说明：本文华算科技主要介绍了光学显微镜与扫描电镜的成像原理及性能对比，详细阐述了扫描电镜的工作原理，包括电子束的产生与聚焦、电子束扫描与信号激发、信号检测与成像等步骤，并说明其在材料和化学研究中的重要性及应用。
从光学显微镜到扫描电镜
中学阶段，我们都接触过光学显微镜。光学显微镜以可见光为成像信号，利用凸透镜的折射作用，将样品表面反射或透射的光线聚焦，最终在人眼或成像设备上形成放大图像。
图1：光学显微镜及成像原理示意图。
尽管光学显微镜在早期微观研究中发挥了重要作用，但受限于可见光的物理特性，它存在难以突破的性能瓶颈。
根据阿贝成像原理及分辨率极限公式：
d：显微镜能分辨的最小距离，即分辨率，这个值越小，代表分辨能力越强；λ：照明光源的波长；NA：物镜的数值孔径，这是一个描述物镜集光能力的参数，其公式为：NA=n⋅sinα，通常被视为常数1。
可见光波长范围为400-760 nm，光学显微镜的最高分辨率仅能达到约200 nm，无法观察纳米级结构（如直径 20 nm 的纳米颗粒、材料表面的纳米级缺陷），而这些结构往往对材料性能（如催化活性、力学强度）起关键作用。
为突破这一局限，20世纪30年代，科学家开始探索以电子束为成像信号的显微技术。随着电子光学技术、真空技术和信号检测技术的逐步成熟，扫描电镜实现商业化生产，并不断迭代出高分辨率、多功能的型号，如今成为材料和化学研究中不可或缺的核心表征工具。
图2：光学显微镜和扫描电子显微镜的对比。https://microscopy.unimelb.edu.au/news-and-events/em-series-101-1
扫描电镜的工作原理
扫描电镜以电子束为成像信号，通过电子束扫描样品表面，收集并分析电子与样品相互作用产生的各类信号，从而获得样品表面微观形貌、元素组成等关键信息。其核心优势在于高分辨率与大景深，能呈现出样品表面立体、清晰的微观图像，分辨率可达到纳米级别，远超光学显微镜。
图3：扫描电镜外观构造及核心结构示意图。
具体原理可简单概括为以下步骤：
电子束的产生与聚焦
扫描电镜的电子枪是电子的“发源地”，根据发射方式不同，主要分为三类：
钨灯丝电子枪：通过加热钨丝（温度约2700 K）使电子逸出，具有成本低、易维护的优势，但电子束亮度较低，分辨率约5-10 nm，适合基础形貌观察。
LaB₆电子枪：利用六硼化镧（LaB₆）的低逸出功特性，在较低温度（约1800 K）下发射电子，亮度为钨灯丝的10-100倍，分辨率可达2-5 nm，但需较高真空度（10⁻⁵-10⁻⁶ Pa）。
场发射电子枪：在强电场（约10⁷ V/cm）作用下，电子从金属尖端直接逸出，亮度最高、相干性最好，分辨率可突破1 nm，是高分辨扫描电镜的核心部件，但对真空度要求极高（10⁻⁷-10⁻⁹ Pa）。
图4：扫描电镜三种电子枪及示意图。
电子枪发射的电子经聚光镜（通常为两级）初步聚焦，缩小电子束直径并调节束流大小；随后，物镜进一步将电子束聚焦成直径仅几纳米的“入射电子束”，为高分辨率成像奠定基础。
电子束扫描与信号激发
在扫描线圈的精准控制下，入射电子束按“光栅状”规律逐点、逐行地扫描样品表面（类似打印机喷墨的轨迹），扫描范围可根据需求调节（从几纳米的局部区域到几毫米的大范围）。
当电子束与样品表面的原子相互作用时，会激发多种信号，这些信号携带了样品的微观结构和成分信息，主要包括：
图5：电子束与样品作用激发的信号。
二次电子（SE）：电子束与样品表面原子的核外电子发生非弹性碰撞，使核外电子获得能量后脱离原子形成二次电子。这类电子能量低（通常 eV），仅来自样品表面几纳米到几十纳米的深度，对表面凹凸变化极为敏感，是反映样品形貌的核心信号。
图6：二次电子形成示意图。
背散射电子（BSE）：部分入射电子与样品原子的原子核发生弹性碰撞后，改变运动方向并反射回来形成背散射电子。其能量高（接近入射电子能量），来自样品较深区域（几百纳米到几微米），且信号强度与样品的原子序数正相关——原子序数越大，背散射电子强度越高，可用于区分样品的成分差异。
图7：背散射电子产生示意图。
特征X射线：入射电子若将样品原子的内层电子击出，外层电子会跃迁到内层空位，释放出特定能量的X射线（特征X射线）。不同元素的特征X射线能量不同，通过检测这些射线可确定样品的元素组成及含量。
图8：特征X射线和俄歇电子产生示意图。
俄歇电子：外层电子跃迁时释放的能量若传递给其他核外电子，使该电子逸出样品表面，形成俄歇电子。其能量与元素种类相关，可用于轻元素（如C、O、N）的表面成分分析，但应用范围相对较窄。
信号检测与成像
不同信号需通过对应的探测器捕捉，并转化为可用于成像的电信号：
二次电子探测器：采用“闪烁体–光电倍增管”结构，二次电子撞击闪烁体产生荧光，荧光经光电倍增管转化为电信号，放大后传输至成像系统。由于二次电子对形貌敏感，成像可清晰呈现样品的三维立体结构。
图9：背散射电子像、二次电子像及共成像对比图。
背散射电子探测器：分为半导体探测器和闪烁体探测器，直接接收背散射电子并转化为电信号。其成像的明暗对比反映成分差异——例如，合金中原子序数高的金属相图像较亮，原子序数低的基体图像较暗，可直观观察元素偏析情况。
图10：二次电子像与背散射电子像对比图。
X 射线能谱仪（EDS）：与扫描电镜配套使用，通过检测特征X射线的能量和强度，生成 “元素定性谱图”（确定样品含有的元素）和 “定量分析结果”（计算各元素的原子百分比或重量百分比），检测范围覆盖从锂（Li）到铀（U）的绝大多数元素，检测限通常为0.1%-1%（重量百分比）。
图11：SEM图像及EDS元素分布图。DOI：10.1021/acsearthspacechem.9b00014。
总结
扫描电镜作为材料和化学专业研究生科研工作中的重要工具，掌握其基础原理能为后续的研究工作提供有力的支持。希望通过本文的介绍，大家能对扫描电镜有更清晰、更全面的认识，在实际实验中能熟练运用SEM解决科研问题。
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