扫描电镜的原理

扫描电镜原理：所谓扫描是指在图象上从左到右、从上到下依次对图象象元扫掠的工作过程。
在电子扫描中,把电子束从左到右方向的扫描运动叫做行扫描或称作水平扫描,把电子束从上到下方向的扫描运动叫做帧扫描或称作垂直扫描。
两者的扫描速度完全不同,行扫描的速度比帧扫描的速度快,对于1000条线的扫描图象来说,速度比为1000。
扫描电子显微镜是一种大型分析仪器,它广泛应用于观察各种固态物质的表面超微结构的形态和组成。

扫描电镜是扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM)简称。它是一种电子显微镜，使用聚焦的电子束扫描样品的表面来产生样品表面的图像。

扫描电镜用聚焦的电子束在样品表面上进行光栅扫描（每行从左往右扫描，然后下行重复，周而复始直至完成一帧图像），收集电子与样品作用产生的信号在显示器上做同步显示，显示的信息在空间上与扫描电子束在瞬时位置的信号相关，且图像上每个像素的灰度值与信号强度成比例。更简单地说，微观尺度上的电子形成的探针在样品表面扫描，而宏观尺度上显示器将收集到的信号做量化后的同步显示，显示了肉眼不可见的细节。

这仿佛是一个蚂蚁在逐点探索爪下的世界，它把每个坐标点的高度信息报告给了计算机，显示器绘制了放大的地形图，从而使我们看到了蚂蚁眼中的微观世界。

光学显微镜是一个大家族，有使用透射光成像的透射光学显微镜（针对透明样品，采用透射式照明），也有使用反射光成像的金相显微镜（针对不透明样品，采用反射式照明）。与之对应，电子显微镜也有透射电子成像的透射电子显微镜和通过搜集“反射”电子的扫描电镜。

扫描电镜的特点

1 分辨率高、放大倍数宽

扫描电镜的激发源是电子束，可以超越光子的衍射极限在样品表面形成极细的探针，依电镜性能和样品的性质，扫描电镜可以实现小于1nm的分辨率。扫描电镜的放大倍数可在几十倍到几十万倍之间，观察范围从纳米级到毫米级，尺度范围更宽且放大倍率调节非常便捷。这非常便于在低倍时观察大视野的样品全貌，在高倍率时观察样品的微观细节。

2 景深大，立体感强

而扫描电镜的会聚角相对光镜小，可以同时在一定范围内满足分辨率和景深的成像要求，所以景深较大，甚至还可以由二维生成立体感更强的三维电镜图像，以更全面立体地展现样品微观轮廓特征。

3 图像直观、易解释

生活中的光线以反射光线为主，成像信号（二次电子和背散射电子）类似反射光，使得扫描电镜图像跟生活直觉一致。但是直观、易解释不是无须解释，有时也会产生假象。通过对扫描电镜的了解，使用者可以从图像中挖掘更多有用信息。

4 信号类型多，微区分析能力强

扫描电镜样品仓较大且有很多接口，可以加装许多附件。扫描电镜使电子束在样品表面形成极细的探针，探针激发出的信号除了用于成像的电子外，还有X射线和光子信号，于是出现了EDS（X射线能谱）和CL（阴极发光）技术；还有衍射信息，于是有了电子通道衬度成像ECCI和电子背散射衍射技术EBSD技术；还有电流信息，于是有了样品电流测量和电子束感生电流技术EBIC技术。

相对于扫描电镜的成像，这些技术也被称为“分析”功能，被纳入微区分析的范畴。在这些微区分析技术中，EDS和EBSD最为常用，它们作为扫描电镜的附件，使得扫描电镜技术在显微成像之外还能得到样品的成分和结构信息，同时建立空间位置与成分的对应，位置与结构的对应。

此外，扫描电镜样品仓和样品台较大，可以安装其他附件，非常便于实现联用和原位功能。于是扫描电镜成为一个显微成像和显微分析的通用平台，微观表征不可或缺的通用设备。

5 样品制备简单

透射电镜要求样品能透过电子，这对样品制备要求较为苛刻。金相显微镜要求样品平平整，这样反射光才能清晰成像。在材料科学领域，对于许多样品，除了固定牢靠外，扫描电镜没有特殊的要求。对于磁性材料、液体、不导电样品等则需要特殊处理，但也相对容易实现。

6 操作简单、表征效率高

因为原理相对简单较易实现，以及商业化的成功，扫描电镜操作起来非常简单，容易上手，而且加之一次可以放入很多样品，所以表征效率非常高。加之越来越多的算法引入，硬件与软件结合，也可以实现更高通量、更高速度的表征。

体验过扫描电镜的人都知道：扫描电镜的易操作性、图像的易解释性让人印象深刻，用户友好降低了对培训的要求。但更易使人们自满，并潜意识地认为：它只是个大号的相机，看到的一切都是正确的。

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成像原理
1.透射电镜技术
透射电镜是以电子束透过样品经过聚焦与放大后所产生的物像，投射到荧光屏上或照相底片上进行观察。透射电镜的分辨率为0.1~0.2nm，放大倍数为几万~几十万倍。由于电子易散射或被物体吸收，故穿透力低，必须制备更薄的超薄切片(通常为50~100nm)。其制备过程与石蜡切片相似，但要求极严格。要在机体死亡后的数分钟钓取材，组织块要小(1立方毫米以内)，常用戊二醛和饿酸进行双重固定树脂包埋，用特制的超薄切片机(ultramicrotome)切成超薄切片，再经醋酸铀和柠檬酸铅等进行电子染色。电子束投射到样品时，可随组织构成成分的密度不同而发生相应的电子发射，如电子束投射到质量大的结构时，电子被散射的多，因此投射到荧光屏上的电子少而呈暗像，电子照片上则呈黑色，称电子密度高(electrondense)。反之，则称为电子密度低(electronlucent)。
2.扫描电镜技术
扫描电镜是用极细的电子束在样品表面扫描，将产生的二次电子用特制的探测器收集，形成电信号运送到显像管，在荧光屏上显示物体。(细胞、组织)表面的立体构像，可摄制成照片。
扫描电镜样品用戊二醛和饿酸等固定，经脱水和临界点干燥后,再于样品表面喷镀薄层金膜，以增加二波电子数。
电子显微镜下的纤维扫描电镜能观察较大的组织表面结构，由于它的景深长，1mm左右的凹凸不平面能清所成像，故放样品图像富有立体感。

扫描电镜（Scanning Electron Microscope，简称SEM）是一种用于观察微观结构的重要分析仪器，其原理主要基于电子与物质的相互作用，具体如下：

1、电子束产生与聚焦

- 电子枪发射电子：扫描电镜中的电子枪通过热发射或场发射的方式产生电子束。在热发射电子枪中，通常使用钨丝或六硼化镧等材料作为阴极，通过加热使阴极中的电子获得足够的能量逸出表面，形成电子束。场发射电子枪则是利用强电场使阴极表面的电子隧穿而出，产生电子束。场发射电子枪产生的电子束具有更高的亮度和更小的束斑尺寸，能够提供更高的分辨率。

- 电子光学系统聚焦：产生的电子束通过由电磁透镜组成的电子光学系统进行聚焦和加速。电磁透镜利用磁场对电子的作用力，使电子束汇聚成一个非常小的束斑，通常可以达到纳米级的尺寸。同时，通过在电子枪和样品之间施加高电压，使电子束获得较高的能量，一般加速电压在1kV至30kV之间。

2、电子束与样品相互作用

- 产生信号：当具有一定能量的电子束轰击样品表面时，会与样品中的原子发生相互作用，产生多种信号，包括二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子等。

- 二次电子：是由入射电子与样品原子中的外层电子相互作用，使外层电子逸出样品表面而产生的。二次电子的能量较低，一般在50eV以下，其产额与样品表面的形貌和成分有关，对样品表面的细节非常敏感，主要用于观察样品的表面形貌。

- 背散射电子：是入射电子与样品原子发生弹性散射或非弹性散射后，部分电子从样品表面反射回来的电子。背散射电子的能量较高，与入射电子的能量相近，其产额与样品的原子序数有关，原子序数越大，背散射电子的产额越高，常用于分析样品的成分分布和晶体结构。

- 特征X射线：当入射电子将样品原子中的内层电子激发出来后，原子的内层会出现空位，外层电子会跃迁到内层空位，同时释放出具有特定能量的X射线，这种X射线称为特征X射线。每种元素都有其独特的特征X射线能量，通过检测特征X射线的能量和强度，可以进行样品的元素分析。

- 俄歇电子：当原子内层电子被激发形成空位后，外层电子跃迁到内层空位时，多余的能量可能会使另一个外层电子发射出来，这种电子称为俄歇电子。俄歇电子的能量与样品的元素种类和化学环境有关，可用于表面成分分析和化学态研究。

3、信号收集与处理

- 探测器收集信号：针对不同的信号，扫描电镜配备了相应的探测器。例如，二次电子探测器通常采用闪烁体-光电倍增管系统，将二次电子转化为光信号，再通过光电倍增管将光信号放大并转化为电信号。背散射电子探测器一般利用半导体探测器或闪烁体探测器来收集背散射电子信号。

- 信号处理与成像：探测器收集到的电信号经过放大、处理后，被传输到计算机控制系统。计算机根据信号的强度和位置信息，将其转换为图像上的像素点亮度或颜色，从而形成样品的扫描电镜图像。在扫描过程中，电子束按照一定的扫描模式（如光栅扫描）在样品表面逐点扫描，每个扫描点对应的信号强度就决定了图像中该点的亮度或颜色，最终形成反映样品表面形貌、成分等信息的二维图像。

中图扫描电镜现场随机进行70000X倍成像

扫描电镜：电子束到达样品，激发样品中的二次电子，二次电子被探测器接收，通过信号处理并调制显示器上一个像素发光，由于电子束斑直径是纳米级别，而显示器的像素是100微米以上，这个100微米以上像素所发出的光，就代表样品上被电子束激发的区域所发出的光。实现样品上这个物点的放大。如果让电子束在样品的一定区域做光栅扫描，并且从几何排列上一一对应调制显示器的像素的亮度，便实现这个样品区域的放大成像。
具体图像反差形成机制不讲。由于扫描电镜所观察的样品表面很粗糙，一般要求较大工作距离，这就要求扫描电镜物镜的焦距比较长，相应的相差系数较大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系统的空间分辨率一般比透射电镜低得多1-3纳米。但因为物镜焦距较长，图像景深比透射电镜高的多，主要用于样品表面形貌的观察，无法从表面揭示内部结构，除非破坏样品，例如聚焦离子束电子束扫描电镜FIB-SEM,可以层层观察内部结构。
透射电镜和扫描电镜二者成像原理上根本不同。透射电镜成像轰击在荧光屏上的电子是那些穿过样品的电子束中的电子，而扫描电镜成像的二次电子信号脉冲只作为传统CTR显示器上调制CRT三极电子枪栅极的信号而已。透射电镜我们可以说是看到了电子光成像，而扫描电镜根本无法用电子光路成像来想象。