一、實驗準備：基礎決定高度

1.1 樣品制備核心原則

導電性處理：

非導電樣品（如聚合物、陶瓷、生物組織）：B須噴涂金屬（金/鉑）或碳膜，厚度控制在5-20nm，避免電荷積累導致圖像畸變。

導電樣品（金屬、半導體）：直接固定于導電膠帶或樣品臺，確保接地良好。

尺寸與形狀適配：

塊狀樣品：高度不超過10mm，通過導電膠或銅釘固定。

粉末樣品：分散于導電膠帶或碳膠上，輕敲去除松散顆粒。

脆性材料（如陶瓷）：預切割為薄片，避免電子束穿透導致結構模糊。

清潔與干燥：

有機污染物：用乙醇或丙酮超聲清洗5分鐘，氮氣吹干。

含水樣品（如生物組織）：梯度脫水（50%、70%、90%、****乙醇）后臨界點干燥，防止收縮變形。

1.2 設備狀態檢查

真空系統：

啟動前確認真空泵油位正常，旋轉泵與擴散泵連鎖啟動。

樣品室真空度需達到10??Pa以上，避免殘余氣體電離干擾成像。

電子光學系統：

檢查燈絲狀態（鎢燈絲需定期蒸鍍，場發射燈絲需超高真空環境）。

調整電子槍對中，確保束流均勻性。

探測器校準：

二次電子探測器（SE）：靈敏度測試，調整電壓至信號穩定。

背散射電子探測器（BSE）：對比度調節，區分成分差異。

二、操作技巧：參數與模式的平衡藝術

2.1 關鍵參數設置

加速電壓（HV）：

低電壓（<5kV）：減少穿透深度，提升表面細節（適合納米結構）。

高電壓（>15kV）：增加穿透深度，適用于厚樣品或內部結構觀察。

束流強度（Probe Current）：

小束流（<1nA）：降低樣品損傷風險，適合易損材料（如有機薄膜）。

大束流（>10nA）：提高信噪比，但可能導致局部熔融（如金屬納米顆粒）。

工作距離（WD）：

短WD（5-10mm）：提升分辨率，但景深較小。

長WD（15-20mm）：增大景深，適合三維形貌觀察。

2.2 成像模式選擇

二次電子成像（SEI）：

優勢：高分辨率，清晰顯示表面形貌（如納米線、孔洞結構）。

適用場景：材料表面粗糙度分析、斷裂面觀察。

背散射電子成像（BEI）：

優勢：成分敏感性，原子序數高的區域（如金屬顆粒）更亮。

適用場景：多相材料（如合金、礦物）的相分布分析。

組合模式（SEI+BEI）：

技巧：同時采集兩種信號，通過色彩疊加區分形貌與成分信息。

2.3 實時優化策略

消像散（Stigmation）：

調整X/Y方向像散矯正旋鈕，使電子束聚焦為圓形光斑，消除圖像拉伸或模糊。

掃描速度與幀平均：

慢速掃描（>10s/幀）：結合幀平均（4-8次），抑制噪聲但可能丟失動態信息。

快速掃描（<2s/幀）：捕捉瞬時過程（如材料相變），但需犧牲部分信噪比。

三、數據處理：從原始信號到科學結論

3.1 圖像預處理

去噪與平滑：

中值濾波：保留邊緣的同時去除脈沖噪聲（如掃描線抖動）。

高斯模糊：平滑高斯噪聲，適用于背景校正。

對比度與亮度調整：

線性拉伸：擴展灰度范圍，突出暗部細節。

非線性調整（如γ校正）：增強低對比度區域的可見性。

3.2 定量分析方法

粒徑統計：

閾值分割：區分顆粒與背景，設定合理灰度閾值。

邊緣檢測（Canny算法）：識別顆粒邊界，計算等效圓直徑。

孔隙率與粗糙度：

二值化處理：將圖像轉換為黑白模式，計算孔隙面積占比。

表面粗糙度（Ra/Rms）：通過線掃描或面掃描數據，計算平均高度偏差。

能譜分析（EDS）：

元素面掃描：結合BEI圖像，繪制元素分布熱圖。

定點分析：測量微區成分，注意輕元素（如B、C）需高計數率與長采集時間。

3.3 三維重構與可視化

傾斜系列掃描：

每隔2°采集一張圖像，覆蓋-10°至+10°范圍，通過軟件重構三維形貌。

偽彩色增強：

將高度信息映射為顏色梯度（如低區藍色、高區紅色），提升視覺效果。

四、常見問題與解決方案

圖像出現條紋或抖動：檢查掃描線圈驅動電壓穩定性，降低掃描速度或增加幀平均次數。

樣品充電導致漂移：噴涂更薄導電層，或降低加速電壓至3kV以下。

束流不穩定：檢查燈絲老化程度，場發射槍需確認真空度是否達標（<10??Pa）。

EDS元素偏移：校準能譜儀標準樣品（如純銅、純銀），修正能量刻度。

SEM掃描電鏡的實驗技巧需兼顧樣品制備、參數優化與數據分析全流程。通過**控制加速電壓、束流強度與工作距離，結合SEI/BEI成像模式，可顯著提升圖像質量與信息深度。掌握消像散矯正、噪聲抑制及定量分析方法，將助力科研工作者在微觀尺度下揭示材料的結構-性能關系，推動材料科學、納米技術與生物醫學等領域的創新發展。