扫描电镜（SEM）是利用电子束扫描样品表面，产生二次电子等信号，通过检测这些信号来获取样品表面形貌、成分等信息。
SEM的优点是分辨率高，可观察到纳米级别的细节，景深大，能清晰呈现三维形貌，可同时进行成分分析。
1.SEM技术简介
从本质上讲，SEM"观察"样品表面的方式可以比作一个人独自在暗室中使用手电筒（窄光束）扫描墙上的物体。从墙的一侧到另一侧进行扫描，手电筒再逐渐向下移动扫描，人就可以在记忆中建立起物体的图像。SEM是用电子束代替了手电筒，并用电子探测器代替眼睛，用观察屏幕和照相机作为图像存储器。
图1SEM镜筒结构及光栅扫描成像示意图
电子是原子中带负电荷的粒子。在光镜中，光子由玻璃透镜聚焦。在电镜中，电磁铁用于聚焦电子。电子束与样品表面的相互作用会影响获得的图像。
SEM可以提供跨微米和纳米尺度研究，分辨率通常在3-0.5nm之间，最高的分辨率可以达到0.4nm。SEM通常可将样品的细节放大约10倍至30万倍（底片倍数的有效放大倍数）。此外，SEM图像上通常会提供一个刻度条，刻度条用于计算图像中特征的大小。备注：目前存在一些行业标准和规范，用于评估扫描电镜的分辨率性能。这些标准通常基于特定的测试方法和指标。然而，需要注意的是：不同的扫描电镜型号和制造商可能会有略微不同的分辨率测量方法和标准。实际测量结果还可能受到多种因素的影响，如样品制备、成像条件等。
图2SEM图像的底部都会带刻度尺，以衡量物体的实际尺寸大小
在扫描电镜中，通常涉及到两个倍数，一个是底片倍数，一个是显示倍数。底片倍数，指扫描电镜获取图像时，实际拍摄到5英寸底片上的放大倍数。显示倍数是指在显示器上显示的放大倍数。
初学者搞不清楚底片倍数和显示倍数的区别，同样的细节长度，显示倍数通常会比底片倍数高2-3倍，因此，衡量物体尺寸的大小看标尺刻度，而不是放大倍数。
此外，SEM图像没有颜色（但可以人工着色），看起来可能立体感强（景深大），而且只显示样品的表面或次表面细节（电子束对样品的穿透力极小）。
图3通过软件着色的SEM图片
SEM上的探测器通常可接收两种不同类型的电子信号：二次电子（SE）或背散射电子（BSE）。一般来说，SE图像中的灰色阴影衬度是由样品的形貌造成的，BSE图像中的灰色深浅衬度是由样品中不同物相的平均原子序数决定的。
从某种意义上说，可以简单的把SE理解为形貌像，尽管如此，也不是绝对的。但不能简单的把BSE理解为成分像，有两个原因，第一，BSE也能反应形貌特征，也是很通用的技术，比如4-6分割的外环半导体BSE探测器，或者低加速电压下的BSE信号，因为相互作用区浅，也能反应形貌细节。第二，BSE反应的是不同的相之间的成分对比度，而不是元素的对比度，比如氧化铝和氧化锆之间有差异，而不是指氧和铝，或氧和锆之间的元素对比度差异。另外需要注意的是，闪烁体探测器可以同时接收SE和BSE，也就是存在一定的混合信号。
2.SEM的应用
SEM是一种广泛应用于科学和工程领域的技术。最常见的应用领域包括材料科学、生物科学、地质学、医学和法医学。SEM还可用于创作数字艺术作品。
SEM技术可以对样品的形态进行成像（如粉末颗粒，块状材料、涂层、切片材料），通过BEE散射电子可以对不同的物相进行成像，也可利用生物样品中的金属和荧光探针对分子探针进行成像，或进行微米和纳米光刻。
此外，SEM也可在观察样品时同时加热或冷却样品（需要特定类型的平台），以及观察湿润的样品（仅适用于环境SEM）。可以分析来自样品的X射线，进行微区元素分析（需要EDS或WDS探测器），也可以研究半导体的光电特性（需要阴极荧光CL探测器），还可以观察晶体材料的晶粒取向或晶体取向图，同时研究平面样品中的异质性和微应变等相关信息（需要EBSD探测器）。
图4SEM上可安装的各种附件
材料科学：SEM是用于基础研究、质量控制和失效分析的重要工具。它是一种适用于检测金属、合金、陶瓷、聚合物和生物材料的技术。SEM在许多课题中发挥着关键作用，包括纳米管和纳米纤维、高温超导体、介孔结构、合金强度等。如果没有SEM提供的数据，高科技发展的许多方面--航空航天、电子、能源、催化、环境、光子学、化学--都将无法实现。
生物科学：在生物科学领域，从昆虫和动物组织等大型物体到细菌等小型物体都可以用SEM进行研究。SEM可用于昆虫学、考古学、植物科学、细胞研究和分类学等领域。
地质学：SEM在土壤和地质样品调查中很常见。通过形态分析可以了解风化过程。通过BSE成像可以看到成分差异。显微分析可提供样品中特定元素组成的详细信息。因此，SEM是采矿业非常有用的表征工具。
医学科学：医学研究人员可使用SEM比较血细胞和组织样品，以确定病因。SEM的其他用途还包括研究医学及其对病人的影响，以及研究和开发新的治疗方法。
法医学：在法医学中，警方实验室使用SEM来检查和比较证据，如金属碎片、油漆、墨水、毛发和纤维，以提供某人有罪或无罪的证据。通过仔细检查，刑侦人员能够确定从犯罪现场收集到的样品是否具有与刑侦人员所设想的情景相匹配的特性。
数字艺术：从SEM中提取的图像本身通常非常精美，但也可以修改为数字艺术和引人注目的营销图像。
下文并不准备详细解读SEM的附件技术，仅对SEM成像技术本身进行讨论。SEM相关的先进附件表征技术会在后续的专题中讨论。
3.SEM与光镜有何不同？
与光镜（LM）相比，SEM在三个关键优势：
1高倍率下的分辨率：分辨率可以定义为两个紧密相对的点之间的最小距离，在这个距离上，它们可以被识别为两个独立的实体。光镜的最佳分辨率约为nm，而常规的SEM的分辨率优于3nm，场发射SEM的分辨率普遍＜1nm。
2景深：这是图像中出现焦点的试样高度。SEM的景深是LM的多倍。这意味着可以获得很好的形貌细节。对于许多用户来说，试样图像的三维（3D）外观是SEM最有价值的特点。这是因为，即使放大倍数较低，此类图像也能提供比LM所能提供的更多有关试样的信息。下图是蜜蜂的头部，显示了眼睛和触角。请注意，在SEM图像（右图）中，天线全部对焦。
图5来自光学显微镜和SEM的两张并排图像，蜜蜂的触角。
3显微分析：SEM可对样品成分进行分析，包括化学成分信息以及晶体学、磁学和电学特征。
4.SEM的技术限制
很难对潮湿或液体样品成像。电子束需要真空，当液体从样品中抽出时，湿的样品可能会破坏真空，这也会对电镜造成损坏。多数情况下，潮湿的样品需要干燥，而且SEM不涉及液体、化学反应和气-气系统的实验。不过，环境扫描电镜（ESEM）可以进行这些实验。
高加速电压下成像需要镀导电膜。如果样品不导电，在常规加速电压下（＞5KV）由于带负电的电子束与样品的相互作用（入射电子到达样品时样品将带负电，然后电子束被样品排斥）而无法形成图像。大多数本身不导电的样品需要涂上一层薄薄的金属或碳使其导电，然后才能在SEM中成像。只有在低加速电压下，才可能实现不导电样品不镀导电膜成像。
不能形成彩色图像。由于电子波长远小于可见光波长，因此SEM图像是单色的（灰度），而不是彩色的。从SEM看到的任何彩色图像都是通过后处理技术着色的。SE图像是最常见的SEM图像形式，实际上是探测器收集到的电子的强度衬度图。SEM图像是以单色灰度数字图像的形式显示的，其中每个像素都只包含强度信息，灰度从强度最弱的黑色到强度最强的白色不等。
很难精确测量高度。SEM无法量化小尺寸的表面粗糙度，而原子力显微镜（AFM）适合对表面粗造度及垂直精度表征。SEM无法直接测量高度（z轴），这通常需要两幅相对倾斜的图像来创建三维图像，并需要专门的处理软件。
很难对表层以下的结构成像。由于电子束与样品之间的相互作用体积很小，因此SEM无法在样品表面以下成像。要检查次表面结构，必须切割样品的横截面，这通常需要借助宽离子束抛光（BIB）或者聚焦离子束（FIB）加工的帮助。
无法原子成像。SEM的分辨率不足以对单个原子成像。此外，用SEM对小于1微米的区域进行元素定量分析非常困难。这是由于电子束与样品之间的相互作用体积通常在微米范围内。可以通过降低电子束加速电压来减少相互作用体积。然而，信号的相应减少会导致难以获得有用的定量数据。
无法成像带电分子。SEM也无法可靠地成像在基质中移动的带电分子或离子。例如，某些物质（如Na+）在电子束下会挥发，因为负电子束会对带电物质产生作用力。
尽管很多电镜室规定不检测磁性材料，但这只是出于管理上的需求，而不是技术本身的限制。SEM可以用于观察磁性材料的表面形貌、结构和成分等特征。不过，在观察磁性材料时需要注意一些问题，例如磁性材料可能会受到磁场的干扰，导致图像失真或不清晰（需要消磁处理），在物镜强磁场模式下，磁性材料可能会吸附在极靴上，污染镜筒（需要固定好样品，设置合理的工作距离，至少＞5mm）。
5.SEM的结构
SEM的结构在许多方面都类似于光镜，这两种显微镜都有照明光源（灯泡与电子光源）、聚光透镜（玻璃透镜与电磁透镜）、探测器（眼睛与电子探测器）。在讨论SEM时，经常会将这些特征进行比较。
图6光镜和SEM结构类比
SEM使用电子枪产生的高能电子束，经磁透镜处理后聚焦于试样表面，并在试样表面进行系统扫描（光栅扫描）。与光镜中的光不同，SEM中的电子永远不会形成样品的真实图像。
SEM图像是电子束以矩形扫描模式（光栅）逐点照射样品的结果，每个点产生的信号强度反映了样品的差异（如形貌或成分）。观察屏与试样上的电子束同步扫描，试样上的点与图像观察屏上的点之间是一对一的关系（逐点平移）。通过减小试样上扫描区域的大小来提高放大率。
图7SEM成像原理示意图
为了在图像中产生对比度，电子束与试样相互作用产生的信号强度必须在试样表面进行点对点测量。试样产生的信号由电子探测器收集，通过闪烁器转换为光子，在光电倍增管中放大，然后转换为电信号，用于调节观察屏幕上的图像强度。
SEM的主要组成部分包括：电子枪、真空系统、水冷系统、镜筒、样品仓、探测器和成像系统。
5.1电子枪的工作原理
电子枪指的是SEM产生电子束的顶部区域。最简单、最便宜的电子枪使用发夹钨灯丝来产生电子，其他更昂贵的电子枪使用六硼化镧（LaB6）或单晶钨。对于LaB6或单晶钨，要发射电子要么进行加热，要么使用较大的电势将电子从晶体中拉出，或者两者兼而有之（肖特基热场电子枪）。
电子枪产生电子源（由脱离原子的自由电子组成），并在1-30kV的能量范围内被加速。传统的电子枪由三部分组成，即一根灯丝、一个Wehnelt（栅）帽和一个阳极。在热发射灯丝中，钨丝被灯丝电流加热至白热化，这导致了热电子的发射，发射出的电子克服了材料的功函数能量。
图8钨灯丝电镜韦氏帽组件
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