掃描電鏡（SEM）已經(jīng)成為材料表征時所廣泛使用的強有力工具,。而且因為不同應用中使用的材料尺寸都在不斷減小,，這在近幾年尤其如此,。本篇文章中,，我們將描述掃描電鏡 SEM 的主要工作原理,。

顧名思義,，電子顯微鏡使用電子成像,，就像光學顯微鏡利用可見光成像。一臺成像設備的*分辨率主要取決于介質(zhì)的波長,。由于電子的波長比光波長小得多,，電子顯微鏡的分辨率要優(yōu)于光學顯微鏡。實際上通常超過1000 倍,。

電子顯微鏡有兩種主要的類型：
1,、透射電子顯微鏡（TEM），它探測穿過薄樣品的電子來成像,；
2,、掃描電子顯微鏡（SEM），它利用被反射或撞擊樣品的近表面區(qū)域的電子來產(chǎn)生圖像,。

掃描電鏡 SEM 如何工作,？
我們著重講述掃描電鏡 SEM。SEM 的示意圖如圖1 所示,。在這種的電子顯微鏡中,，電子束以光柵模式逐行掃描樣品,。首先，電子由腔室頂端的電子源（俗稱燈絲）產(chǎn)生,。電子束發(fā)射是因為熱能克服了材料的功函數(shù),。他們隨后被加速并被帶正電的陽極所吸引。您可以在這篇指導中找到更多關于燈絲分類以及其特征的詳細描述,。
 

圖一： SEM 基本部件示意圖

整個電子腔需要處于真空環(huán)境中,。像所有的電子顯微鏡部件一樣，為了保持真空并且防止污染,、震動和噪聲,，燈絲被密封在一個特殊的腔室中。真空不僅可以保持燈絲不受污染,，也可以讓使用者獲得高分辨率,。如果缺乏真空，其它原子和分子就會存在于腔室中,。他們和電子相互作用就會導致電子束偏轉,，成像質(zhì)量降低。此外,，高真空增加了腔室中探頭的電子接收效率,。

電子路徑是如何控制的?
與光學顯微鏡類似，掃描電鏡 SEM 使用透鏡來控制電子的路徑,。因為電子不能透過玻璃,，這里所用的是電磁透鏡。他們簡單的由線圈和金屬極片構成,。當電流通過線圈,，就會產(chǎn)生磁場。電子對磁場十分敏感,，電子在顯微鏡腔室的路徑就可以由這些電磁透鏡控制——調(diào)節(jié)電流大小可以控制磁場強度,。通常，電磁透鏡有兩種：

會聚鏡,，電子通往樣品時首先遇到的透鏡,。會聚鏡會在電子束錐角張開之前將電子束會聚，電子在轟擊樣品之前會再由物鏡會聚一次,。會聚鏡決定了電子束的尺寸（決定著分辨率）,，物鏡則主要負責將電子束聚焦到樣品上。掃描電鏡的光路系統(tǒng)同樣還包含了用于將電子束在樣品表面光柵化的掃描線圈,。在許多時候,，孔徑光闌會結合透鏡一起控制電子束大小。這些 SEM 的主要部件如圖1 所示,。

 
掃描電鏡 SEM 都產(chǎn)生了哪些電子,？
電子與樣品的相互作用會產(chǎn)生不同種類的電子,、光子或輻射。對于掃描電鏡 SEM 來說,，用于成像的兩類電子分別是背散射電子 (BSE) 和二次電子 (SE),。背散射電子來自于入射電子束，這些電子與樣品發(fā)生彈性碰撞,，其中一部分反彈回來,，這就是背散射電子。另一方面,，二次電子則來自于樣品原子：它們是入射電子與樣品發(fā)生非彈性碰撞所產(chǎn)生的,。

BSE 來自于樣品的較深層區(qū)域，而 SE 則產(chǎn)生于樣品的表面區(qū)域,。因此,，BSE 和 SE 代表不同的信息。BSE 圖像對原子序數(shù)差異非常敏感：材料的原子序數(shù)越大,，對應在圖像中就越亮,。
 

圖2. SEM 所涉及的各種信號及對應產(chǎn)生區(qū)域

SE 圖像可以提供更豐富的表面信息——如圖3 所示。在許多顯微鏡中,，X 射線檢測也被廣泛用于進行樣品的元素分析,，這種射線產(chǎn)生于電子與樣品的相互作用,。每種元素產(chǎn)生的 X 射線都有特定的能量,，X 射線就相當于元素的指紋。因此,，通過檢測未知組分的某樣品出射的 X 射線的能量,，就可以確定該樣品所包含的各種不同元素。

圖3.飛納電鏡拍攝的 FeO2 顆粒的 BSE 圖像 (a) 和 SE 圖像 (b)

如何探測電子,？
上文所提到的兩種電子分別由不同種類的探測器探測,。探測 BSE 時，固態(tài)探測器位于樣品正上方,，并環(huán)繞電子束分布,，這樣可以收集到zui大量的 BSE。另一方面,，探測 SE 時,，主要是用 E-T 探測器。它有一個內(nèi)置于法拉第圓筒的閃爍體,，圓筒帶正電可以吸引 SE,。閃爍體用以加速電子，并把它們轉換為光子,。之后,，這些光子會進入光電倍增管,，并得到進一步放大。SE 探測器以一定傾角放置于電子腔室的側面,，這樣可以提高 SE 的探測效率,。這些 SE 可以用來生成樣品的 3D 圖像，并展示在電腦的顯示器上,。

掃描電鏡 SEM ：精細控制
如你所見,，在顯示器顯示出樣品圖像之前（如圖4），電子要經(jīng)歷各種不同的過程,。當然,，你沒必要等待電子結束它的旅程，整個過程幾乎時瞬間發(fā)生的,，時間長度為納秒(10-9 秒)量級,。然而，鏡筒內(nèi)電子的每一步都需要預先計算并控制,，以確保獲得高質(zhì)量的圖像,。電子顯微鏡的性能在不斷提高，而新的應用需求也在不斷出現(xiàn),。因此,，這種神奇設備的各種未知能力也有待進一步發(fā)掘。
 

圖4. 飛納電鏡拍攝的鎢顆粒的 BSE 圖像