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掃描電鏡是指基于電子束掃描樣品表面并收集二次電子或背散射電子成像的電子顯微鏡。當前還有一種也是基于電子束成像原理的顯微鏡，但使用透射模式，稱為透射電子顯微鏡(TEM)。掃描電鏡觀察對象涵蓋各種固體材料表面：金屬材料、陶瓷材料、聚合物材料、生物樣品、半導(dǎo)體器件、礦物巖石等。其廣泛應(yīng)用于材料科學、生命科學、電子學、地質(zhì)學、納米技術(shù)、半導(dǎo)體工業(yè)等領(lǐng)域。掃描電鏡的核心原理是基于電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生的各種信號來成像。當一束高能電子束（通常為1-30 keV）聚焦到樣品表面極小區(qū)域（納米級）并掃描時，電子與樣品原子相互作用，產(chǎn)生多種信號，包括二次電子、背散射電子、特征X射線、俄歇電子等。其中，二次電子和背散射電子是常用的成像信號。 二次電子來自樣品表面幾個納米深度，對樣品表面形貌極其敏感，因此常用于觀察樣品的表面形貌；背散射電子來自樣品更深區(qū)域（幾十納米至幾百納米），其產(chǎn)額與樣品原子序數(shù)有關(guān)，因此可用于成分對比成像。掃描電鏡通過電子束在樣品表面逐點掃描，同步收集這些信號并轉(zhuǎn)換成圖像，實現(xiàn)樣品表面形貌或成分的高分辨率觀察。 在實際操作中，往往有復(fù)雜的樣品類型和觀察需求。這時需要通過調(diào)整加速電壓、束流、工作距離等參數(shù)來優(yōu)化成像效果。（掃描電鏡觀察時，都假設(shè)樣品導(dǎo)電性良好或已進行適當處理以避免電荷積累） 它的原理是使用場發(fā)射電子槍產(chǎn)生高亮度、小束斑的電子束。場發(fā)射電子槍通過在金屬施加高電場，使電子隧穿勢壘發(fā)射出來，相比傳統(tǒng)鎢燈絲或六硼化鑭電子槍，場發(fā)射電子源具有更高的亮度、更小的束斑和更好的穩(wěn)定性。 場發(fā)射掃描電鏡適用于需要高分辨率成像的材料科學研究、納米技術(shù)、半導(dǎo)體器件分析等應(yīng)用，其優(yōu)勢在于分辨率（可達1納米以下）、束流穩(wěn)定、適合各種樣品類型。 • 主流廠商商品矩陣
它的原理是使用熱發(fā)射電子槍（通常是鎢燈絲或六硼化鑭電子槍）產(chǎn)生電子束。熱發(fā)射電子槍通過加熱金屬絲至高溫，使電子獲得足夠能量克服功函數(shù)發(fā)射出來。雖然分辨率和亮度不如場發(fā)射電子槍，但成本較低，維護相對簡單。 熱發(fā)射掃描電鏡適用于教學、常規(guī)材料分析、質(zhì)量控制等對分辨率要求不是苛刻的應(yīng)用，其優(yōu)勢在于成本低、操作簡便、維護相對容易。 • 主流廠商商品矩陣
它的原理是在一定壓力（通常為1-20 Torr）的環(huán)境氣體條件下操作掃描電鏡，允許對非導(dǎo)電樣品、含水樣品或需要特定氣氛的樣品進行直接觀察，無需傳統(tǒng)噴鍍導(dǎo)電層的預(yù)處理。 環(huán)境掃描電鏡適用于生物樣品、含水材料、非導(dǎo)電材料、以及需要在特定氣氛下觀察的樣品，其優(yōu)勢在于無需導(dǎo)電處理、可觀察含水樣品、可在特定氣氛下分析樣品行為。 • 主流廠商商品矩陣
它的原理是結(jié)合聚焦離子束(FIB)和掃描電鏡(SEM)功能的復(fù)合系統(tǒng)。FIB使用離子束（通常是鎵離子）對樣品進行納米級加工，而SEM則用于實時觀察加工過程和結(jié)果。兩者結(jié)合可實現(xiàn)樣品的三維重構(gòu)、納米加工和精確分析。 聚焦離子束掃描電鏡適用于納米級加工、三維成像、半導(dǎo)體器件失效分析、材料截面分析等應(yīng)用，其優(yōu)勢在于納米級精確定位、樣品加工與觀察一體化、三維重構(gòu)能力。 • 主流廠商商品矩陣
第一臺實用的掃描電鏡由德國科學家Knoll和von Ardenne在1930年代后期開發(fā)，但直到1965年，劍橋大學的Oatley教授團隊才開發(fā)出第一臺真正實用的商用掃描電鏡。最初的掃描電鏡使用鎢燈絲電子槍，分辨率有限（約10納米），主要用于科研領(lǐng)域。 隨著電子光學技術(shù)和電子源技術(shù)的發(fā)展，20世紀70-80年代，六硼化鑭電子槍和熱場發(fā)射電子槍相繼問世，顯著提高了掃描電鏡的分辨率和性能。到了20世紀90年代，冷場發(fā)射電子槍技術(shù)成熟，將掃描電鏡的分辨率推至1納米以下，為納米科技研究提供了強大工具。 21世紀以來，掃描電鏡技術(shù)進一步發(fā)展，出現(xiàn)了場發(fā)射槍與多種探測器組合、環(huán)境掃描電鏡、聚焦離子束掃描電鏡等先進技術(shù)，同時自動化程度大幅提高，操作更加簡便。盡管早期的掃描電鏡主要基于二次電子成像，但現(xiàn)代掃描電鏡已能夠綜合運用多種信號（二次電子、背散射電子、X射線等）進行綜合分析。因此，國際學術(shù)界和工業(yè)界逐漸傾向于使用"電子束表面分析技術(shù)"(Electron Beam Surface Analysis Techniques)這一更廣義的術(shù)語，以涵蓋各種電子束分析方法的綜合應(yīng)用。 不同類型的掃描電鏡具有不同的系統(tǒng)構(gòu)成，但一般都包含電子光學系統(tǒng)、樣品室、探測器系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)五個主要部分，構(gòu)成完整的工作體系。 系統(tǒng)工作時，首先將樣品放置在樣品臺上，樣品室抽真空至所需真空度（通常為10??至10?? Torr，環(huán)境掃描電鏡除外）。然后，電子槍產(chǎn)生電子束，通過聚光鏡和物鏡系統(tǒng)將電子束聚焦到樣品表面極小區(qū)域（納米級）。 電子束在樣品表面進行光柵式掃描，與樣品原子相互作用產(chǎn)生各種信號。二次電子和背散射電子被相應(yīng)的探測器收集并轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大和數(shù)字化處理，傳輸給計算機。計算機根據(jù)電子束掃描位置與探測器信號的關(guān)系，構(gòu)建出反映樣品表面形貌或成分的圖像。 操作人員可以通過調(diào)節(jié)加速電壓、束流、工作距離、探測器設(shè)置等參數(shù)來優(yōu)化成像效果。現(xiàn)代掃描電鏡通常配備自動化功能，可進行圖像拼接、三維重構(gòu)、能譜分析等高級功能，大大擴展了其應(yīng)用范圍和分析能力。
掃描電鏡的基本原理
掃描電鏡
目前市面上掃描電鏡主要分為以下幾類：
1. 場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)
2. 熱發(fā)射掃描電鏡(TE-SEM)
3. 環(huán)境掃描電鏡(ESEM)
4. 聚焦離子束掃描電鏡(FIB-SEM)
掃描電鏡的技術(shù)演進與工作原理
掃描電鏡
掃描電鏡的探測器系統(tǒng)與工作流程
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