扫描电子显微镜介绍

扫描型电子显微镜  （SEM）扫描聚焦的电子束在表面上以产生图像。束中的电子与样品相互作用，产生各种信号，这些信号可用于获取有关表面形貌和成分的信息。

为什么在显微镜中用电子代替光？

只要有足够的光线，人眼就可以分辨出相距0.2 mm的两个点，而无需任何其他透镜。该距离称为眼睛的分辨力或分辨力。可以使用透镜或透镜组件（显微镜）来放大此距离，并使眼睛看到的点甚至比0.2 mm更近。

现代光学显微镜的最大放大倍数约为1000倍。显微镜的分辨能力不仅受到透镜的数量和质量的限制，而且还受到照明光的波长的限制。白光的波长为400至700纳米（nm）。平均波长为550 nm，这导致了光学显微镜在大约200 – 250 nm的白光下的分辨率（而不是可见度）的理论极限。下图显示了在检测极限处的两个点，并且仍然可以区分两个单独的点。右图显示两个点非常靠近，以至于中心点重叠。

（两点表示检测极限）

当波长成为光学显微镜的限制因素时，便开发了电子显微镜。电子具有短得多的波长，可以实现更好的分辨率。

比较光学显微镜和扫描电子显微镜

随着材料和设备尺寸的缩小，许多结构不再可以用光学显微镜表征。例如，如此处所示，要确定用于过滤的纳米纤维层的完整性，需要使用电子显微镜来表征样品。

纳米纤维的光学显微镜图像

相同纳米纤维的4000倍放大倍数的扫描电子显微镜图像

扫描电子显微镜的工作原理

SEM的主要结构包括： （1）电子源（2）电子通过电磁透镜向下传播的色谱柱（3）电子探测器（4）样品室（5）电脑和显示器以查看图像。

电子在柱的顶部产生，向下加速并穿过透镜和孔的组合，以产生聚焦的电子束，其撞击样品的表面。将样品安装在腔室区域的平台上，除非将显微镜设计为在低真空下运行，否则将通过组合泵将色谱柱和腔室抽成真空。真空度取决于显微镜的设计。

扫描电子显微镜示意图

样品上电子束的位置由位于物镜上方的扫描线圈控制。这些线圈允许光束在样品表面上扫描。如同显微镜的名称所暗示的那样，这种光束光栅化或扫描可以收集有关样品上定义区域的信息。电子样品相互作用的结果是产生了许多信号。然后，由适当的检测器检测这些信号。

样品-电子相互作用

扫描电子显微镜（SEM）通过用高能电子束扫描样品来产生图像。当电子与样品相互作用时，它们会产生二次电子，背散射电子和特征X射线。这些信号由一个或多个检测器收集以形成图像，然后将其显示在计算机屏幕上。当电子束撞击样品表面时，取决于加速电压和样品的密度，电子束会穿透样品至几微米的深度。由于样品内部的这种相互作用，产生了许多信号，例如二次电子和特征X射线。

电子束相互作用示意图。

SEM中获得的最大分辨率取决于多个因素，例如电子点大小和电子束与样品的相互作用体积。尽管它不能提供原子分辨率，但某些SEM可以达到1 nm以下的分辨率。通常，现代的全尺寸SEM可以提供1-20 nm的分辨率，而台式机系统可以提供20 nm或更高的分辨率。

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