扫描电子显微镜
扫描电子显微镜（Scanning 电子 显微镜，SEM）是用电子探针对样品表面扫描使其成像的电子显微镜。SEM的成像原理和光学显微镜、透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样表面，通过电子与试样表面相互作用产生的二次电子、背散射电子等加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。
扫描电子显微镜一般包括电子枪、电磁透镜、扫描系统、信号采集和处理装置。其主要作用是用于观察物质表面形貌，不仅可用于生命科学、材料科学、化学、物理学、电子学、地质学、食品科学等领域的研究；而且还广泛应用于半导体工业、陶瓷工业、化学工业等生产部门。
目前，使用最广的常规钨丝阴极扫描电子显微镜其分辨率最大可达3~5nm，加速电压为0.2~30kV。
发展简史
1924年，法国科学家DeBroglie证明任何粒子在高速运动时都会发射一定波长的电磁辐射，期辐射波长与粒子质量和运动速度成反比。这种随加速电压改变的电子波长叫德布罗利波，1926年德国科学家Garbor和Busch发现铁壳封闭的铜线圈对电子流能折射聚焦，这可以作为电子束透镜。这两项重要发现为电子显微镜的研制提供了理论基础。
1932年德国科学家Ruska和Knoll制造出第一台投射电子显微镜（TEM），分辨率很低，但证实了上述理论的试用价值。
1933年研制出分辨率50nm，放大倍数1.2万倍的电子显微镜；1938年研制出分辨率10nm，放大倍数20万倍的电镜。
1938年，德国冯▪阿登纳制成第一台采用缩小透镜用于透射样品的SEM，但不能获得高分辨率样品表面电子像。
1941年，日本研制出分辨率为3nm的TEM；1944年荷兰飞利浦公司研制第一台电镜；1946年，美国开始生产电镜；1952年，英国工程师Charles0atley制造出了第一台扫描电子显微镜(SEM)。1958年中国科学院光学精密机械研究所生产了第一台中型电镜，1977年生产出分辨率为0.3nm，方法倍率为80万倍的TEM。
1965年英国剑桥仪器公司生产出第一台商用SEM，采用二次电子成像，分辨率达25nm，SEM进入实用阶段；1968年美国Knoll研制成场发射电子枪并应用于SEM，可获得较高分辨率的电子像；1975年中国科学院北京科学仪器厂研制出分辨率为10nm的DX-3型SEM。
基本结构
扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像。其基本结构包括电子枪、电磁透镜、扫描系统、信号采集和处理装置等。
电子枪
电子枪作用是产生连续不断的稳定的电子流，是扫描电子显微镜的重要组成部分。由阴极（灯丝）、栅极和阳极组成，一般称为三级电子枪。根据阴极所用材料的不同分为热钨极电子枪、硼化镧电子枪和场发射电子枪。
热钨极电子枪阴极为能加热的钨丝，栅极围在阴极周围，被加热的钨丝放出电子并在阳极和阴极之间施加高压形成加速电场，从而使电子获得能量。一般实际加速电压可以用到10~30kV。灯丝发出的电子束经栅极负电位调整控制其发散，形成稳定的电子束流，射向阳极。电子束在阳极附近会形成一个小的交叉点，交叉点直径由电子枪设计决定，大约为10~100μm。阴极是直径为0.12mm的钨丝制成，大多数成V形。
硼化镧电子枪与常规钨丝电子枪相似，由阴极、阳极、栅极组成，不同之处在于将钨丝阴极换成六硼化阴极。六硼化镧（LaB6）阴极结构形式有：场发射六硼化镧阴极、直热型六硼化镧阴极、改进型直热式六硼化镧阴极等。常见的是直热型六硼化镧阴极。六硼化镧阴极电子枪优点是亮度高、寿命长，其亮度比热钨丝阴极电子枪高一个数量级，但它需要相当复杂的附属设备，价格较贵，因此应用不多。
场发射电子枪主要靠加在阴极表面的电场发射电子，由一个阴极两个阳极组成。阴极为晶体钨，顶端被磨成曲率半径为1000Å的尖，加几千伏的电压到阴极和第一阳极，一般1~3kV，第一阳极从阴极尖端抽取电子，经第二阳极加速后电子汇聚成电子束。场发射电子枪优点是亮度高、分辨率高、寿命长、能实现快速扫描观察和记录。场发射电子枪造价非常昂贵，只有在要求束斑直径小于0.2μm时才比钨丝电子枪优越，场发射电子枪一般应用在一些特殊用途。
电磁透镜
电磁透镜是由励磁线圈和包着它的框架以及极靴构成。框架和极靴都是由磁性材料制成，能够传导磁力线，极靴和框架为轴对称形式，轴向有间隙，磁力线通过这一间隙向中心部分漏去，磁力线形成的磁场对于穿过它的电子具有透镜的作用。当电子射线在磁场作用下会改变前进方向，当电子射线通过空心强力电磁圈时，会像光线通过玻璃透镜一样发生折射而聚焦，电子枪发射的电子束直径一般为30~50微米，要求的电子束直径为1~5nm的电子探针，因此需要两到三个电磁透镜组成，电磁透镜有光阑可以挡掉一部分无用电子。
扫描系统
扫描系统是扫描电子显微镜的一个独特结构，它可以使电子束作光栅扫描运用，其结构是二组小的电磁电感线圈。这两组电磁线圈通以随时间线性改变强度的锯齿波电流，使得电子束由点到线、由线到面逐次扫描样品。通常这两组线圈装在物镜间隙内，使电子束在进入物镜强场区前发生偏转。
信号采集和处理装置
信号采集和处理装置由探测器、显像单元和照相系统组成。单射电子束打到样品上产生一系列信号如二次电子、背散射电子、吸收电子、阴极光、透射电子、特征X射线等，探测器用来接收这些信号，经信号放大等光电效应后显示在荧光屏上，最后通过照相机记录下来。
真空系统
在电子显微镜中，压强需要减小到大多数电子在运动过程中不会与气体分子相碰撞的程度。真空度须在10-4~10-6Torr之间，场发射电子枪需要维持超高真空10-10Torr。通常采用二级串联式真空系统，由油旋转机械泵预抽到10-2~10-3Torr以上，再由油扩散泵将真空进一步提高到10-6~10-8Torr左右。
工作原理
SEM是利用电子枪发射电子束经聚焦后在试样表面作光栅状扫描，通过检测电子与试样相互作用产生的信号对试样表面的成分、形貌及结构等进行观察和分析。入射电子与试样相互作用将激发出二次电子、背散射电子、吸收电子、俄歇电子、阴极荧光和特征X射线等各种信息。扫描电镜主要利用的是二次电子、背散射电子以及特征X射线等信号对样品表面的特征进行分析。扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程，扫描电镜的成像是按一定时间、空间顺序逐点形成并在镜体外显像管上显示。
二次电子
二次电子成象是使用扫描电镜所获得的各种图象中应用最广泛，分辨本领最高的一种图象。
二次电子成象是由电子枪发射的电子束最高可达30keV，经会聚透镜、物镜缩小和聚焦，在样品表面形成一个具有一定能量、强度、斑点直径的电子束，在扫描电感线圈的磁场作用下，入射电子束在样品表面上按照一定的空间和时间顺序做光栅式逐点扫描。由于入射电子与样品之间的相互作用，将从样品中激发出二次电子。将二次电子汇集起来再将加速射到闪烁体上转变成光信号，经过光导管到达光电倍增管，使光信号再转变成电信号。这个电信号又经放大器放大并将其输送至显像管的栅极，在荧光屏上呈现一幅亮暗程度不同的、反映样品表面形貌的二次电子象。
二次电子产生于距离样品表面5～10nm的位置，能够对样品表面进行高分辨率的表征，二次电子模式多用于观察表面形貌。
背散射电子
背散射电子(BSE)是电子束轰击样品过程中被样品反射回来的部分电子，包括被弹性背散射电子和非弹性背散射电子。扫描电镜中所指的背散射电子多指弹性背散射电子，其产生于距离样品表面几百纳米深度，分辨率低于二次电子图像分辨率。但背散射电子与样品原子序数有很大的关系，因此可以用来提供样品原子序数衬度信息。在SEM分析中通常将背散射电子与特征x射线产生的能谱相结合来做成分分析。
背散射电子与样品原子序数有很大关系，因此背散射模式常用于定性的成分分布分析和晶体学研究。
特征X射线
高能电子束轰击样品时将样品中原子的内层电子电离，原子处于较高激发态，外层高能量电子向内层跃迁从而释放能量，这部分辐射能量成为原子的特征X射线，这些特征X射线可以用来鉴别组成成分及样品中的元素。
特征X射线是样品中原子跃迁释放的辐射能量，能够反映样品的组成元素，因此特征x射线常用于成分分析和能谱探测。
主要性能
分辨率
分辨率是扫描电子显微镜的主要性能指标。所谓分辨率是指在特定的情况下拍摄的图像上测量两两区之间的暗间隙宽度，除以放大倍数，其最小值为分辨率。也就是人们以肉眼借助显微镜能区别开两个微体的最小距离。扫描电镜的仪器分辨率高，放大倍数从10 ~300000倍，可连续调节，由于景深大，分辨率较高，可以从十几倍到几十万倍连续放大，使宏观形貌与微观组织观察对应起来。
放大倍数
放大倍数是指电子束在荧光屏上最大扫描距离和镜筒中电子束在试样上最大扫描距离的比值。扫描电镜的图像放大倍率是所用显示荧屏中实际成像区域的边长与电子束在试样上偏转所扫过同方向距离的长度之比，它基本取决于显示器偏转电感线圈电流与电镜扫描线圈的电流之比。在实际工作中，通常维持显示器的图像偏转线圈电流不变，而通过调节改变电镜扫描线圈的电流就能方便地调节和改变电镜的放大倍率。扫描电镜的放大倍数的变化范围很宽，一般普及型电镜为20~100000倍；场发射电镜为20〜300000倍。放大倍率的调节通常是分挡或连续可调的。
景深
景深是指图像清晰度保持不变的情况下样品平面沿光轴方向前后可移动的距离。景深与放大倍数密切相关，放大倍数越大，景深越小。SEM的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深，由于景深大，扫描电子显微镜图像的立体感强，形态逼真，可以用SEM观察分析断口试样。
SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜大几百倍。电子束的景深取决于临界分辨本领d0和电子束入射半角ac。其中，临界分辨本领与放大倍数有关，因人眼的分辨本领约为0.2mm, 放大后，要使人感觉物像清晰，必须使电子束的分辨率高于临界分辨率d0 。电子束的入射角可通过改变光阑尺寸和工作距离来调整，用小尺寸的光阑和大的工作距离可获得小的入射电子角。
类型
根据电子枪种类可分为三种：场发射电子枪、钨丝枪和六硼化镧 。其中，场发射扫描电子显微镜根据光源性能可分为冷场发射扫描电子显微镜和热场发射扫描电子显微镜。
应用
扫描电子显微镜以其高的分辨率，良好的景深及简易的操作等优势在材料学、物理学、化学、生物学、考古学、地矿学、食品科学、微电子工业等领域有广泛的应用。它可以对组织进行形貌分析，断口分析，元素定性和定量分析以及晶体结构分析等。
生物学
SEM可以应用于植物学、动物界、医学、微生物学、考古生物学、考古学中。SEM应用于花器官、种子表皮、种子形态、叶片表皮、内含物、病原体以及在植物细胞水平等方面，用来观察植物组织或器官的表面及横切面的结构以及细胞的超微结构，SEM结合红外光谱仪、拉曼光谱仪等仪器设备可以更深层次的从微观层面研究植物的演变历史及生长发育规律等。
扫描电子显微镜在医学中已经从基础研究发展到疾病模型、培养细胞或组织鉴定，疾病诊断，药理学作用与效果的观察，疑难病症的电镜诊断等，成为医学形态学重要的科研工具与手段。
SEM可以直接观察组织细胞内部超微结构的立体图象，能够显示器官内微血管和其他管道系统在组织内的三维构筑，为医学生物学亚显微领域研究提供条件。
基础学科
材料学
SEM在材料学领域应用广泛，可用于材料的组织形貌观察、断口分析、镀层表面形貌和深度检测、微区化学成分分析、显微组织及超微尺寸材料研究等。
采用SEM可以进行各种形式的材料形貌观察、元素分析、晶体结构分析，三维形貌的观察和分析、纳米材料分析等。在观察形貌的同时，可同时进行微区的成分分析和能谱分析。
物理学
SEM可用于观测液晶显示器导电粉粒径分布、导电粉在导电点中的浓度和分析导电点缺陷，观察薄膜传感器压阻灵敏度，分析材料晶体结构和表观形貌对尖晶石颗粒导电性的影响，观察镀膜形貌和厚度对提高导电塑料表面硬度和强化表面导电行为的影响等。
工业应用
SEM可用于半导体微观形貌检测和成分分析，用于确定切割、研磨、抛光及各种化学试剂处理对半导体器件的性能和稳定性的影响；分析不同元素、化合物添加量对陶瓷烧结体性能、晶相组成及晶粒形貌的影响，用于改进陶瓷生产工艺；对化工产品的微观形态观察，结合其性质变化，对工艺条件选择、控制、改进、优化以及产品品质鉴定等。
特点
优点
SEM是一种高分辨率的电镜，可以直接观察样品表面，图像富有立体感，真实感。而且它除了能显示一般试样表面的形貌外，还能将试样微区范围内的化学元素与光、电、磁等性质的差异以二维图像形式显示出来，并可用照相方式拍摄图像。另外，扫描电镜分辨本领高，观察试样的景深大，可直接观察试样表面起伏较大的粗糙结构。
缺点
SEM分辨率不及TEM（透射电镜）和AFM（原子力显微镜），不能观察到物质的分子和原子像；试样需置于真空环境下观察，限制了样品的类型；只能观察样品表面形貌，表面以下结构不能探测；没有高度方向信息，只有二维平面图像；不能观察液体样品。
参考资料
术语在线—权威的术语知识服务平台.术语在线.2023-05-15
sem扫描电镜的原理——非常详细的介绍!.搜狐网.2023-05-15
扫描电镜的放大倍数和电子束斑讲解.广东省科技资源共享平台.2023-05-17