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(wú)法看到的微小特征或物體。SEM是通過(guò)使用電子束來(lái)放大圖像，而不是光學(xué)顯微鏡中用來(lái)形成圖像的光。SEM的圖像是通過(guò)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(zhǎng)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)。現(xiàn)代SEM可將物體放大到其原始尺寸的一百萬(wàn)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(huì)發(fā)射出具有獨(dú)特能量的X射線（也叫特征X射線），通過(guò)檢測(cè)這些X射線可以確定被測(cè)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(jí)和納米級(jí)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(duì)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(wú)法分辨小于200μm（0.2毫米）的物體。換句話說(shuō)，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(lái)就是一個(gè)物體，因?yàn)槿搜蹮o(wú)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(huì)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(wú)法再將它們分辨為兩個(gè)獨(dú)立的物體，而會(huì)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(jiàn)，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(jiàn)光作為探測(cè)物體或與物體相互作用的信號(hào)。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(guò)無(wú)限增大放大倍率來(lái)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(guò)一定的放大倍率，就無(wú)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(guò)該倍率就無(wú)法顯示更多細(xì)節(jié)。

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

可見(jiàn)光分辨圖像細(xì)節(jié)的能力受限于其相對(duì)較大的波長(zhǎng)（λ = 380-760 nm）（見(jiàn)圖1）。使用波長(zhǎng)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(zhǎng)較小的輻射信號(hào)（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(zhǎng)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(zhǎng)大小的電磁波譜

因此，SEM和TEM采用電子束來(lái)探測(cè)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。現(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(lái)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(duì)比度（見(jiàn)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(wú)法達(dá)到這種分辨率。