图1 光镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）所用波长大小的电磁波谱

因此，SEM和TEM采用电子束来探测材料，从而获得比光学显微镜分辨率更高的图像。例如，加速电压为100 kV 的电子束（λ =0.000004 μm）可以达到0.24 nm 的分辨率。分辨率的实际极限取决于透镜的像差和缺陷。现代FE-SEM通常在 20-30 kV加速电压下工作，可达到＜1 nm的图像分辨率1。

备注1：现代SEM仪器的分辨率是由制造商使用适合该仪器的试样来证明的。例如，由于锡球/金标样具有导电性和强烈的对比度（见图2），因此SEM通常使用锡球/金标样。然而，实际样品中的细节通常无法达到这种分辨率。

图2 锡球的二次电子图像，从低倍到高倍（放大倍率100,000 到 1,000,000 ）都显示出良好的对比度。

3 SEM的图像形成

SEM由三个主要部分组成：电子光学柱、样品室和计算机/电子控制器，如图3所示。电子柱的最顶端是一个电子枪，用于产生电子束。位于柱内的电磁透镜将电子束聚焦到一个小直径（几纳米）的探针上。柱内的扫描线圈将探针在位于样品室内的样品表面进行光栅扫描。电子枪、电子光学柱和样品室都处于真空状态，以便产生和推进电子束。

图3 FEI Quanta 3D 场发射扫描电镜及SEM构造示意图

电子束中的电子进入样品表面然后穿透约几微米的深度（具体的穿透深度取决于加速电压的大小），与样品的原子相互作用后产生各种信号，如二次电子SE和背向散射电子BSE以及特征X射线，这些信号被收集和处理，就可以获得样品表面的图像和化学成分。SEM所获得图像的最终横向分辨率与电子探针的直径相对应。电磁透镜和电子枪设计的进步使探针直径变得非常细，从而使图像分辨率＜1nm。表1和图4比较了光学显微镜和TEM与SEM的工作原理，以便从另一个角度了解SEM成像的原理。

图4 光学显微镜、TEM和SEM图像形成模式对比示意图

表1 光镜、SEM和TEM技术特点对比

图像形成原理

光源发出的光被样品表面散射，经物镜引导后在人眼的视网膜上形成图像。图像还可以显示在电子显示屏上

电子源发出的电子在真空中穿过装有电磁透镜的柱子，这些透镜将电子聚焦到试样表面的小型探针上。

电子源发出的电子在真空柱内移动。电子穿过薄薄的样品膜，然后通过电磁透镜聚焦和放大，在荧光屏上形成动画，或传输到电子显示屏上。

图片类型

真实图像。彩色图像。利用可见光形成的图像，人眼可以直接观察到

经过处理/重组的图像。灰度图像（黑白）。利用电子形成的图像无法被人类直接观察到。

真实图像被投射到屏幕上，人眼可以观察到。灰度图像

4 使用SEM可以获得什么信息

SEM用于观察和成像各种材料的显微结构和纳米结构表面细节，如金属、合金、陶瓷、聚合物、岩石矿物、腐蚀沉积物、生物样品等。这些材料可以是固体或粉末状的导电或不导电材料，可以在加工制备（切片、研磨、抛光、蚀刻、涂层等）状态下进行检查。

SEM能够检查干燥或潮湿状态下的材料，并从精细结构细节中获取化学信息。FE-SEM可以分辨出相距仅1nm的表面特征（即横向空间分辨率为1nm）。超强的大景深能力可使样品的大面积区域在同一时间保持聚焦，从而在SEM图像中产生三维特征（见图5）。此外，可同时使用二次电子SE（用于形貌对比）和背散射电子BSE（用于形貌和/或成分对比）成像1。

备注1：从某种意义上说，可以简单的把SE理解为形貌像，尽管如此，也不是绝对的。但不能简单的把BSE理解为成分像，有两个原因，第一，BSE也能反应形貌特征，也是很通用的技术，比如4-6分割的外环半导体BSE探测器，或者低加速电压下的BSE信号，因为相互作用区浅，也能反应形貌细节。第二，BSE反应的是不同的相之间的成分对比度，而不是元素的对比度，比如氧化铝和氧化锆之间有差异，而不是指氧和铝，或氧和锆之间的元素对比度差异。另外需要注意的是，闪烁体探测器可以同时接收SE和BSE，也就是存在一定的混合信号。详细的内容，会在另外的专题介绍。

图5 与光镜比，SEM具备非常大的景深

样品的元素化学信息通常是通过SEM附件——X射线能量色散谱仪（EDS，简单的说话就是能谱仪) 来探测获取，可获得从铍到铀的定性和定量元素信息，检测限约为0.2-0.5wt%。SEM的电子束可穿透样品几μm，具体取决于样品密度、电子束加速电压等。典型应用包括观察金相制备的样品（如钢），以研究表面形态、晶粒尺寸/形状、夹杂物、沉淀物、树枝状物、晶界等。它还可用于观察未加工制备状态下的材料，例如用于冶金失效分析的断裂表面、用于电子失效分析的电子设备、腐蚀沉积物、催化剂形状、尺寸和表面结构、聚合物添加剂、岩石矿物样品等。除块状样品外，它还用于检测沉积在基底上的涂层和薄膜。

表2重点介绍了SEM和相关技术的各种应用和可获得的信息范围。

表2 SEM和相关技术的各种应用和可获得的信息范围

SEM获得的信息及相关技术

1 形态特征（晶粒形状、沉淀大小、尺寸、质地和体积分数，以及物理特征的相分布）SE成像

2 表面形貌（表面特征的分布/排列、缺陷、裂缝、空隙、结构）SE成像

3 原子序数或成分对比、晶界、磁性材料中的磁畴，BSE 成像

3 显微分析、表面结构分析、元素鉴定和定量、线扫描、X射线分布图， EDS或EBSD

4 岩石矿物、有机物样品中的孔隙大小/形状/分布，低温成像

5 对聚合物、岩石等非导电带电样品进行成像,或在水化、热循环环境下进行原位实验 ESEM

6 在电子工业中印刷电路板， 使用电子束光刻技术EBL。

应用

材料鉴定、材料科学、法医学、冶金和电子材料失效分析、腐蚀科学、岩石矿物学、地质科学、纳米设备、聚合物科学、催化、半导体设计、海水淡化、生命科学、石油和天然气、采矿

样品类型

金属、合金、半导体、聚合物、涂层、陶瓷、岩石、沙子、腐蚀产品、催化剂、膜、纳米碳管、纳米粉体、组织、细胞、昆虫、树叶

工业应用

学术和研究、石油和天然气、发电、金属和合金、工业制造、汽车、航空、航天、石化、地球科学、纳米技术、半导体、计算机、化学加工业、采矿

样品形态

形态：固体、块状、薄片、纳米结构、粉末、颗粒

状态：干、湿样品

尺寸：1 毫米至 150 毫米（通常为 10-20 毫米）

分辨率

1nm

分析深度

1-5um，取决于加速电压和样品密度

元素的探测限

0.2 wt%（取决于相对元素含量和原子质量）

在材料科学和生命科学领域，SEM具有分辨率高、景深大、成分信息多、分析时间短、使用和图像解读相对简单等优点，因此成为学术界、研究领域和工业界使用最广泛的仪器之一。

尽管SEM能为各种材料生成丰富的形态和成分数据，但通常还需要使用其他各种分析工具来完成材料表征。这些工具的选择取决于所研究材料的类型和所需信息的性质。例如，如果目标是揭示材料的真实微观结构（而非表面形貌），则需要使用TEM，TEM还可以从纳米尺度的特征中提取化学信息。同样，如果需要了解块状成分，X射线荧光（XRF）是更好的选择，因为它可以分析大体积的材料。宏观层面的相鉴定通常使用X射线粉末衍射（XRD）分析。

此外，利用Auger和X射线光电子能谱，可以分析由几个原子单层构成的薄表面的结构和成分。所有这些技术都是科学家进行材料表征的重要工具，从其中一种技术获得的信息可以补充其他技术的信息。

5 SEM的优势和局限

SEM的优势包括：1.可检查多种类型的试样。2.相对简单快捷的试样制备。3.方便用户使用的自动化设备。4.快速成像、快速结果、高效分析和快速周转时间。5.相对简单的图像解读。6.大景深（能够一次聚焦大深度试样并生成类似三维的图像）。7.从Be到U的化学分析能力。8样品可以是干的或湿的。9非破坏性，有机类样品可能存在一定的电子束损伤 10. 可实现高空间分辨率（＜1 nm）。11. 一个多功能平台，可支持其他复杂的设备和技术，比如Ramn,SIMS，FIB等。 12.能够同时进行多种模式的成像（不同的电子探测器）、元素分布图以及EBSD衍射分析。13. 与更昂贵的设备相比，价格低廉，易于获得。

图6 SEM的成像特点

SEM的限制包括：1 样品尺寸大小受到一定的限制，比如整块电路板放进去 2. 样品要为固体，液体不太容易观察，需要特殊的样品装置。 3. EDS 检测器无法检测H、He或Li元素。4.与湿式化学分析方法相比，EDS可探测的元素极限较低；5.样品需要在真空条件下进行检测，不能检查活体样品；6.仪器通常需要25m2的房间来安装，占地相对较大；7.非导电样品需要涂层（可以不镀金在低加速电压成像，但如果需要EDS分析，还是建议镀导电涂层），针对不同的用途，需要配置不同类型的镀膜仪。

6 SEM发展简史

20世纪初，光镜在分辨细胞的精细细节方面存在局限性，这为开发电子显微镜（EM）提供了条件。第一台EM是德国科学家Max-Knoll和电气工程师Ernst Ruska于1931年在德国开发的透射电子显微镜（TEM）。它采用的工作模式与光学显微镜类似，只不过是让电子束而不是可见光穿过样品的身体，在荧光屏上形成图像。当时，使用电子作为成像介质可获得10 nm的分辨率，而光镜的分辨率是200nm。当时达到的分辨率在今天看来可能并不高，但真正的突破是有史以来第一次成功地利用电子来创建物质图像。在接下来的几十年里，加速电压、透镜技术、真空系统、电子枪、电源和显微镜的整体设计都得到了改进，最终实现了原子成像（即原子分辨率）。由于Ernst Ruska "在电子光学和设计第一台电子显微镜方面所做的基础性工作"，于1986年获得了诺贝尔物理学奖。

德国物理学家Max Knoll于1935年提出了SEM的概念1。他提出用聚焦电子束扫描样品表面可以产生图像。另一位德国物理学家Manfred von Ardenne解释了这一技术的原理，并对电子束与样品之间的相互作用进行了深入研究。后来，美国科学家Zworykin, Hillier,和Snijder于1942年制造出分辨率为50nm的SEM2。Oatley教授和他的研究生D. McMullan于1952年在剑桥大学制造出了分辨率为50 nm的SEM3。1960 年，Everhart和 Thornley开发出基于闪烁体的二次电子探测器4。1965年，剑桥科学仪器公司（CambridgeScientific Instruments）进一步改进了该技术，开发出第一台商用SEM"Stereoscan"5。

1 Knoll M (1935) Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper. Z TechPhys 16:467–475

2 Zworykin VK, Hiller J, Snyder RL (1942) A scanning electron microscope. ASTM Bull 117:15–23

3 McMullan D (1952) Ph.D. Dissertation, University of Cambridge, Cambridge, UK

4 Everhart TE, Thornley RFM (1960) Wide-band detector for micro-microampere low-energy electron currents. J Sci Instr 37(7):246–248

5 Pease RFW, Nixon WC (1965) High resolution scanning electron microscopy. J Sci Instr 42:31–35

图7 1937 年，Manfred von Ardenne制造出第一台扫描电镜（STEM形式）；以及1965年第一台商业化的扫描电镜

20 世纪60年代制造的SEM分辨率约为15-20nm。20 世纪70年代和80年代，分辨率分别提高到7nm和5nm（1 kV 时）。随后几十年，分辨率提高到3nm，然后又提高到1nm（1kV时）。目前，制造商宣称SEM的分辨率可达到0.5nm。尽管SEM是在TEM之后才发展起来的，但前者因其使用方便、样品制备简单以及能够生成类似于样品形貌的三维图像而迅速普及。

一些学者详细记录了扫描电镜的发展历史6-10。以下按时间顺序列出了SEM技术和仪器发展的主要事件：

1935年 扫描透射电子显微镜的概念 M. Knoll (1935)

1938年 扫描透射电子显微镜（STEM）的概念和开发 M. von Ardenne

1942年 研制出分辨率为50nm的扫描电子显微镜 Zworykin et al.

1952年 开发出分辨率为50nm的扫描电镜D. McMullan 和 C. Oatley 教授

1956年 信号处理、双偏转扫描线圈、改善图像质量K. C. A. Smith

1960年 二次电子闪烁体探测器、光电倍增管（提高了信噪比） Everhart 和 Thornley

1957年 观察电压对比度 Oatley 和 Everhart

1960年 立体三维 SEM 图像 O. C. Wells

1963年 研制出配有三个磁透镜和 Everhart-Thornley(ET) 探测器的 "SEM V "扫描电镜R. F. W. Pease

1963-1965年 开发出第一台商用扫描电镜 "立体扫描仪" R. F. W Pease and Nixon

1970年代 利用与SEM相结合的能量色散X射线谱仪 (EDS) 进行微化学分析 1970年代 六硼化镧 (LaB6) 阴极枪

1970年代 场发射电子枪

1970年代 电子背散射衍射EBSD的早期概念（晶体结构和晶粒取向）

1970年代 扫描电镜中的阴极发光CL

1973年 用于在高温下检查样品的热台

1970-80年代 可容纳最大23厘米样品的大型试样平台

1980年代 自动聚焦和自动定焦功能

1980年代 掺钇硅酸盐闪烁体作为背散射电子探测器

1980年代 低温（冷冻）台

1990年代 可变压力扫描电镜/环境扫描电镜（避免样品充电）

1990年代 计算机提高了自动化和分析水平

2000年至今 用于研究纳米材料的高分辨率显微镜

6. Oatley CW (1972) The scanning Electron microscope. Cambridge University Press, Cambridge

7. Thomas G (1999) The impact of electron microscopy on materials research. In: Rickerby D,Valdre G, Valdre U (eds) Proceedings of the NATO advanced study institute on impact of electron and scanning probe microscopy on materials research (1999). Springer Science+Business Media, Dordrecht. Originally published by Kluwer Academic Publishers in 1999, pp 1–24.https://doi.org/10.1007/978-94-011-4451-3

8. McMullan D (2006) Scanning electron microscopy 1928–1965. Scanning 17(3):175

9. McMullan D (1988) Von Ardenne and the scanning electron microscope. Proc Roy MicroscSoc 2:283

10. Goldstein J et al (2003) Scanning Electron microscopy and X-ray microanalysis, 3rd edn.

Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York

来源于老千和他的朋友们，作者孙千

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