从电子源到成像,详解场发射电镜(FESEM)与扫描电镜(SEM)的区别

2025-07-15

场发射扫描电镜与SEM的比较及优势

在微观世界的研究中,扫描电镜(SEM)一直是科学家们探索材料表面和内部结构的重要工具。随着技术的进步,场发射扫描电镜(FESEM)以其卓越的性能,成为了SEM家族中的佼佼者。


本文将深入探讨FESEM的工作原理、特点,并与传统SEM进行对比,揭示FESEM的独特优势。


FESEM的工作原理

1. 电子源:FESEM采用场发射电子源,这种电子源通过强电场作用于尖端,使得电子能够量子隧道效应逸出,形成电子束。相较于SEM的热发射电子源,场发射电子源具有更高的亮度和更小的电子束直径,从而实现更高的分辨率。

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(a)热场电子源(Schottky式)     (b)冷场电子源    

图1 电子源

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2. 电子光学系统:FESEM配备了更先进的电子光学系统,包括电磁透镜和静电透镜,这些透镜系统提供了更好的电子束聚焦能力和稳定性,从而提高了成像质量。


3. 样品制备:由于FESEM的高分辨率和高亮度电子束,样品制备过程相对简化。通常只需对样品表面进行简单的导电处理,如喷金或喷碳,即可进行观察。金鉴实验室的FESEM测试服务,能够提供精确的样品分析,确保科研工作者获得可靠的数据支持。


4. 信号检测:FESEM能够检测多种信号,包括二次电子、背散射电子、透射电子等,这些信号为样品的形貌、成分和结构提供了丰富的信息。


FESEM的特点

1. 高分辨率:FESEM的高亮度电子束和先进的电子光学系统使其具有比传统SEM更高的分辨率,能够观察到更细微的样品结构。


2. 大景深:FESEM的成像具有较大的景深,这意味着在观察样品时,能够保持较好的成像质量,有利于观察样品的三维结构。


3. 信号稳定性:FESEM的信号稳定性较强,这使得在长时间观察过程中能够保持稳定的成像效果,减少了观察过程中的误差。


4. 样品制备简单:FESEM的样品制备过程相对简化,降低了样品制备的难度和成本,提高了实验效率。金鉴实验室的专业人员能够根据不同材料的特性,选择最合适的设备进行测试,确保每一个测试结果都具备高度的专业性和科学性。


5. 多种信号检测:FESEM能够检测多种信号,为分析和研究提供了更多依据。


FESEM相较于SEM的优势

1. 分辨率提高:FESEM的高分辨率使得微观观察的应用范围得到拓宽,能够观察到更细微的样品结构。


2. 景深增大:FESEM的大景深有利于观察样品的三维结构,使观察结果更加真实和准确。


3. 信号稳定性强:FESEM的信号稳定性减少了成像过程中的误差,提高了成像质量。


4. 样品制备简单:FESEM简化了样品制备过程,降低了实验成本和提高了实验效率。


5. 多种信号检测:FESEM的多种信号检测能力为样品分析提供了更全面的视角。


FESEM技术参数

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二次电子像分辨率:15kV--0.8nm,1kV--1.2nm,

放大倍数:14倍~2X106

加速电压:20V~30kV

电子束探针的电流:1 pA~50 nA;

驻留时间:25 ns~25 ms/像素


FESEM的应用领域

1. 在功能性膜材料研发中的应用

薄膜中纤维的细度和表面形态共同影响薄膜性能,薄膜微观结构与性能的关系是企业研发的重点,利用扫描电镜对样品孔径、均匀性及分层情况进行表征,观察其参数变化,助力企业研发。

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2. 在材料生产企业质控过程中的应用

材料生产企业在质量控制过程中,难免出现材料强度不够、产品杂质、材料孔洞等产品缺陷。用扫描电镜(SEM)表征材料影响因素,观察试样的各个区域的细节。企业通过分析材料缺陷,明确不合格原因,解决生产过程中出现的问题。

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3. 在锂电池正极材料开发中的应用

为了更好的提升锂离子的传输通道,通常也会采用单晶和多晶NCM混合来制备极片,因为单晶和多晶NCM颗粒的颗粒尺寸差异明显,以及导电添加剂CNT等混合物的形态,通过T2探测很容易识别,另外,单晶NCM颗粒与多晶NCM颗粒之间的导电网络通道也呈现的非常清楚。

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多晶与单晶三元NCM混合极片表面



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