1 什么是掃描電子顯微鏡？

與其他顯微鏡一樣，掃描電子顯微鏡（SEM）的主要功能也是放大人類肉眼無法看到的微小特征或物體。SEM是通過使用電子束來放大圖像，而不是光學(xué)顯微鏡中用來形成圖像的光。SEM的圖像是通過高能量的電子束在樣品表面掃描獲得的，因此被稱為掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）。

由于電子的波長較小，與光相比，電子能夠在更大程度上觀察材料的精細(xì)特征/細(xì)節(jié)?，F(xiàn)代SEM可將物體放大到其原始尺寸的一百萬倍，并能分辨出尺寸小于1 nm的特征。同樣，電子束與試樣相互作用后，會發(fā)射出具有獨(dú)特能量的X射線（也叫特征X射線），通過檢測這些X射線可以確定被測材料的元素成分。因此，SEM是一種用于材料表征的工具，可提供有關(guān)材料的表面或近表面形貌。結(jié)構(gòu)、成分和缺陷的信息。利用SEM，科學(xué)家可以觀察亞微米級和納米級的表面，以研究材料特性。如今，SEM已成為功能大、用途泛的科學(xué)儀器之一，對各行各業(yè)的發(fā)展，譬如材料、地質(zhì)、半導(dǎo)體以及生命科學(xué)領(lǐng)域，發(fā)揮了重要的作用。

2 SEM的圖像分辨率

人眼無法分辨小于200μm（0.2毫米）的物體。換句話說，人眼的分辨率為200 μm，而光學(xué)顯微鏡可將圖像放大到1000倍，以分辨小至0.2μm的細(xì)節(jié)（光學(xué)顯微鏡才能達(dá)到）。分辨率極限被定義為兩個(gè)物體之間可分辨的最小距離，即最小可分辨距離。例如，距離小于200μm的兩個(gè)物體，在人眼看來就是一個(gè)物體，因?yàn)槿搜蹮o法分辨尺寸小于200μm的細(xì)節(jié)。因此，200μm可視為人眼的分辨率極限。

而在光學(xué)顯微鏡下觀察相同的物體，會顯示為兩個(gè)不同的物體，因?yàn)楣鈱W(xué)顯微鏡可以輕松區(qū)分小于200μm的距離。事實(shí)上，物體之間的距離可以進(jìn)一步拉近到0.2μm，在光顯微鏡下仍能保持各自不同的特征。但是，如果物體之間的距離進(jìn)一步減小到小于0.2μm，光顯微鏡就無法再將它們分辨為兩個(gè)獨(dú)立的物體，而會顯示為一個(gè)整體。因此，0.2μm可以定義為光學(xué)顯微鏡的分辨率極限。由此可見，最小可分辨距離的值越小，顯微鏡的分辨率就越高。

光學(xué)顯微鏡和人眼都能使用可見光作為探測物體或與物體相互作用的信號。在光學(xué)顯微鏡中觀察細(xì)節(jié)的能力比肉眼更強(qiáng)，這要?dú)w功于用于放大物體圖像的鏡頭/光圈系統(tǒng)。理論上講，可以通過無限增大放大倍率來不斷放大圖像。然而，僅靠提高放大倍率是不可能不斷揭示物體更小細(xì)節(jié)的。超過一定的放大倍率，就無法分辨圖像中的細(xì)節(jié)，這是由于成像技術(shù)和人眼的分辨能力所造成的限制。

顯微鏡的分辨能力決定了的有效放大倍率，超過該倍率就無法顯示更多細(xì)節(jié)。

對于光學(xué)顯微鏡，200 μm/0.2 μm的有效放大倍率約為x1000。對于SEM ，200 μm/1 nm的有效放大倍率通常為x200 000。

可見光分辨圖像細(xì)節(jié)的能力受限于其相對較大的波長（λ = 380-760 nm）（見圖1）。使用波長較短的光（如紫外線）和浸在油（高折射率）中的透鏡可將分辨率提高到0.1μm左右。如果使用波長較小的輻射信號（如電子束）形成圖像，則可以達(dá)到更高的分辨率極限，因?yàn)椴ㄩL越小，分辨能力越強(qiáng)，圖像中顯示的細(xì)節(jié)也就越多。

圖1 光鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）所用波長大小的電磁波譜

因此，SEM和TEM采用電子束來探測材料，從而獲得比光學(xué)顯微鏡分辨率更高的圖像。例如，加速電壓為100 kV 的電子束（λ =0.000004 μm）可以達(dá)到0.24 nm 的分辨率。分辨率的實(shí)際極限取決于透鏡的像差和缺陷?，F(xiàn)代FE-SEM通常在 20-30 kV加速電壓下工作，可達(dá)到＜1 nm的圖像分辨率1。

備注1：現(xiàn)代SEM儀器的分辨率是由制造商使用適合該儀器的試樣來證明的。例如，由于錫球/金標(biāo)樣具有導(dǎo)電性和強(qiáng)烈的對比度（見圖2），因此SEM通常使用錫球/金標(biāo)樣。然而，實(shí)際樣品中的細(xì)節(jié)通常無法達(dá)到這種分辨率。