電子顯微鏡已經(jīng)成為表征各種材料的有力工具。 它的多功能性和極高的空間分辨率使其成為許多應(yīng)用中非常有價(jià)值的工具。 其中，兩種主要的電子顯微鏡是透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）。 在這篇文章中，將簡要描述他們的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)。

掃描電鏡和透射電鏡的工作原理

從相似點(diǎn)開始, 這兩種設(shè)備都使用電子來獲取樣品的圖像。 他們的主要組成部分是相同的;  

· 電子源;

· 電磁和靜電透鏡控制電子束的形狀和軌跡;

· 光闌。

所有這些組件都存在于高真空中。  

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向這兩種設(shè)備的差異性。掃描電鏡（SEM）使用一組特定的線圈以光柵樣式掃描樣品并收集散射的電子（詳細(xì)了解SEM中檢測到的不同類型的電子）。

而透射電鏡（TEM）是使用透射電子，收集透過樣品的電子。 因此，透射電鏡（TEM）提供了樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如晶體結(jié)構(gòu)，形態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)信息，而掃描電鏡（SEM）則提供了樣品表面及其組成的信息。  

而且，這兩種設(shè)備最明顯的差別之一是它們可以達(dá)到的ZJ空間分辨率; 掃描電鏡（SEM）的分辨率被限制在?0.5nm，而隨著最近在球差校正透射電鏡（TEM）中的發(fā)展，已經(jīng)報(bào)道了其空間分辨率甚至小于50pm。

哪種電子顯微鏡技術(shù)最適合操作員進(jìn)行分析？

這完全取決于操作員想要執(zhí)行的分析類型。 例如，如果操作員想獲取樣品的表面信息，如粗糙度或污染物檢測，則應(yīng)選擇掃描電鏡（SEM）。 另一方面，如果操作員想知道樣品的晶體結(jié)構(gòu)是什么，或者想尋找可能存在的結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)，那么使用透射電鏡（TEM）是wei一的方法。

掃描電鏡（SEM）提供樣品表面的3D圖像，而透射電鏡（TEM）圖像是樣品的2D投影，這在某些情況下使操作員對結(jié)果的解釋更加困難。  

由于透射電子的要求，透射電鏡（TEM）的樣品必須非常薄，通常低于150nm，并且在需要高分辨率成像的情況下，甚至需要低于30nm，而對于掃描電鏡（SEM）成像，沒有這樣的特定要求。  

這揭示了這兩種設(shè)備之間的另一個(gè)主要差別：樣品制備。掃描電鏡（ SEM）的樣品很少需要或不需要進(jìn)行樣品制備，并且可以通過將它們安裝在樣品杯上直接成像。  

相比之下，透射電鏡（TEM）的樣品制備是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣的過程，只有經(jīng)過培訓(xùn)和有經(jīng)驗(yàn)的用戶才能成功完成。 樣品需要非常薄，盡可能平坦，并且制備技術(shù)不應(yīng)對樣品產(chǎn)生任何偽像（例如沉淀或非晶化 ）。 目前已經(jīng)開發(fā)了許多方法，包括電拋光，機(jī)械拋光和聚焦離子束刻蝕。 專用格柵和支架用于安裝透射電鏡（TEM）樣品。

SEM vs TEM：操作上的差異

這兩種電子顯微鏡系統(tǒng)在操作方式上也有所不同。 掃描電鏡（SEM）通常使用15kV以上的加速電壓，而透射電鏡（TEM）可以將其設(shè)置在60-300kV的范圍內(nèi)。  

與掃描電鏡（SEM）相比，透射電鏡（TEM）提供的放大倍數(shù)也相當(dāng)高：透射電鏡（TEM）可以將樣品放大5000萬倍以上，而對于掃描電鏡（SEM）來說，限制在1-2百萬倍之間。  

然而，掃描電鏡（SEM）可以實(shí)現(xiàn)的ZD視場（FOV）遠(yuǎn)大于透射電鏡（TEM），用戶可以只對樣品的一小部分進(jìn)行成像。 同樣，掃描電鏡（SEM）系統(tǒng)的景深也遠(yuǎn)高于透射電鏡（TEM）系統(tǒng)。

表I：掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）之間主要差異的總結(jié)

一般來說，透射電鏡（TEM）的操作更為復(fù)雜。 透射電鏡（TEM）的用戶需要經(jīng)過強(qiáng)化培訓(xùn)才能操作設(shè)備。 在每次使用之前需要執(zhí)行特殊程序，包括幾個(gè)步驟以確保電子束wan美對中。 在表I中，您可以看到掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）之間主要區(qū)別的總結(jié)。

結(jié)合SEM和TEM技術(shù)

還有一種電子顯微鏡技術(shù)被提及，它是透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）的結(jié)合，即掃描透射電鏡（STEM）。 如今，大多數(shù)透射電鏡（TEM）可以切換到“STEM模式”，用戶只需要改變其對準(zhǔn)程序。 在掃描透射電鏡（STEM）模式下，光束被精確聚焦并掃描樣品區(qū)域（如SEM），而圖像由透射電子產(chǎn)生（如TEM）。

在掃描透射電鏡（STEM）模式下工作時(shí)，用戶可以利用這兩種技術(shù)的功能; 他們可以在高分辨率先看到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（甚至高于透射電鏡TEM分辨率），但也可以使用其他信號(hào)，如X射線和電子能量損失譜。 這些信號(hào)可用于能量色散X射線光譜（EDX）和電子能量損失光譜（EELS）。  

當(dāng)然，EDX能譜分析在掃描電鏡（SEM）系統(tǒng)中也是常見分析方法，并用于通過檢測樣品被電子撞擊時(shí)發(fā)射的X射線來識(shí)別樣品的成分。

電子能量損失光譜（EELS）只能在以掃描透射電鏡（STEM）模式工作的透射電鏡（TEM）系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并能夠反應(yīng)材料的原子和化學(xué)成分，電子性質(zhì)以及局部厚度測量。

在SEM和TEM之間做出選擇

從所提到的一切來看，顯然沒有“更好”的技術(shù); 這完全取決于需要的分析類型。 當(dāng)用戶想要從樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲得信息時(shí)，透射電鏡（TEM）是zui佳的選擇，而當(dāng)需要樣品表面信息時(shí)，掃描電鏡（SEM）是shou選。 當(dāng)然，主要決定因素是兩個(gè)系統(tǒng)之間的巨大價(jià)格差異，以及易用性。 透射電鏡（TEM）可以為用戶提供更多的分辨能力和多功能性，但是它們比掃描電鏡（SEM）更昂貴且體型較大，需要更多操作技巧和復(fù)雜的前期制樣準(zhǔn)備才能獲得滿意的結(jié)果。

關(guān)于作者

Antonis Nanakoudis

Antonis Nanakoudis是Phenom-World的應(yīng)用工程師，后者是世界ling先的桌面掃描電子顯微鏡供應(yīng)商。Antonis致力于拓展Phenom飛納電鏡在不同的領(lǐng)域的應(yīng)用，并且不斷地探索、創(chuàng)新更多的使用技巧。

（來源：復(fù)納科學(xué)儀器（上海）有限公司）

電子背散射衍射系統(tǒng)（EBSD）是一種廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)和金屬學(xué)等領(lǐng)域的分析技術(shù)。通過測量電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生的衍射圖案，EBSD能夠提供有關(guān)材料晶體結(jié)構(gòu)、晶粒取向以及晶界特性的詳細(xì)信息。本文將深入探討EBSD技術(shù)的原理、應(yīng)用以及其在科研與工業(yè)中的重要性，幫助讀者全面理解這一強(qiáng)大工具的功能和應(yīng)用場景。

EBSD的基本原理

電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction，EBSD）是一種高分辨率的表面分析技術(shù)，主要依賴掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行操作。其基本原理是利用高能電子束照射到樣品表面時(shí)，部分電子會(huì)與材料中的晶格發(fā)生相互作用，產(chǎn)生背散射電子。這些背散射電子包含有晶體信息，經(jīng)過衍射后被探測器捕獲，形成衍射圖案。通過對這些衍射圖案的分析，能夠獲得樣品的晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向、應(yīng)力分布等信息。

EBSD圖像的核心數(shù)據(jù)是每個(gè)像素的晶體學(xué)方向或晶體學(xué)取向，這些信息可以通過對衍射花樣進(jìn)行空間分析獲得。EBSD技術(shù)的大優(yōu)點(diǎn)在于其非破壞性，能夠在不損壞樣品的情況下獲取高分辨率的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，且分析結(jié)果可以實(shí)時(shí)顯示，方便進(jìn)行進(jìn)一步的處理和研究。

EBSD技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

EBSD廣泛應(yīng)用于多個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域，尤其是在材料科學(xué)、金屬加工、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域中發(fā)揮著不可替代的作用。

1. 材料科學(xué)與工程

在材料科學(xué)中，EBSD被用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀特性。它能夠幫助工程師分析金屬、陶瓷、半導(dǎo)體等材料的晶粒尺寸、晶體取向和晶界特性，從而了解材料的力學(xué)性能和熱性能。通過分析晶粒的取向分布，研究人員能夠揭示材料的變形機(jī)制、斷裂行為以及合金的相變過程。EBSD對金屬材料的焊接性能分析，特別是焊接接頭的晶粒取向及其對力學(xué)性能的影響，也有重要的應(yīng)用。

2. 地質(zhì)學(xué)

在地質(zhì)學(xué)中，EBSD被用于巖石和礦物的研究，尤其是在分析礦物的晶體結(jié)構(gòu)和成分時(shí)。通過對不同礦物的晶體取向進(jìn)行分析，地質(zhì)學(xué)家能夠研究地殼的變形過程，揭示巖石在地質(zhì)歷史中的演變過程。EBSD也在考古學(xué)中得到應(yīng)用，幫助考古學(xué)家研究古代器物的材料特性和加工工藝。

3. 微電子學(xué)

在微電子領(lǐng)域，EBSD被用于半導(dǎo)體材料的研究，尤其是在集成電路的制造和優(yōu)化過程中。由于半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)對其電學(xué)性能有著顯著的影響，EBSD技術(shù)能夠幫助工程師識(shí)別晶體缺陷、評估應(yīng)力狀態(tài)，從而優(yōu)化半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和性能。

4. 納米材料與生物材料

隨著納米科技和生物材料的迅猛發(fā)展，EBSD也逐漸應(yīng)用于納米材料的研究。通過高分辨率的EBSD分析，可以研究納米晶粒的形成機(jī)制、界面結(jié)構(gòu)及其對材料性能的影響。對于生物材料，EBSD能夠幫助研究其組織結(jié)構(gòu)、晶體形態(tài)與力學(xué)性能的關(guān)系。

EBSD技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

EBSD技術(shù)相較于傳統(tǒng)的X射線衍射（XRD）和透射電子顯微鏡（TEM）具有多方面的優(yōu)勢。EBSD能夠提供更高的空間分辨率，甚至能夠精確到單個(gè)晶粒的分析。由于EBSD技術(shù)能夠在掃描電子顯微鏡中直接進(jìn)行操作，使用起來較為簡便，且不需要對樣品進(jìn)行特殊處理。EBSD還能夠提供豐富的關(guān)于晶體取向、晶界及應(yīng)力狀態(tài)等的信息，這些是其他技術(shù)所無法輕易獲得的。

EBSD也面臨一些挑戰(zhàn)。對于非晶態(tài)材料或具有較低結(jié)晶度的樣品，EBSD的應(yīng)用效果較差。EBSD分析時(shí)需要非常精確的樣品表面制備，表面不平整或污染可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的誤差。EBSD設(shè)備的成本較高，操作人員需要具備一定的專業(yè)知識(shí)，才能有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

總結(jié)

電子背散射衍射（EBSD）系統(tǒng)是一種強(qiáng)大的分析工具，能夠?yàn)椴牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)分析提供豐富的數(shù)據(jù)支持。通過高分辨率的晶體取向圖譜，EBSD技術(shù)能夠揭示材料的晶粒結(jié)構(gòu)、晶界性質(zhì)以及力學(xué)性能等關(guān)鍵信息，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、微電子學(xué)等領(lǐng)域。盡管EBSD技術(shù)在操作和樣品制備上有一定的挑戰(zhàn)，但它無疑是理解和優(yōu)化材料性能的重要工具。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，EBSD的應(yīng)用前景將更加廣泛，成為科研和工業(yè)中不可或缺的分析手段。

專業(yè)總結(jié)：EBSD作為一種表征材料微觀結(jié)構(gòu)的先進(jìn)技術(shù)，在科學(xué)研究與工業(yè)應(yīng)用中具有重要的地位。其獨(dú)特的能力不僅限于晶粒取向的獲取，還包括對晶體缺陷、應(yīng)力狀態(tài)及相變過程的深入分析。隨著電子顯微技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，EBSD在新材料的研發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能提升中將發(fā)揮越來越重要的作用。