1. 光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光為介質(zhì)，電子顯微鏡以電子束為介質(zhì),，由于電子束波長(zhǎng)遠(yuǎn)較可見(jiàn)光小,，故電子顯微鏡分辨率遠(yuǎn)比光學(xué)顯微鏡高。光學(xué)顯微鏡放大倍率zui高只有約1500倍,，掃描式顯微鏡可放大到10000倍以上。

　　2. 根據(jù)de Broglie波動(dòng)理論，電子的波長(zhǎng)僅與加速電壓有關(guān)：

　　λe=h / mv= h / （2qmV）1/2=12.2 / （V）1/2 （?）

　　在 10 KV 的加速電壓之下,，電子的波長(zhǎng)僅為0.12?，遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光的4000 - 7000?,，所以電子顯微鏡分辨率自然比光學(xué)顯微鏡*許多,，但是掃描式電子顯微鏡的電子束直徑大多在50-100?之間，電子與原子核的彈性散射 （Elastic Scattering） 與非彈性散射 （Inelastic Scattering） 的反應(yīng)體積又會(huì)比原有的電子束直徑增大,，因此一般穿透式電子顯微鏡的分辨率比掃描式電子顯微鏡高,。

　　3. 掃描式顯微鏡有一重要特色是具有超大的景深（depth of field），約為光學(xué)顯微鏡的300倍,，使得掃描式顯微鏡比光學(xué)顯微鏡更適合觀察表面起伏程度較大的樣品,。

　　4. 掃描式電子顯微鏡,，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)由上而下，由電子槍 （Electron Gun） 發(fā)射電子束,，經(jīng)過(guò)一組磁透鏡聚焦 （Condenser Lens） 聚焦后,，用遮蔽孔徑 （Condenser Aperture） 選擇電子束的尺寸（Beam Size）后，通過(guò)一組控制電子束的掃描線圈,，再透過(guò)物鏡 （Objective Lens） 聚焦,，打在樣品上，在樣品的上側(cè)裝有訊號(hào)接收器,，用以擇取二次電子 （Secondary Electron） 或背向散射電子 （Backscattered Electron） 成像,。

　　5. 電子槍的必要特性是亮度要高、電子能量散布 （Energy Spread） 要小,，目前常用的種類(lèi)計(jì)有三種,，鎢（W）燈絲、六硼化鑭（LaB6）燈絲,、場(chǎng)發(fā)射 （Field Emission）,，不同的燈絲在電子源大小、電流量,、電流穩(wěn)定度及電子源壽命等均有差異,。

　　6. 熱游離方式電子槍有鎢（W）燈絲及六硼化鑭（LaB6）燈絲兩種，它是利用高溫使電子具有足夠的能量去克服電子槍材料的功函數(shù)（work function）能障而逃離,。對(duì)發(fā)射電流密度有重大影響的變量是溫度和功函數(shù),，但因操作電子槍時(shí)均希望能以zui低的溫度來(lái)操作，以減少材料的揮發(fā),，所以在操作溫度不提高的狀況下,，就需采用低功函數(shù)的材料來(lái)提高發(fā)射電流密度。

　　7. 價(jià)錢(qián)*使用zui普遍的是鎢燈絲,，以熱游離 （Thermionization） 式來(lái)發(fā)射電子,，電子能量散布為 2 eV，鎢的功函數(shù)約為4.5eV,，鎢燈絲系一直徑約100μm,，彎曲成V形的細(xì)線，操作溫度約2700K,，電流密度為1.7/cm2,，在使用中燈絲的直徑隨著鎢絲的蒸發(fā)變小，使用壽命約為40~80小時(shí),。

　　8. 六硼化鑭（LaB6）燈絲的功函數(shù)為2.4eV,，較鎢絲為低，因此同樣的電流密度,，使用LaB6只要在1500K即可達(dá)到,，而且亮度更高,，因此使用壽命便比鎢絲高出許多，電子能量散布為 1 eV,，比鎢絲要好,。但因LaB6在加熱時(shí)活性很強(qiáng)，所以必須在較好的真空環(huán)境下操作,，因此儀器的購(gòu)置費(fèi)用較高,。

　　9. 場(chǎng)發(fā)射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出 10 - 100 倍，同時(shí)電子能量散布僅為 0.2 - 0.3 eV,，所以目前市售的高分辨率掃描式電子顯微鏡都采用場(chǎng)發(fā)射式電子槍?zhuān)浞直媛士筛哌_(dá) 1nm 以下,。

　　10. 場(chǎng)發(fā)射電子槍可細(xì)分成三種:冷場(chǎng)發(fā)射式（cold field emission , FE），熱場(chǎng)發(fā)射式（thermal field emission ,TF）,，及蕭基發(fā)射式（Schottky emission ,SE）

　　11. 當(dāng)在真空中的金屬表面受到108V/cm大小的電子加速電場(chǎng)時(shí),，會(huì)有可觀數(shù)量的電子發(fā)射出來(lái)，此過(guò)程叫做場(chǎng)發(fā)射,，其原理是高電場(chǎng)使電子的電位障礙產(chǎn)生 Schottky效應(yīng),，亦即使能障寬度變窄，高度變低,，因此電子可直接"穿隧"通過(guò)此狹窄能障并離開(kāi)陰極,。場(chǎng)發(fā)射電子系從很尖銳的陰極所發(fā)射出來(lái)，因此可得極細(xì)而又具高電流密度的電子束,，其亮度可達(dá)熱游離電子槍的數(shù)百倍,，或甚至千倍。

　　12. 場(chǎng)發(fā)射電子槍所選用的陰極材料必需是高強(qiáng)度材料,，以能承受高電場(chǎng)所加諸在陰極的高機(jī)械應(yīng)力,，鎢即因高強(qiáng)度而成為較佳的陰極材料。場(chǎng)發(fā)射槍通常以上下一組陽(yáng)極來(lái)產(chǎn)生吸取電子,、聚焦,、及加速電子等功能。利用陽(yáng)極的特殊外形所產(chǎn)生的靜電場(chǎng),，能對(duì)電子產(chǎn)生聚焦效果,，所以不再需要韋氏罩或柵極。*（上）陽(yáng)極主要是改變場(chǎng)發(fā)射的拔出電壓（extraction voltage）,，以控制針尖場(chǎng)發(fā)射的電流強(qiáng)度，而第二（下）陽(yáng)極主要是決定加速電壓,，以將電子加速至所需要的能量,。

　　13. 要從極細(xì)的鎢針尖場(chǎng)發(fā)射電子，金屬表面必需*干凈,，無(wú)任何外來(lái)材料的原子或分子在其表面,，即使只有一個(gè)外來(lái)原子落在表面亦會(huì)降低電子的場(chǎng)發(fā)射,，所以場(chǎng)發(fā)射電子槍必需保持超高真空度，來(lái)防止鎢陰極表面累積原子,。由于超高真空設(shè)備價(jià)格極為高昂,，所以一般除非需要高分辨率SEM，否則較少采用場(chǎng)發(fā)射電子槍,。

　　14. 冷場(chǎng)發(fā)射式zui大的優(yōu)點(diǎn)為電子束直徑zui小,，亮度zui高，因此影像分辨率*,。能量散布zui小,，故能改善在低電壓操作的效果。為避免針尖被外來(lái)氣體吸附,，而降低場(chǎng)發(fā)射電流,，并使發(fā)射電流不穩(wěn)定，冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍必需在10-10 torr的真空度下操作,，雖然如此,，還是需要定時(shí)短暫加熱針尖至2500K（此過(guò)程叫做flashing），以去除所吸附的氣體原子,。它的另一缺點(diǎn)是發(fā)射的總電流zui小,。

　　15. 熱場(chǎng)發(fā)式電子槍是在1800K溫度下操作，避免了大部份的氣體分子吸附在針尖表面,，所以免除了針尖flashing的需要,。熱式能維持較佳的發(fā)射電流穩(wěn)定度，并能在較差的真空度下（10-9 torr）操作,。雖然亮度與冷式相類(lèi)似,，但其電子能量散布卻比冷式大3~5倍，影像分辨率較差,，通常較不常使用,。

　　16. 蕭基發(fā)射式的操作溫度為1800K，它系在鎢（100）單晶上鍍ZrO覆蓋層,，ZrO將功函數(shù)從純鎢的4.5eV降至2.8eV,，而外加高電場(chǎng)更使電位障壁變窄變低，使得電子很容易以熱能的方式跳過(guò)能障（并非穿隧效應(yīng)）,，逃出針尖表面,，所需真空度約10-8~10-9torr。其發(fā)射電流穩(wěn)定度佳,，而且發(fā)射的總電流也大,。而其電子能量散布很小，僅稍遜于冷場(chǎng)發(fā)射式電子槍,。其電子源直徑比冷式大,，所以影像分辨率也比冷場(chǎng)發(fā)射式稍差一點(diǎn),。

　　17. 場(chǎng)發(fā)射放大倍率由25倍到650000倍，在使用加速電壓15kV時(shí),，分辨率可達(dá)到1nm,，加速電壓1kV時(shí)，分辨率可達(dá)到2.2nm,。一般鎢絲型的掃描式電子顯微鏡儀器上的放大倍率可到200000倍,，實(shí)際操作時(shí)，大部份均在20000倍時(shí)影像便不清楚了,，但如果樣品的表面形貌及導(dǎo)電度合適,，zui大倍率 650000倍是可以達(dá)成的。

　　18. 由于對(duì)真空的要求較高,，有些儀器在電子槍及磁透鏡部份配備了3組離子泵（ion pump）,，在樣品室中，配置了2組擴(kuò)散泵（diffusion pump）,，在機(jī)體外,，以1組機(jī)械泵負(fù)責(zé)粗抽，所以有6組大小不同的真空泵來(lái)達(dá)成超高真空的要求,，另外在樣品另有以液態(tài)氮冷卻的冷阱（cold trap）,，協(xié)助保持樣品室的真空度。

　　19. 平時(shí)操作,，若要將樣品室真空亦保持在10-8pa（10-10torr）,，則抽真空的時(shí)間將變長(zhǎng)而降低儀器的便利性，更增加儀器購(gòu)置成本,，因此一些儀器設(shè)計(jì)了階段式真空（step vacuum）,，亦即使電子槍、磁透鏡及樣品室的真空度依序降低,，并分成三個(gè)部份來(lái)讀取真空計(jì)讀數(shù),，如此可將樣品保持在真空度10-5pa的環(huán)境下即可操作。平時(shí)待機(jī)或更換樣品時(shí),，為防止電子槍污染,，皆使用真空閥（gun valve）將電子槍及磁透鏡部份與樣品室隔離，實(shí)際觀察時(shí)再打開(kāi)使電子束通過(guò)而打擊到樣品,。

　　20. 場(chǎng)發(fā)射式電子槍的電子產(chǎn)生率與真空度有密切的關(guān)系,，其使用壽命也隨真空度變差而急劇縮短，因此在樣品制備上必須非常注意水氣,，或固定用的碳膠或銀膠是否烤干,，以免在觀察的過(guò)程中，真空陡然變差而影響燈絲壽命，甚至系統(tǒng)當(dāng)機(jī),。

　　21. 在電子顯微鏡中須考慮到的像差（aberration）包括:衍射像差（diffraction aberration）、球面像差（spherical aberration）,、散光像差（astigmatism）及波長(zhǎng)散布像差（即色散像差,，chromatic aberration）。

　　22. 面像差為物鏡中主要缺陷,，不易校正,，因偏離透鏡光軸之電子束偏折較大，其成像點(diǎn)較沿軸電子束成像之高斯成像平面（Gauss image plane）距透鏡為近,。

　　23. 散光像差由透鏡磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)而來(lái),，使電子束在二互相垂直平面之聚焦落在不同點(diǎn)上。散光像差一般用散光像差補(bǔ)償器（stigmator）產(chǎn)生與散光像差大小相同,、方向相反的像差校正,，目前電子顯微鏡其聚光鏡及物鏡各有一組散光像差補(bǔ)償器。

　　24. 光圈衍射像差（Aperture diffraction）:由于電子束通過(guò)小光圈電子束產(chǎn)生衍射現(xiàn)象,，使用大光圈可以改善,。

　　25. 色散像差（Chromatic aberration）:因通過(guò)透鏡電子束能量差異，使得電子束聚焦后并不在同一點(diǎn)上,。

　　26. 電子束和樣品作用體積（interaction volume）,，作用體積約有數(shù)個(gè)微米（μm）深，其深度大過(guò)寬度而形狀類(lèi)似梨子,。此形狀乃源于彈性和非彈性碰撞的結(jié)果,。低原子量的材料，非彈性碰撞較可能,，電子較易穿進(jìn)材料內(nèi)部,，較少向邊側(cè)碰撞，而形成梨子的頸部,，當(dāng)穿透的電子喪失能量變成較低能量時(shí),，彈性碰撞較可能，結(jié)果電子行進(jìn)方向偏向側(cè)邊而形成較大的梨形區(qū)域,。

　　27. 在固定電子能量時(shí),，作用體積和原子序成反比，乃因彈性碰撞之截面積和原子序成正比,，以致電子較易偏離原來(lái)途徑而不能深入樣品,。

　　28. 電子束能量越大，彈性碰撞截面積越小,，電子行走路徑傾向直線而可深入樣品,，作用體積變大。

　　29. 電子束和樣品的作用有兩類(lèi)，一為彈性碰撞,，幾乎沒(méi)有損失能量,，另一為非彈性碰撞，入射電子束會(huì)將部份能量傳給樣品,，而產(chǎn)生二次電子,、背向散射電子、俄歇電子,、X光,、長(zhǎng)波電磁放射、電子-空位對(duì)等,。這些信號(hào)可供SEM運(yùn)用者有二次電子,、背向散射電子、X光,、陰極發(fā)光,、吸收電子及電子束引起電流（EBIC） 等。

　　30. 二次電子（Secondary Electrons）：電子束和樣品作用,，可將傳導(dǎo)能帶（conduction band）的電子擊出,，此即為二次電子，其能量約 < 50eV,。由于是低能量電子,，所以只有在距離樣品表面約50~500?深度范圍內(nèi)所產(chǎn)生之二次電子，才有機(jī)會(huì)逃離樣品表面而被偵測(cè)到,。由于二次電子產(chǎn)生的數(shù)量,，會(huì)受到樣品表面起伏狀況影響，所以二次電子影像可以觀察出樣品表面之形貌特征,。

　　31. 背向散射電子（Backscattered Electrons）：入射電子與樣品子發(fā)生彈性碰撞,，而逃離樣品表面的高能量電子，其動(dòng)能等于或略小于入射電子的能量,。背向散射電子產(chǎn)生的數(shù)量,，會(huì)因樣品元素種類(lèi)不同而有差異，樣品中平均原子序越高的區(qū)域,，釋放出來(lái)的背向散射電子越多,，背向散射電子影像也就越亮，因此背向散射電子影像有時(shí)又稱(chēng)為原子序?qū)Ρ扔跋?。由于背向散射電子產(chǎn)生于距樣品表面約5000?的深度范圍內(nèi),，由于入射電子進(jìn)入樣品內(nèi)部較深，電子束已被散射開(kāi)來(lái),，因此背向散射電子影像分辨率不及二次電子影像,。

　　32. X光：入射電子和樣品進(jìn)行非彈性碰撞可產(chǎn)生連續(xù)X光和特征X光，前者系入射電子減速所放出的連續(xù)光譜，形成背景決定zui少分析之量,，后者系特定能階間之能量差,，可藉以分析成分元素。

　　33. 電子束引致電流（Electron-beam induced Current , EBIC）：當(dāng)一個(gè)p-n接面（Junction）經(jīng)電子束照射后,，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的電子-空位對(duì),，這些載子擴(kuò)散時(shí)被p-n接面的電場(chǎng)收集，外加線路時(shí)即會(huì)產(chǎn)生電流,。

　　34. 陰極發(fā)光（Cathodoluminescence）：當(dāng)電子束產(chǎn)生之電子-空位對(duì)再結(jié)合時(shí)，會(huì)放出各種波長(zhǎng)電磁波,，此為陰極發(fā)光（CL）,，不同材料發(fā)出不同顏色之光。

　　35. 樣品電流（Specimen Current）：電子束射到樣品上時(shí),，一部份產(chǎn)生二次電子及背向散射電子,，另一部份則留在樣品里，當(dāng)樣品接地時(shí)即產(chǎn)生樣品電流,。

　　36. 電子偵測(cè)器有兩種,，一種是閃爍計(jì)數(shù)器偵測(cè)器（Scintillator），常用于偵測(cè)能量較低的二次電子,，另一種是固態(tài)偵測(cè)器（solid state detector）,，則用于偵測(cè)能量較高的反射電子。

　　37. 影響電子顯微鏡影像品質(zhì)的因素:

　　A. 電子槍的種類(lèi):使用場(chǎng)發(fā)射,、LaB6或鎢絲的電子槍,。

　　B. 電磁透鏡的度。

　　C. 電磁透鏡的型式: In-lens ,semi in-lens, off-lens

　　.D. 樣品室的潔凈度: 避免粉塵,、水氣,、油氣等污染。

　　.E. 操作條件: 加速電壓,、工作電流,、儀器調(diào)整、樣品處理,、真空度,。

　　F. 環(huán)境因素: 振動(dòng)、磁場(chǎng),、噪音,、接地。

　　38. 如何做好SEM的影像,，一般由樣品的種類(lèi)和所要的結(jié)果來(lái)決定觀察條件,，調(diào)整適當(dāng)?shù)募铀匐妷骸⒐ぷ骶嚯x （WD）、適當(dāng)?shù)臉悠穬A斜,，選擇適當(dāng)?shù)膫蓽y(cè)器,、調(diào)整合適的電子束電流。

　　39. 一般來(lái)說(shuō),，加速電壓提高,，電子束波長(zhǎng)越短，理論上,，只考慮電子束直徑的大小,，加速電壓愈大，可得到愈小的聚焦電子束,，因而提高分辨率,，然而提高加速電壓卻有一些不可忽視的缺點(diǎn)：

　　A. 無(wú)法看到樣品表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

　　B. 會(huì)出現(xiàn)不尋常的邊緣效應(yīng),。

　　C. 電荷累積的可能性增高,。

　　D. 樣品損傷的可能性增高。

　　因此適當(dāng)?shù)募铀匐妷赫{(diào)整,，才可獲得zui清晰的影像,。

　　40. 適當(dāng)?shù)墓ぷ骶嚯x的選擇，可以得到的影像,。較短的工作距離,，電子訊號(hào)接收較佳，可以得到較高的分辨率,，但是景深縮短,。較長(zhǎng)的工作距離，分辨率較差,，但是影像景深較長(zhǎng),，表面起伏較大的樣品可得到較均勻清晰的影像。

　　41. SEM樣品若為金屬或?qū)щ娦粤己?，則表面不需任何處理,，可直接觀察。若為非導(dǎo)體,，則需鍍上一層金屬膜或碳膜協(xié)助樣品導(dǎo)電,，膜層應(yīng)均勻無(wú)明顯特征，以避免干擾樣品表面,。金屬膜較碳膜容易鍍,，適用于SEM影像觀察，通常為Au或Au-Pd合金或Pt,。而碳膜較適于X光微區(qū)分析,，主要是因?yàn)樘嫉脑有虻?，可以減少X光吸收。

　　42. SEM樣品制備一般原則為:

　　A. 顯露出所欲分析的位置,。

　　B. 表面導(dǎo)電性良好,，需能排除電荷。

　　.C. 不得有松動(dòng)的粉末或碎屑（以避免抽真空時(shí)粉末飛揚(yáng)污染鏡柱體）,。

　　.D. 需耐熱,，不得有熔融蒸發(fā)的現(xiàn)象。

　　.E. 不能含液狀或膠狀物質(zhì),，以免揮發(fā),。

　　.F. 非導(dǎo)體表面需鍍金（影像觀察）或鍍碳（成份分析）。

　　43. 鍍導(dǎo)電膜的選擇,，在放大倍率低于1000倍時(shí),，可以鍍一層較厚的Au，以提高導(dǎo)電度,。放大倍率低于10000倍時(shí)，可以鍍一層Au來(lái)增加導(dǎo)電度,。放大倍率低于100000倍時(shí),，可以鍍一層Pt或Au-Pd合金，在超過(guò)100000時(shí),，以鍍一層超薄的Pt或Cr膜較佳,。

　　44. 電子束與樣品作用，當(dāng)內(nèi)層電子被擊出后,，外層電子掉入原子內(nèi)層電子軌道而放出X光,，不同原子序，不同能階電子所產(chǎn)生的X光各不相同,，稱(chēng)為特征X光,，分析特征X光，可分析樣品元素成份,。

　　45. 分析特征X光的方式,，可分析特征X光的能量分布，稱(chēng)為EDS,，或分析特征X光的波長(zhǎng),，稱(chēng)為WDS。X光能譜的分辨率,，在EDS中約有100~200eV的分辨率,，在WDS中則有5~10eV的分辨率。由于EDS的分辨率較WDS差,，因此在能譜的解析上,，較易產(chǎn)生重迭的情形,。

　　46. 由于電子束與樣品作用的作用體積（interaction volume）的關(guān)系，特征X光的產(chǎn)生和作用體積的大小有關(guān),，因此在平面的樣品中,，EDS或WDS的空間分辨率，受限于作用體積的大小,。