1.     什么是扫描电子显微镜？

扫描电子显微镜（SEM）是一种微区形貌分析的精密仪器，主要用于样品表面高分辨率的形貌分析。扫描电子显微镜用高能电子束扫描样品表面，与其相互作用产生不同信号，从而揭示样品的外观纹理、化学成分、晶体结构及其取向等信息。

扫描电子显微镜通过电子信号来获得图像，而光学显微镜是通过光波获得的。由于电子的波长远小于光的波长，因此电子能够在很小的尺度下进行形貌观察，放大倍数可以从几十倍到几百万倍，远超光学显微镜的能力。

扫描电子显微镜的另一个优点是具有较大的景深。一般情况下，扫描电镜的景深是透射电镜的10倍，光学显微镜的100倍，特别适合观察一些粗糙不平的端口。同时，样品可以在三维空间内进行旋转和倾斜，从多个角度观察，这对于深入了解样品的结构至关重要。

总的来说，扫描电子显微镜是一个功能强大、应用广泛的工具，它在材料科学领域发挥着重要作用。随着科技的进步，扫描电子显微镜的性能不断提升，它对于科学研究和工业应用是不可或缺的。

图1 扫描电子显微镜示意图

2.     扫描电子显微镜的主要结构是什么？

扫描电子显微镜由电子光学系统、信号收集系统、显示系统以及真空系统组成，其中电子光学系统为扫描电子显微镜的核心部分。

电子光学系统由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。其作用是获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。

信号收集及显示系统的作用为检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。现在普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体、光导管和光电倍增器所组成。

真空系统确保电子光学系统的正常工作并防止样品污染，通常要求真空度维持在10-4~10-5Torr范围内。

图2 SEM结构示意图

3.     扫描电子显微镜的成像原理是什么？

在扫描电子显微镜（SEM）中，成像信号主要包括二次电子（SE）和背散射电子（BSE），其中二次电子信号是成像的主要来源。

二次电子是低能量电子（小于50eV），它们在入射电子与样品原子的能量交换过程中由样品原子的外层电子转换而来，并从样品表面（约10nm）逸出，这种信号对样品表面的状态极为敏感，能够有效地展示样品表面的微观形貌，其分辨率可达5～10nm。二次电子的产额主要取决于样品表面局部斜率，可看成由许多不同倾斜程度的面构成的台阶、凹坑，这些不同部位发射的二次电子数不同，从而产生不同的衬度。

背散射电子是入射电子与样品原子核发生散射后的结果，其穿透能力比二次电子强得多，它们能够从样品更深的区域（约1µm）逸出。背散射电子产额随原子序数增大而明显增加，即样品平均原子序数大的部位产生的背散射电子信号强，在荧光屏上形成的区域亮；而平均原子序数小的部位产生的背散射电子信号弱，在荧光屏上形成的区域暗，这样就形成了原子序数衬度。通过分析图像衬度，可以对样品的原子序数进行相对估计，进而进行成分分析。

图3（a）二次电子图像；（b）背散射电子图像