扫描电子显微镜初学者指南

1 什么是扫描电子显微镜？

与其他显微镜一样，扫描电子显微镜（SEM）的主要功能也是放大人类肉眼无法看到的微小特征或物体。SEM是通过使用电子束来放大图像，而不是光学显微镜中用来形成图像的光。SEM的图像是通过高能量的电子束在样品表面扫描获得的，因此被称为扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）。

由于电子的波长较小，与光相比，电子能够在更大程度上观察材料的精细特征/细节。现代SEM可将物体放大到其原始尺寸的一百万倍，并能分辨出尺寸小于1 nm的特征。同样，电子束与试样相互作用后，会发射出具有独特能量的X射线（也叫特征X射线），通过检测这些X射线可以确定被测材料的元素成分。因此，SEM是一种用于材料表征的工具，可提供有关材料的表面或近表面形貌。结构、成分和缺陷的信息。利用SEM，科学家可以观察亚微米级和纳米级的表面，以研究材料特性。如今，SEM已成为功能大、用途泛的科学仪器之一，对各行各业的发展，譬如材料、地质、半导体以及生命科学领域，发挥了重要的作用。

2 SEM的图像分辨率

人眼无法分辨小于200μm（0.2毫米）的物体。换句话说，人眼的分辨率为200 μm，而光学显微镜可将图像放大到1000倍，以分辨小至0.2μm的细节（光学显微镜才能达到）。分辨率极限被定义为两个物体之间可分辨的最小距离，即最小可分辨距离。例如，距离小于200μm的两个物体，在人眼看来就是一个物体，因为人眼无法分辨尺寸小于200μm的细节。因此，200μm可视为人眼的分辨率极限。

而在光学显微镜下观察相同的物体，会显示为两个不同的物体，因为光学显微镜可以轻松区分小于200μm的距离。事实上，物体之间的距离可以进一步拉近到0.2μm，在光显微镜下仍能保持各自不同的特征。但是，如果物体之间的距离进一步减小到小于0.2μm，光显微镜就无法再将它们分辨为两个独立的物体，而会显示为一个整体。因此，0.2μm可以定义为光学显微镜的分辨率极限。由此可见，最小可分辨距离的值越小，显微镜的分辨率就越高。

光学显微镜和人眼都能使用可见光作为探测物体或与物体相互作用的信号。在光学显微镜中观察细节的能力比肉眼更强，这要归功于用于放大物体图像的镜头/光圈系统。理论上讲，可以通过无限增大放大倍率来不断放大图像。然而，仅靠提高放大倍率是不可能不断揭示物体更小细节的。超过一定的放大倍率，就无法分辨图像中的细节，这是由于成像技术和人眼的分辨能力所造成的限制。

显微镜的分辨能力决定了的有效放大倍率，超过该倍率就无法显示更多细节。

对于光学显微镜，200 μm/0.2 μm的有效放大倍率约为x1000。对于SEM ，200 μm/1 nm的有效放大倍率通常为x200 000。

可见光分辨图像细节的能力受限于其相对较大的波长（λ = 380-760 nm）（见图1）。使用波长较短的光（如紫外线）和浸在油（高折射率）中的透镜可将分辨率提高到0.1μm左右。如果使用波长较小的辐射信号（如电子束）形成图像，则可以达到更高的分辨率极限，因为波长越小，分辨能力越强，图像中显示的细节也就越多。

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。