掃描電子顯微鏡（SEM）是一種具有高分辨率、高放大倍數(shù)的微觀分析儀器，也是分析粉體材料微觀形貌和結構特性不可或缺的工具。它利用聚焦的高能電子束掃描樣品，通過激發(fā)電子及特征X射線信息來表征物質的微觀形貌。

接下來，本文將從掃描電鏡的工作原理、組成系統(tǒng)、應用場景、主要廠商四個方面帶大家了解這種在材料分析領域必不可少的得力工具。

掃描電鏡

一、SEM的工作原理

SEM工作時，會由電子槍發(fā)射具有穩(wěn)定束流和能量的電子束，通過電磁透鏡聚焦，入射到樣品表面，電子束與樣品原子核或核外電子發(fā)生相互作用，產生各種信號。

入射電子束穿透的深度與加速電壓成正比，與樣品的密度成反比，會在樣品內部形成一定穿透深度的相互作用區(qū)（如下圖）。入射電子與樣品相互作用產生的各種信號反映了樣品表面的形貌或成分，分別被不同檢測器接收，經(jīng)過信號轉換、放大，由計算機轉化為可供觀察和記錄的數(shù)字圖像或譜線。

電子束與樣品相互作用區(qū)

不同信號的區(qū)別如下：

二次電子：由入射電子轟擊樣品而從樣品表面發(fā)射的電子稱為二次電子。二次電子的能量較低（<50 eV），僅從距樣品表面5~10 nm的深度才能逸出，因此二次電子圖像分辨率較高，對表面細節(jié)敏感，利于表面形貌的表征，是反映樣品表面形貌的主要成像信號。

背散射電子：背散射電子是入射電子在樣品中受到原子核的盧瑟福散射而形成大角度散射，重新逸出樣品表面的高能電子，一般是從距樣品表面0.1~1μm的深度射出。背散射電子的產出率主要取決于樣品的平均原子序數(shù)Z，因此可以體現(xiàn)樣品分析區(qū)域成分的差異。

特征X射線：當樣品原子內層被入射電子激發(fā)或電離后，會在內層電子處產生一個空穴，外層電子就會躍遷到內層以填補該空穴，同時釋放出具有特定能量的電磁輻射光子，稱為特征X射線。通過探測特征X射線，即可獲得樣品的元素成分信息。

二、SEM的組成系統(tǒng)

SEM儀器主要分為4個系統(tǒng)：電子光學系統(tǒng)（鏡筒）、信號檢測處理系統(tǒng)、真空系統(tǒng)與電子控制系統(tǒng)。其中電子光學系統(tǒng)包含電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、樣品室等主要部件，而電子槍位于鏡筒頂部，是掃描電鏡的電子束發(fā)射源。

SEM組成示意圖

根據(jù)電子槍種類的不同，SEM可分為場發(fā)射電子槍SEM（包括冷場發(fā)射、熱場發(fā)射和肖特基SEM）、鎢絲槍SEM以及六硼化鑭槍SEM等。其中場發(fā)射掃描電鏡的分辨率、亮度等性能指標更為出色，但使用條件更為嚴苛、價格更為昂貴。

不同類型的電子槍區(qū)別如下：

l 鎢燈絲電子槍通過電流直接加熱鎢絲產生熱電子發(fā)射，在加速電壓作用下形成電子束。

l 六硼化鑭或六硼化鈰電子槍由一個鎢絲間接加熱的單晶組成，具有更大的電子發(fā)射產出率，比鎢燈絲發(fā)射亮度更高。

l 冷場或肖特基場發(fā)射電子槍作為發(fā)射源，具有極高亮度、極細束斑和低電子束流，使用壽命可達數(shù)千小時，具有更高的分辨率和優(yōu)良的信噪比。

此外構成掃描電鏡的組件還有信號檢測處理系統(tǒng)（用于信號檢測的主要有二次電子檢測器、背散射電子檢測器、X射線能譜檢測器）、真空系統(tǒng)（用于維持電子光學系統(tǒng)所需的真空條件）、電子控制系統(tǒng)（電子控制系統(tǒng)為電子光學系統(tǒng)和真空系統(tǒng)提供電源并進行控制，通過信號處理獲得數(shù)字化圖像，并可對圖像進行放大及尺寸測量）等。

三、不同形態(tài)的SEM

此外，設備形態(tài)也決定了使用場景與靈活性：

①落地式電鏡

優(yōu)點：通常配置更強（如更高真空系統(tǒng)、更多探測器接口）、擴展性佳（可連接EDS、EBSD等大型附件）、極限分辨率更高、長期穩(wěn)定性最好。

場景：適用于中央實驗室、前沿科研，需要完成最復雜、最精密的表征任務，是追求性能極限的選擇。

②臺式電鏡

優(yōu)點：體積小巧，無需專用房間和水冷；通常真空系統(tǒng)簡化，樣品制備更快速；操作高度自動化；購置和運營成本顯著降低。

場景：適用于生產線現(xiàn)場、教學實驗室、小規(guī)模研發(fā)團隊，用于快速質檢、過程監(jiān)控、以及作為大型電鏡的初篩工具。

四、SEM的應用價值

對于微米及納米尺度的粉體材料，SEM提供的不僅僅是放大圖像，更是理解其性能的關鍵信息。比如：

1、形貌分析與尺寸測量

SEM最核心的功能是提供高分辨率的表面圖像。這對于粉體材料至關重要：

l 粒度與分布：可以直觀地觀察粉末顆粒的大小（從微米到納米級）和形狀（如球形、片狀、棒狀、不規(guī)則狀等），并通過圖像分析軟件統(tǒng)計顆粒的尺寸分布。

l 表面特征：觀察顆面的粗糙度、孔隙結構、晶界和裂紋等細節(jié)。例如，對于催化劑粉末，可以觀察其活性位點的暴露情況；對于陶瓷粉末，則可以評估其燒結性能。

l 團聚現(xiàn)象：尤其在納米粉體中，顆粒間容易發(fā)生團聚。SEM圖像能清晰展示團聚的程度和形態(tài)，這對后續(xù)的分散和應用工藝優(yōu)化至關重要。

金屬粉體的SEM圖

2、元素組成與化學分析

通常，SEM還會與X 射線能譜儀聯(lián)用，X射線能譜檢測器能接收入射電子束轟擊樣品激發(fā)產生的特征X射線，便可在觀測樣品微觀形貌的同時進行微區(qū)元素成分分析。根據(jù)工作方式不同，可對樣品進行點、線、面的定性或定量元素成分分析。

l 元素定性/定量分析：能夠快速確定粉體顆粒主要由哪些元素組成，并估算它們的相對含量。

l 元素分布：可以繪制出特定元素在粉體樣品表面的空間分布圖。這對于研究復合粉末材料（如核殼結構、摻雜材料）中不同組分的均勻性或偏析現(xiàn)象非常有幫助。

錳礦樣的微觀形貌和元素分布情況。（a） 掃描電鏡圖；（b）~（f） EDS元素面分布

3、應用場景

在材料科學和冶金領域，SEM常用于觀察和分析金屬、非金屬、納米材料等的微觀結構和成分，為優(yōu)化生產工藝提供重要依據(jù)。像我們很關注的微納米粉體材料的性能（如催化活性、機械強度、電學/光學特性）與顆粒的尺寸、形貌和表面積直接相關。

比如說高性能合金粉末，SEM可幫助分析顆粒尺寸均勻性、內部缺陷，EDS 用于檢查元素偏析，確保合金成分在顆粒內部均勻分布，這些都是保證最終部件機械強度和抗疲勞性能的前提；

高熵合金粉末SEM圖（來源：國儀量子）

對于特種陶瓷粉體，SEM可以直接“看到”納米顆粒的一次粒徑和尺寸分布，觀察粉末在分散劑作用下的團聚程度，因為更小的顆粒尺寸和更均勻的分散性，有利于降低燒結溫度，提高陶瓷的致密化程度。另外也可以用于觀察陶瓷截面，判斷燒結效果。

陶瓷截面SEM圖（來源：國儀量子）

對于鋰電池正極材料，SEM可以觀察正極材料（如NCM）二次顆粒的形貌和尺寸分布。EDS元素 Mapping 確定表面包覆層（如Al₂O₃）是否均勻覆蓋。均勻的包覆層能提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性，特定的形貌有助于提升鋰離子擴散速率。

三元正極前驅體SEM圖（來源：國儀量子）

五、中國本土SEM廠商

近年來，國內電鏡企業(yè)在國家支持下發(fā)展迅速，已在市場中占據(jù)一席之地。

1、國儀量子

地位：中國領先的科學儀器和量子精密測量設備制造商，致力于實現(xiàn)高端科學儀器的國產化，近年來在掃描電子顯微鏡領域發(fā)展迅速。

特點：專注于開發(fā)具有自主知識產權的掃描電鏡產品，提供從臺式到高分辨率場發(fā)射的系列電鏡。新推出的超高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡SEM5000X分辨率達到了突破性的0.6 nm@15 kV和1.0 nm@1 kV，產品性能對標國際一流。

場發(fā)射掃描電鏡SEM5000X

2、中科科儀

地位：中國老牌科學儀器公司，在電子光學領域有深厚積累，是推動高端科學儀器國產化的重要力量。

特點：2014年成功研制出推出我國第一臺KYKY-EM8000型場發(fā)射槍掃描電鏡，產品線包括KYKY-EM系列，致力于實現(xiàn)高端電鏡的國產化替代，產品在半導體、材料分析、生命科學等領域得到應用。

KYKY-EM8200超高分辨場發(fā)射掃描電鏡

3、聚束科技

地位：中國專注于高通量、高速掃描電子顯微鏡解決方案的高科技企業(yè)。

特點：致力于將掃描電鏡從傳統(tǒng)的“納米照相機”升級為“納米攝像機”。其Navigator系列主打“高通量”和“智能分析”概念，通過自主研發(fā)的硬件和軟件設計，可實現(xiàn)全球最快二次電子與背散射電子雙通道同步成像。

高通量（場發(fā)射）掃描電子顯微鏡Navigator-110

4、善時儀器

地位：國內領先的桌面式電鏡供應商。

特點：主營各類臺式掃描電鏡。體積小巧，操作簡便，易于維護，面向基礎工業(yè)和質檢市場。

SS-150系列掃描電鏡

六、海外SEM廠商

在該領域，海外企業(yè)由于起步較早，長期占據(jù)市場主要份額。

1、賽默飛世爾科技（Thermo Fisher Scientific，美國）

地位：目前全球電子顯微鏡市場的絕對領導者。通過收購FEI、飛利浦電鏡部等，整合了強大的技術。

特點：產品線覆蓋全面，從常規(guī)鎢燈絲SEM到場發(fā)射SEM（如Apreo, Verios），以及雙束電鏡（FIB-SEM）和聚焦離子束知名度都很高。擅長提供高度集成和自動化的工作流程解決方案，如EDS/WDS能譜儀、自動化軟件和原位（In-situ）觀測技術。

Apreo 2 SEM場發(fā)射掃描電鏡

2、日立高新（Hitachi High-Tech，日本）

地位：全球領先的電子顯微鏡制造商之一，市場占有率很高。

特點：以穩(wěn)定性、易用性和成像質量著稱。其SU系列（如SU5000, SU9000）和Regulus系列場發(fā)射電鏡在科研和工業(yè)界應用極廣。臺式電鏡（如TM系列）也很有名。

熱場式場發(fā)射掃描電鏡SU5000

3、卡爾蔡司（Carl Zeiss，德國）

地位：全球領先的電子顯微鏡和成像解決方案供應商，尤其在集成光電系統(tǒng)和高精度測量領域具有技術優(yōu)勢。

特點：擅長將電子顯微鏡（如Merlin、Sigma、Crossbeam系列）與聚焦離子束（FIB-SEM）技術、X射線顯微鏡等集成，提供多模式成像和三維（3D）分析解決方案。產品定位高端，常用于材料科學、半導體和生命科學等領域的研究。

ZEISS Gemini 300 掃描電子顯微鏡

4、日本電子（JEOL, Ltd.，日本）

地位：有著七十多年歷史的電鏡制造商，在透射電鏡（TEM）領域尤為強勢，SEM同樣出色。

特點：技術扎實，產品耐用。提供從高分辨率場發(fā)射電鏡（FE-SEM）（如JSM-7000系列、JSM-IT800）到多功能鎢燈絲電鏡的全套解決方案，在分析型電鏡（如搭配WDS）方面有特色。

JSM-IT810場發(fā)射掃描電子顯微鏡

5、泰思肯（TESCAN，捷克）

地位：全球領先的定制化和多功能電子顯微鏡系統(tǒng)供應商，在高端分析和聚焦離子束（FIB）技術方面實力強勁。

特點：以提供高度靈活和可配置的系統(tǒng)著稱，首創(chuàng)了掃描電鏡與拉曼共聚焦顯微鏡一體化技術、雙束電鏡（FIB-SEM）與飛行時間-二次離子質譜儀一體化技術以及氙等離子聚焦離子束技術，是行業(yè)領域的技術領導者。

TESCAN AMBER 鎵離子型雙束掃描電鏡

6、科視達（COXEM，韓國）

地位：專注于開發(fā)和生產緊湊型和臺式掃描電子顯微鏡的制造商。

特點：專注于桌面式掃描電鏡，其產品線包括EM-30系列等。以高性價比和操作簡便性為主要優(yōu)勢，在保持較小體積的同時提供優(yōu)異的性能，適用于教育、工業(yè)現(xiàn)場檢測等。

COXEM EM-30臺式掃描顯微鏡

粉體圈NANA整理