在样品制备时尽量避免引入无机盐。

三、扩展应用

        SEM与EDS能谱仪联用，在观察高分辨率的微观形貌的同时，还可针对选定微区进行化学成分分析，实现特定元素的位置重建。但是需要注意，EDS只能对元素含量进行半定量分析。