掃描電鏡技術解析

掃描電鏡（SEM）已經成為材料表征時所廣泛使用的強有力工具。而且因為不同應用中使用的材料尺寸都在不斷減小，這在近幾年尤其如此。本篇文章中，我們將描述掃描電鏡 SEM 的主要工作原理。

顧名思義，電子顯微鏡使用電子成像，就像光學顯微鏡利用可見光成像。一臺成像設備的zui佳分辨率主要取決于介質的波長。由于電子的波長比光波長小得多，電子顯微鏡的分辨率要優于光學顯微鏡。實際上通常超過1000 倍。

電子顯微鏡有兩種主要的類型：
1、透射電子顯微鏡（TEM），它探測穿過薄樣品的電子來成像；
2、掃描電子顯微鏡（SEM），它利用被反射或撞擊樣品的近表面區域的電子來產生圖像。

掃描電鏡 SEM 如何工作？
我們著重講述掃描電鏡 SEM。SEM 的示意圖如圖1 所示。在這種的電子顯微鏡中，電子束以光柵模式逐行掃描樣品。首先，電子由腔室頂端的電子源（俗稱燈絲）產生。電子束發射是因為熱能克服了材料的功函數。他們隨后被加速并被帶正電的陽極所吸引。您可以在這篇指導中找到更多關于燈絲分類以及其特征的詳細描述。
 

整個電子腔需要處于真空環境中。像所有的電子顯微鏡部件一樣，為了保持真空并且防止污染、震動和噪聲，燈絲被密封在一個特殊的腔室中。真空不僅可以保持燈絲不受污染，也可以讓使用者獲得高分辨率。如果缺乏真空，其它原子和分子就會存在于腔室中。他們和電子相互作用就會導致電子束偏轉，成像質量降低。此外，高真空增加了腔室中探頭的電子接收效率。

電子路徑是如何控制的?
與光學顯微鏡類似，掃描電鏡 SEM 使用透鏡來控制電子的路徑。因為電子不能透過玻璃，這里所用的是電磁透鏡。他們簡單的由線圈和金屬極片構成。當電流通過線圈，就會產生磁場。電子對磁場十分敏感，電子在顯微鏡腔室的路徑就可以由這些電磁透鏡控制——調節電流大小可以控制磁場強度。通常，電磁透鏡有兩種：

會聚鏡，電子通往樣品時首先遇到的透鏡。會聚鏡會在電子束錐角張開之前將電子束會聚，電子在轟擊樣品之前會再由物鏡會聚一次。會聚鏡決定了電子束的尺寸（決定著分辨率），物鏡則主要負責將電子束聚焦到樣品上。掃描電鏡的光路系統同樣還包含了用于將電子束在樣品表面光柵化的掃描線圈。在許多時候，孔徑光闌會結合透鏡一起控制電子束大小。這些 SEM 的主要部件如圖1 所示。

 
掃描電鏡 SEM 都產生了哪些電子？
電子與樣品的相互作用會產生不同種類的電子、光子或輻射。對于掃描電鏡 SEM 來說，用于成像的兩類電子分別是背散射電子 (BSE) 和二次電子 (SE)。背散射電子來自于入射電子束，這些電子與樣品發生彈性碰撞，其中一部分反彈回來，這就是背散射電子。另一方面，二次電子則來自于樣品原子：它們是入射電子與樣品發生非彈性碰撞所產生的。