一、关于扫描电镜的几个基本认识

1. 1. 扫描电镜是什么？扫描电镜能做什么？
   扫描电镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）本质是一台显微镜，是一台利用电子束为光源在真空环境中工作的高级显微镜。所以与光学显微镜一样SEM也只是一个微观观察工具而已，已经基本成为科研基础设施了。关于扫描电镜具体功能这里引用《Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis》一书中的一段典型描述：“The scanning electron microscope (SEM) is an instrument that creates magnified images which reveal microscopic-scale information on the size,shape, composition, crystallography, and other physical and chemical properties of a specimen。”
   简而言之，扫描电镜是表征物体微观尺度物理化学特征的一种工具。
2. 2. 光学显微镜为啥不行了？
   光学显微镜分辨力瑞利公式:

   表示显微镜的最小分辨距离（单位：米 m 或其它长度单位）。两个物点之间的距离小于 时，将被视为一个点，无法区分。
   表示使用的光波波长（单位：米 m）。通常使用可见光的平均波长
   是物镜与样品之间介质的折射率（如空气：n≈1.0，水：n≈1.33）。
   是物镜孔径角的一半（即物镜光锥的半角）。
   为数值孔径，空气中小于1，油侵透镜约为1.5-1.6。

使用绿色光（ ）和一个高性能的油浸物镜（  = 1.4），其理论分辨率极限为：

这意味着该显微镜能够清晰区分两个相距至少约 0.24 的点。
人眼裸眼分辨率0.1-0.25

1. 实际有效放大倍数M约400倍。
2. （PS关于分辨率与分辨力这两个术语，不同学者对此有不同看法，本人倾向于施明哲老师的观点在SEM行业分辨力可能比分辨率更易理解。分辨率用在类似屏幕像素分辨率这种场景下比较合适，而扫描电镜分辨能力使用分辨力较为容易理解，电镜能分辨两个物像之间的最小距离，与传统分辨率的定义还是有区别的。）
3. 3. 扫描电镜的优/劣势
   SEM的优点是高分辨率，成像质量远远优于光学显微镜，可以观察从微米级别到纳米级别的细节，并且景深大，图像立体感强，能清晰呈现三维形貌。此外，sem还具有很强的拓展性，可以拓展加装能谱，阴极发光，拉曼等探测器进行分析测试。
4. SEM的缺点是制样要求严格，SEM需要真空环境，一些含水含挥发分样品难以直接观察，需要特殊处理（比如冷冻）一些不稳定样品还可能被损伤，成像为灰度图，无真彩色成像，此外，SEM设备相对昂贵，有一定技术要求，分辨力也有极限，并且观察也只是集中在样品表面，无法深入结构内部。
5. 4. 扫描电镜基本原理及图像的本质
   扫描电镜基本原理是利用高速电子束激发样品产生特定信号，对应探测器接收信号，随后模数转换系统将对应信号/X射线信号处理调制成灰度图。
6.    主要探测器类型有：
7.    背散射探测器BSD（Backscattered Electrons Detector）； 二次电子探测器SED（Secondary Electron Detector）；能谱探测器EDS（Energy Dispersive X-ray Spectrometry Detector）；备阴极发光探测器CL（Cathodoluminescence Detector）；背散射衍射EBSD（Electron Backscatter Diffraction）；拉曼光谱探测器（Raman spectroscopy）；以及高端的双束系统（FIB）等。
   
   SEM成像过程可以简化理解为一个物理过程和数字调制过程。

   物理过程即电子束与样品交互过程。

   数字调制过程：
   不同探测器的具体调制方式不同，但基本原理都是把强度映射为灰度

1. 5. 扫描电镜基本构成
   从功能模块化角度扫描电镜系统可以简单分为电子光路系统，探测器系统，控制系统，真空系统等基本系统。
2. 6. 扫描电镜的主要类型
3.    电子枪是SEM产生电子束的核心部件，根据电子枪的类型，可以将SEM分为三个主要大类。
4.    热离子发射SEM
5.    主要是钨灯丝SEM和晶体灯丝SEM，比如六硼化镧灯丝LaB₆。热离子发射的原理是对阴极材料通电加热，使其加热到很高温度（钨丝约2700°C，LaB₆约1800°C）使阴极材料内部电子获得足够动能克服材料表面功函数势垒，逃逸到真空中。
6.    场发射SEM（Field Emission SEM）
7.    阴极材料使用极细的单晶钨针尖，通电后在针形成强电场，在强电场作用下，阴极材料内部电子通过量子隧穿效应逃逸到真空中。根据对灯丝是否强加热又分为热场发射和冷场发射两类。 
8.    热场发射：将灯丝尖端加热到上千K，也称为肖特基场发射（Schottky Gun）。稳定性和束流更大，虽然能量散布略宽于冷场发射，但综合性能最好，是目前最主流的类型。
9.    冷场发射(Cold FEG)：一般在室温下工作，灯丝亮度最高，能量波动范围最窄（单色性最好，色差小）但束流稳定性稍差，需要定期烧洗灯丝表面的污染物。
10.     7. 扫描电镜操作的本质
    在使用电镜过程中一般涉及到调节加速电压，束斑，束流，扫描时间，光阑孔径（部分电镜采用固定光阑孔径，无法调节）等参数，是否想过这些参数的底层调控逻辑？这些非机械调控我们能控制的无非就是电流电压，那不同的电流电压到底改变了什么？有经验的操作者可能会说这些参数的改变会影响信号强度，进而影响成像，这样认识没问题。但我们不妨再想一步，探测器接收的信号主要来自样品表面的激发区域，理所应当的我们调节的各种参数最终影响的便是电子束的作用区域（Interaction Volume）。或者换句话说，我们调节电镜参数是调节电子束与样品的Interaction过程，因此理解电子束与样品的相互作用原理是运用好电镜的关键。
11.    以上是关于扫描电镜的一些基础认识，有利于初学者建立对扫描电镜的宏观认识，为深入理解扫描电镜奠定基础。
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