掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope）它是一種用電子探針掃描樣品表面使其成像的電子顯微鏡。掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡的成像原理、透射電子顯微鏡則不同它使用電子束作為照明源，以光柵掃描方式用精細(xì)聚焦的電子束照射樣品表面，并通過電子與樣品表面的相互作用產(chǎn)生二次電子、收集和處理反向散射的電子等，以便獲得微觀形態(tài)的放大圖像。

掃描電子顯微鏡通常包括電子槍、電磁透鏡、掃描系統(tǒng)、信號采集和處理裝置。它的主要功能是觀察物質(zhì)的表面形態(tài)，這不僅可以用于生命科學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、地質(zhì)學(xué)、食品科學(xué)和其他領(lǐng)域的研究；而且廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)、陶瓷工業(yè)、化工等生產(chǎn)部門。

目前應(yīng)用最廣泛的常規(guī)鎢絲陰極掃描電子顯微鏡的最大分辨率為3~5nm，加速電壓為0.2~30kV。

掃描電子顯微鏡SEM使用由細(xì)聚焦電子束掃描樣品表面激發(fā)的各種物理信號來調(diào)制成像。其基本結(jié)構(gòu)包括一個電子槍、電磁透鏡、掃描系統(tǒng)、信號采集和處理裝置等。

電子槍

電子槍的作用是產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的電子流，是掃描電子顯微鏡的重要組成部分。由陰極（燈絲）柵極和陽極，俗稱三級電子槍。根據(jù)陰極所用材料的不同，可分為熱鎢電極電子槍、六硼化鑭電子槍和場發(fā)射電子槍。

熱鎢電極電子槍的陰極是加熱的鎢絲，柵極環(huán)繞在陰極周圍加熱的鎢絲釋放電子并在陽極和陰極之間施加高電壓以形成加速電場，從而使電子獲得能量。一般來說，實(shí)際加速電壓可以為10~30kV。燈絲發(fā)射的電子束由柵極的負(fù)電位調(diào)節(jié)以控制其發(fā)散度，形成穩(wěn)定的電子束電流并射向陽極。電子束在陽極附近會形成一個小的交點(diǎn)，交點(diǎn)的直徑由電子槍的設(shè)計決定，約為10 ~ 100 μ m。陰極是直徑為0.由12毫米鎢絲制成，大部分呈V形。

掃描電子顯微鏡

六硼化鑭電子槍類似于傳統(tǒng)的鎢絲電子槍，由陰極組成、陽極、不同的是鎢絲陰極被六硼化鑭陰極取代。六硼化鑭（LaB6）陰極結(jié)構(gòu)形式有：場發(fā)射六硼化鑭陰極、直接加熱的六硼化鑭陰極、改進(jìn)的直熱式六硼化鑭陰極等。普通陰極是直接加熱的六硼化鑭陰極。六硼化鑭陰極電子槍的優(yōu)點(diǎn)是亮度高、壽命長，亮度比熱鎢絲陰極電子槍高一個數(shù)量級，但需要相當(dāng)復(fù)雜的輔助設(shè)備，價格昂貴，所以應(yīng)用不廣泛。

場發(fā)射電子槍主要通過施加在陰極表面的電場發(fā)射電子，由一個陰極和兩個陽極組成。陰極是結(jié)晶鎢，頂部研磨成曲率半徑為1000的尖端在陰極和第一陽極上施加幾千伏的電壓，一般為1~3kV第一陽極從陰極的尖端提取電子，并且電子被第二陽極加速以形成電子束。該場發(fā)射電子槍具有高亮度優(yōu)點(diǎn)、分辨率高、壽命長、可以實(shí)現(xiàn)快速掃描觀察和記錄。場發(fā)射電子槍非常昂貴，只有當(dāng)束斑直徑小于0.2μm優(yōu)于鎢絲電子槍，場發(fā)射電子槍一般用于一些特殊用途。

電磁透鏡

電磁透鏡由激勵線圈環(huán)繞線圈的框架和極靴組成?？蚣芎蜆O靴都由磁性材料制成，可以傳導(dǎo)磁力線極靴和框架是軸對稱的，在軸向上有一個間隙，磁力線通過該間隙泄漏到中心部分磁力線形成的磁場對通過它的電子有透鏡效應(yīng)。當(dāng)電子束受到磁場的影響時，它將改變其前進(jìn)方向當(dāng)它通過中空的強(qiáng)大電磁線圈時，它將像通過玻璃透鏡的光束一樣被折射和聚焦電子槍發(fā)射的電子束直徑一般為30~50微米，而所需的電子探針的電子束直徑為1 ~ 5納米，因此需要兩到三個電磁透鏡電磁透鏡有一個隔膜來阻擋一些無用的電子。

掃描系統(tǒng)是掃描電子顯微鏡的一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可以使電子束進(jìn)行光柵掃描它的結(jié)構(gòu)是兩組小電磁線圈。這兩組電磁線圈通以強(qiáng)度隨時間線性變化的鋸齒電流，使電子束由點(diǎn)到線、從線到面逐一掃描樣品。通常，這兩組線圈安裝在物鏡的間隙中，以在電子束進(jìn)入物鏡的強(qiáng)場區(qū)域之前偏轉(zhuǎn)電子束。

處理裝置

信號采集和處理裝置包括探測器、顯影單元和照相機(jī)系統(tǒng)。入射電子束撞擊樣品產(chǎn)生一系列信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、陰極光、透射電子、特征x射線等，探測器用于接收這些信號，經(jīng)過信號放大等光電效應(yīng)后顯示在熒光屏上，最后由攝像機(jī)記錄下來。

真空系統(tǒng)

在電子顯微鏡中，壓力需要降低到大多數(shù)電子在運(yùn)動過程中不會與氣體分子碰撞的程度。真空度須在10-4~10-場發(fā)射電子槍需要保持超高真空-10Torr。通常使用兩級串聯(lián)真空系統(tǒng)，油旋轉(zhuǎn)機(jī)械泵預(yù)抽至10-2~10-3Torr或更高，然后通過油擴(kuò)散泵將真空度進(jìn)一步提高到10-6~10-8Torr左右。

SEM是將電子槍發(fā)射的電子束聚焦后在樣品表面進(jìn)行掃描，檢測電子與樣品表面相互作用產(chǎn)生的信號成分、觀察并分析了其形貌和結(jié)構(gòu)。入射電子和樣品之間的相互作用將激發(fā)二次電子、背散射電子、吸收電子、俄歇電子、陰極熒光特征X射線和其他信息。掃描電子顯微鏡主要使用二次電子、背散射電子和特征X射線用于分析樣品表面的特征。掃描是指在圖像上從左到右掃描、掃描電子顯微鏡SEM用于從上到下依次掃描圖像像素，成像基于一定的時間、空間秩序是逐點(diǎn)形成的，并顯示在鏡外的顯像管上。

二次電子

二次電子成像是掃描電子顯微鏡獲得的最廣泛使用的圖像之一，分辨率最高。

二次電子成像是電子槍發(fā)射的電子束最高可達(dá)30keV，并通過聚光透鏡、物鏡變窄聚焦，在樣品表面形成具有一定能量的透鏡、強(qiáng)度、在掃描線圈磁場的作用下，入射電子束以一定的時空順序在樣品表面逐點(diǎn)進(jìn)行光柵掃描。由于入射電子和樣品之間的相互作用，樣品將被激發(fā)出二次電子。二次電子被收集，然后加速到閃爍體并轉(zhuǎn)換為光信號，光信號通過光管到達(dá)光電倍增管，然后轉(zhuǎn)換為電信號。這個電信號被放大器放大后送到顯像管的柵極，在屏幕上顯示出明暗不同的畫面、反映樣品表面形態(tài)的二次電子圖像。

二次電子在距離樣品表面5 ~ 10 nm處產(chǎn)生，可以高分辨率表征樣品表面二次電子模式主要用于觀察表面形貌。

背散射電子

背散射電子(BSE)它是電子束轟擊過程中被樣品反射的電子的一部分，包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。掃描電鏡中的背散射電子是指彈性背散射電子，產(chǎn)生于距離樣品表面幾百納米的深度，分辨率低于二次電子像。然而，背散射電子與樣品的原子序數(shù)有很大的關(guān)系，因此可以用來提供樣品原子序數(shù)的對比度信息。在SEM分析中，背散射電子通常與特征X射線產(chǎn)生的能譜相結(jié)合進(jìn)行成分分析。

背散射電子與樣品的原子序數(shù)有很大關(guān)系，因此背散射模式常用于定性成分分布分析和晶體學(xué)研究。

特征X射線

當(dāng)高能電子束轟擊樣品時，樣品中原子的內(nèi)部電子被電離，原子處于高激發(fā)態(tài)，外層的高能電子跳躍到內(nèi)層釋放能量，這就成為原子的特征X射線，而這些特征X射線可以用來識別樣品中的成分和元素。

特征X射線是樣品中原子躍遷釋放的輻射能量，可以反映樣品的組成元素，因此特征X射線常用于成分分析和能譜檢測。

分辨率

分辨率是掃描電子顯微鏡的主要性能指標(biāo)。所謂分辨率是指在特定環(huán)境下拍攝的圖像上兩個區(qū)域之間的暗間隙寬度的測量值，最小值是分辨率除以放大率。也就是人們用肉眼和借助顯微鏡可以分辨兩個微觀體的最小距離。掃描電子顯微鏡的分辨率高，放大倍數(shù)從1，033，356倍到300，000倍，可連續(xù)調(diào)節(jié)由于景深大分辨率高，可連續(xù)放大十倍至數(shù)十萬倍，使宏觀形態(tài)與微觀觀察相對應(yīng)。

放大倍數(shù)

放大率是指電子束在熒光屏上的最大掃描距離與電子束在鏡筒中樣品上的最大掃描距離之比。掃描電子顯微鏡的圖像放大率是所使用的顯示屏中實(shí)際成像區(qū)域的邊長與電子束在樣品上偏轉(zhuǎn)的同一方向上掃過的距離的長度之比，它基本上取決于顯示器偏轉(zhuǎn)線圈的電流與電子顯微鏡掃描線圈的電流之比。在實(shí)際工作中，顯示器圖像偏轉(zhuǎn)線圈的電流通常保持恒定，通過調(diào)節(jié)電子顯微鏡掃描線圈的電流，可以很容易地調(diào)節(jié)和改變電子顯微鏡的放大率。掃描電鏡的放大倍數(shù)變化很大，是普通電鏡的20 ~ 100，000倍；場發(fā)射電子顯微鏡是20?300000倍。放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)通常是步進(jìn)式的或連續(xù)可調(diào)的。

景深

景深是指當(dāng)圖像清晰度保持不變時，樣品平面可以沿光軸來回移動的距離。景深與放大率密切相關(guān)放大倍數(shù)越大，景深越小。掃描電鏡的末級透鏡采用小孔徑角和長焦距，因此可以獲得大景深由于景深較大，掃描電子顯微鏡圖像具有強(qiáng)烈的三維效果和逼真的形狀，并且可以通過SEM觀察和分析斷裂樣品。

掃描電鏡的景深比透射電鏡大10倍，比光學(xué)顯微鏡大幾百倍。電子束的景深取決于臨界分辨率d0和電子束的入射半角ac。其中，臨界分辨率與放大倍數(shù)有關(guān)，因?yàn)槿搜鄣姆直媛始s為0.電子束的分辨率必須高于臨界分辨率2mm， 才能使人感到物體圖像清晰。電子束的入射角可以通過改變孔徑大小和工作距離來調(diào)節(jié)，并且可以用小的孔徑大小和大的工作距離獲得小的入射角。

根據(jù)電子槍的類型，可以分為三種：場發(fā)射電子槍、鎢絲槍和六硼化鑭 。其中，場發(fā)射掃描電鏡按光源性能可分為冷場發(fā)射掃描電鏡和熱場發(fā)射掃描電鏡。

掃描電子顯微鏡在材料學(xué)中具有分辨率高景深好操作簡單等優(yōu)點(diǎn)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、考古學(xué)、地礦學(xué)、食品科學(xué)、它廣泛應(yīng)用于微電子工業(yè)和其他領(lǐng)域。它可以進(jìn)行形貌分析斷口分析元素定性和定量分析以及晶體結(jié)構(gòu)分析。

生物學(xué)

掃描電鏡可以應(yīng)用于植物學(xué)、動物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微生物學(xué)、考古生物學(xué)、考古學(xué)中。掃描電鏡在花器官中的應(yīng)用、種子表皮、種子形態(tài)、葉片表皮、內(nèi)含物、病原體和植物細(xì)胞水平等用于觀察植物組織或器官的表面和橫截面結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)、拉曼光譜儀等儀器設(shè)備可以從微觀層面更深層次地研究植物的演化歷史和生長發(fā)育規(guī)律。

掃描電鏡在醫(yī)學(xué)上已經(jīng)從基礎(chǔ)研究發(fā)展到疾病模型、培養(yǎng)細(xì)胞或組織的鑒定疾病的診斷藥理作用和效果的觀察以及疑難疾病的電鏡診斷已成為醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)的重要科研工具和手段。

掃描電鏡可以直接觀察組織細(xì)胞內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)的三維圖像，可以顯示組織中微血管和其他管道系統(tǒng)的三維構(gòu)建，為醫(yī)學(xué)生物學(xué)亞微觀領(lǐng)域的研究提供了條件。

材料學(xué)

掃描電鏡廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域，可用于觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)和形貌、斷口分析、涂層的表面形貌和深度檢測、微區(qū)化學(xué)成分分析、微觀結(jié)構(gòu)和超細(xì)材料的研究等。

通過SEM可以觀察到各種形式的材料形態(tài)、元素分析、晶體結(jié)構(gòu)分析三維形貌觀察和分析、納米材料分析等。在觀察形貌的同時，可以同時進(jìn)行微區(qū)的成分分析和能譜分析。

物理學(xué)

SEM可用于觀察LCD中導(dǎo)電粉末的粒度分布、觀察了導(dǎo)電點(diǎn)中導(dǎo)電粉末的濃度和導(dǎo)電點(diǎn)中缺陷的分析，薄膜傳感器的壓阻靈敏度，材料的晶體結(jié)構(gòu)和表觀形貌對尖晶石顆粒導(dǎo)電性的影響，以及涂層形貌和厚度對提高導(dǎo)電塑料表面硬度和加強(qiáng)表面導(dǎo)電性的影響。

SEM可用于半導(dǎo)體微觀形貌檢測和成分分析，并可用于確定切割、研磨、拋光和各種化學(xué)試劑處理對半導(dǎo)體器件性能和穩(wěn)定性的影響；分析不同元素、復(fù)合添加劑對陶瓷燒結(jié)體性能的影響、晶相組成和晶體形態(tài)的影響用于改進(jìn)陶瓷生產(chǎn)工藝；觀察化學(xué)產(chǎn)品的微觀形態(tài)，并結(jié)合其性能變化選擇工藝條件、控制、改進(jìn)、優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量鑒定等。

SEM是一種高分辨率的電子顯微鏡，可以直接觀察樣品表面，圖像立體逼真。而且，它不僅可以顯示一般樣品的表面形貌，還可以結(jié)合樣品微觀區(qū)域的化學(xué)元素和光、電、磁特性的差異以二維圖像的形式顯示出來，可以拍攝下來。此外，掃描電鏡分辨率高景深大，可以直接觀察到樣品表面起伏較大的粗糙結(jié)構(gòu)。

掃描電鏡的分辨率不如透射電鏡（透射電鏡）和AFM（原子力顯微鏡）物質(zhì)的分子和原子圖像無法觀察到；樣品需要在真空環(huán)境中觀察，這限制了樣品的種類；只能觀察到樣品的表面形態(tài)，無法檢測到表面以下的結(jié)構(gòu)；沒有高度方向信息，只有二維平面圖像；無法觀察液體樣品。