扫描电子显微镜（SEM）是一种具有高分辨率、高放大倍数的微观分析仪器，也是分析粉体材料微观形貌和结构特性不可或缺的工具。它利用聚焦的高能电子束扫描样品，通过激发电子及特征X射线信息来表征物质的微观形貌。

接下来，本文将从扫描电镜的工作原理、组成系统、应用场景、主要厂商四个方面带大家了解这种在材料分析领域必不可少的得力工具。

扫描电镜

一、SEM的工作原理

SEM工作时，会由电子枪发射具有稳定束流和能量的电子束，通过电磁透镜聚焦，入射到样品表面，电子束与样品原子核或核外电子发生相互作用，产生各种信号。

入射电子束穿透的深度与加速电压成正比，与样品的密度成反比，会在样品内部形成一定穿透深度的相互作用区（如下图）。入射电子与样品相互作用产生的各种信号反映了样品表面的形貌或成分，分别被不同检测器接收，经过信号转换、放大，由计算机转化为可供观察和记录的数字图像或谱线。

电子束与样品相互作用区

不同信号的区别如下：

二次电子：由入射电子轰击样品而从样品表面发射的电子称为二次电子。二次电子的能量较低（<50 eV），仅从距样品表面5~10 nm的深度才能逸出，因此二次电子图像分辨率较高，对表面细节敏感，利于表面形貌的表征，是反映样品表面形貌的主要成像信号。

背散射电子：背散射电子是入射电子在样品中受到原子核的卢瑟福散射而形成大角度散射，重新逸出样品表面的高能电子，一般是从距样品表面0.1~1μm的深度射出。背散射电子的产出率主要取决于样品的平均原子序数Z，因此可以体现样品分析区域成分的差异。

特征X射线：当样品原子内层被入射电子激发或电离后，会在内层电子处产生一个空穴，外层电子就会跃迁到内层以填补该空穴，同时释放出具有特定能量的电磁辐射光子，称为特征X射线。通过探测特征X射线，即可获得样品的元素成分信息。

二、SEM的组成系统

SEM仪器主要分为4个系统：电子光学系统（镜筒）、信号检测处理系统、真空系统与电子控制系统。其中电子光学系统包含电子枪、电磁透镜、扫描线圈、样品室等主要部件，而电子枪位于镜筒顶部，是扫描电镜的电子束发射源。

SEM组成示意图

根据电子枪种类的不同，SEM可分为场发射电子枪SEM（包括冷场发射、热场发射和肖特基SEM）、钨丝枪SEM以及六硼化镧枪SEM等。其中场发射扫描电镜的分辨率、亮度等性能指标更为出色，但使用条件更为严苛、价格更为昂贵。

不同类型的电子枪区别如下：

l 钨灯丝电子枪通过电流直接加热钨丝产生热电子发射，在加速电压作用下形成电子束。

l 六硼化镧或六硼化铈电子枪由一个钨丝间接加热的单晶组成，具有更大的电子发射产出率，比钨灯丝发射亮度更高。

l 冷场或肖特基场发射电子枪作为发射源，具有极高亮度、极细束斑和低电子束流，使用寿命可达数千小时，具有更高的分辨率和优良的信噪比。

此外构成扫描电镜的组件还有信号检测处理系统（用于信号检测的主要有二次电子检测器、背散射电子检测器、X射线能谱检测器）、真空系统（用于维持电子光学系统所需的真空条件）、电子控制系统（电子控制系统为电子光学系统和真空系统提供电源并进行控制，通过信号处理获得数字化图像，并可对图像进行放大及尺寸测量）等。

三、不同形态的SEM

此外，设备形态也决定了使用场景与灵活性：

①落地式电镜

优点：通常配置更强（如更高真空系统、更多探测器接口）、扩展性佳（可连接EDS、EBSD等大型附件）、极限分辨率更高、长期稳定性最好。

场景：适用于中央实验室、前沿科研，需要完成最复杂、最精密的表征任务，是追求性能极限的选择。

②台式电镜

优点：体积小巧，无需专用房间和水冷；通常真空系统简化，样品制备更快速；操作高度自动化；购置和运营成本显著降低。

场景：适用于生产线现场、教学实验室、小规模研发团队，用于快速质检、过程监控、以及作为大型电镜的初筛工具。

四、SEM的应用价值

对于微米及纳米尺度的粉体材料，SEM提供的不仅仅是放大图像，更是理解其性能的关键信息。比如：

1、形貌分析与尺寸测量

SEM最核心的功能是提供高分辨率的表面图像。这对于粉体材料至关重要：

l 粒度与分布：可以直观地观察粉末颗粒的大小（从微米到纳米级）和形状（如球形、片状、棒状、不规则状等），并通过图像分析软件统计颗粒的尺寸分布。

l 表面特征：观察颗面的粗糙度、孔隙结构、晶界和裂纹等细节。例如，对于催化剂粉末，可以观察其活性位点的暴露情况；对于陶瓷粉末，则可以评估其烧结性能。

l 团聚现象：尤其在纳米粉体中，颗粒间容易发生团聚。SEM图像能清晰展示团聚的程度和形态，这对后续的分散和应用工艺优化至关重要。

金属粉体的SEM图

2、元素组成与化学分析

通常，SEM还会与X 射线能谱仪联用，X射线能谱检测器能接收入射电子束轰击样品激发产生的特征X射线，便可在观测样品微观形貌的同时进行微区元素成分分析。根据工作方式不同，可对样品进行点、线、面的定性或定量元素成分分析。

l 元素定性/定量分析：能够快速确定粉体颗粒主要由哪些元素组成，并估算它们的相对含量。

l 元素分布：可以绘制出特定元素在粉体样品表面的空间分布图。这对于研究复合粉末材料（如核壳结构、掺杂材料）中不同组分的均匀性或偏析现象非常有帮助。

锰矿样的微观形貌和元素分布情况。（a） 扫描电镜图；（b）~（f） EDS元素面分布

3、应用场景

在材料科学和冶金领域，SEM常用于观察和分析金属、非金属、纳米材料等的微观结构和成分，为优化生产工艺提供重要依据。像我们很关注的微纳米粉体材料的性能（如催化活性、机械强度、电学/光学特性）与颗粒的尺寸、形貌和表面积直接相关。

比如说高性能合金粉末，SEM可帮助分析颗粒尺寸均匀性、内部缺陷，EDS 用于检查元素偏析，确保合金成分在颗粒内部均匀分布，这些都是保证最终部件机械强度和抗疲劳性能的前提；

高熵合金粉末SEM图（来源：国仪量子）

对于特种陶瓷粉体，SEM可以直接“看到”纳米颗粒的一次粒径和尺寸分布，观察粉末在分散剂作用下的团聚程度，因为更小的颗粒尺寸和更均匀的分散性，有利于降低烧结温度，提高陶瓷的致密化程度。另外也可以用于观察陶瓷截面，判断烧结效果。

陶瓷截面SEM图（来源：国仪量子）

对于锂电池正极材料，SEM可以观察正极材料（如NCM）二次颗粒的形貌和尺寸分布。EDS元素 Mapping 确定表面包覆层（如Al₂O₃）是否均匀覆盖。均匀的包覆层能提高材料的循环稳定性和安全性，特定的形貌有助于提升锂离子扩散速率。

三元正极前驱体SEM图（来源：国仪量子）

五、中国本土SEM厂商

近年来，国内电镜企业在国家支持下发展迅速，已在市场中占据一席之地。

1、国仪量子

地位：中国领先的科学仪器和量子精密测量设备制造商，致力于实现高端科学仪器的国产化，近年来在扫描电子显微镜领域发展迅速。

特点：专注于开发具有自主知识产权的扫描电镜产品，提供从台式到高分辨率场发射的系列电镜。新推出的超高分辨率场发射扫描电子显微镜SEM5000X分辨率达到了突破性的0.6 nm@15 kV和1.0 nm@1 kV，产品性能对标国际一流。

场发射扫描电镜SEM5000X

2、中科科仪

地位：中国老牌科学仪器公司，在电子光学领域有深厚积累，是推动高端科学仪器国产化的重要力量。

特点：2014年成功研制出推出我国第一台KYKY-EM8000型场发射枪扫描电镜，产品线包括KYKY-EM系列，致力于实现高端电镜的国产化替代，产品在半导体、材料分析、生命科学等领域得到应用。

KYKY-EM8200超高分辨场发射扫描电镜

3、聚束科技

地位：中国专注于高通量、高速扫描电子显微镜解决方案的高科技企业。

特点：致力于将扫描电镜从传统的“纳米照相机”升级为“纳米摄像机”。其Navigator系列主打“高通量”和“智能分析”概念，通过自主研发的硬件和软件设计，可实现全球最快二次电子与背散射电子双通道同步成像。

高通量（场发射）扫描电子显微镜Navigator-110

4、善时仪器

地位：国内领先的桌面式电镜供应商。

特点：主营各类台式扫描电镜。体积小巧，操作简便，易于维护，面向基础工业和质检市场。

SS-150系列扫描电镜

六、海外SEM厂商

在该领域，海外企业由于起步较早，长期占据市场主要份额。

1、赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific，美国）

地位：目前全球电子显微镜市场的绝对领导者。通过收购FEI、飞利浦电镜部等，整合了强大的技术。

特点：产品线覆盖全面，从常规钨灯丝SEM到场发射SEM（如Apreo, Verios），以及双束电镜（FIB-SEM）和聚焦离子束知名度都很高。擅长提供高度集成和自动化的工作流程解决方案，如EDS/WDS能谱仪、自动化软件和原位（In-situ）观测技术。

Apreo 2 SEM场发射扫描电镜

2、日立高新（Hitachi High-Tech，日本）

地位：全球领先的电子显微镜制造商之一，市场占有率很高。

特点：以稳定性、易用性和成像质量著称。其SU系列（如SU5000, SU9000）和Regulus系列场发射电镜在科研和工业界应用极广。台式电镜（如TM系列）也很有名。

热场式场发射扫描电镜SU5000

3、卡尔蔡司（Carl Zeiss，德国）

地位：全球领先的电子显微镜和成像解决方案供应商，尤其在集成光电系统和高精度测量领域具有技术优势。

特点：擅长将电子显微镜（如Merlin、Sigma、Crossbeam系列）与聚焦离子束（FIB-SEM）技术、X射线显微镜等集成，提供多模式成像和三维（3D）分析解决方案。产品定位高端，常用于材料科学、半导体和生命科学等领域的研究。

ZEISS Gemini 300 扫描电子显微镜

4、日本电子（JEOL, Ltd.，日本）

地位：有着七十多年历史的电镜制造商，在透射电镜（TEM）领域尤为强势，SEM同样出色。

特点：技术扎实，产品耐用。提供从高分辨率场发射电镜（FE-SEM）（如JSM-7000系列、JSM-IT800）到多功能钨灯丝电镜的全套解决方案，在分析型电镜（如搭配WDS）方面有特色。

JSM-IT810场发射扫描电子显微镜

5、泰思肯（TESCAN，捷克）

地位：全球领先的定制化和多功能电子显微镜系统供应商，在高端分析和聚焦离子束（FIB）技术方面实力强劲。

特点：以提供高度灵活和可配置的系统著称，首创了扫描电镜与拉曼共聚焦显微镜一体化技术、双束电镜（FIB-SEM）与飞行时间-二次离子质谱仪一体化技术以及氙等离子聚焦离子束技术，是行业领域的技术领导者。

TESCAN AMBER 镓离子型双束扫描电镜

6、科视达（COXEM，韩国）

地位：专注于开发和生产紧凑型和台式扫描电子显微镜的制造商。

特点：专注于桌面式扫描电镜，其产品线包括EM-30系列等。以高性价比和操作简便性为主要优势，在保持较小体积的同时提供优异的性能，适用于教育、工业现场检测等。

COXEM EM-30台式扫描显微镜

粉体圈NANA整理