扫描电子显微镜（SEM）—从基础出发、一切尽在掌握之中

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1.  SEM 与 TEM 的不同在于成像电子不同。

2. 二次电子成像很好的反应样品的形貌。

3. SEM 图中的明暗差别来自何处？— 形貌衬度与成分衬度。

4. 为什么 SEM 图更具立体感？— 分辨率固然重要，景深同样不可忽视。

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SEM 与 TEM 的殊与同？

无论是 SEM 还是 TEM，其主要目的都是成像。光与物体作用，使其呈现于人眼；在 SEM/TEM 中，电子取代光，与物体相互作用，使其呈现于屏幕。高速电子与样品相互作用后发射出一系列的“电磁波”（如图1）。

▲图1 图片来源于扫描电子显微学（PPT）

SEM 与 TEM 的不同之处在于收集不同的电子用于成像。SEM 收集二次电子和背散射电子；TEM 收集透射电子和散射电子。一个不太恰当的比喻：在阳光下，你既可以看到大树，也可以看到大树的影子。大树好比 SEM 成像；大树的影子好比 TEM 成像。显而易见，影子虽然也能反映大树的外形，但是大树原型更加立体，可观。如图2 所示：

▲图2 图片来源于百度图片

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SEM的成像原理和基本构造

上文中已经提到 SEM 收集二次电子或者背散射电子成像。二次电子和背散射电子的发射方向都位于样品的上方，所以 SEM 的探测器也位于样品的上方（这也是与 TEM 一个很大的不同之处）。SEM 的整体外形图和构造图如图3 和图4 所示。

▲图3

▲图4 图片来源于扫描电子显微学（PPT）

SEM 中电子从电子枪发射后，被加速、然后通过磁透镜聚焦，最终以点的形式照射到样品上。点的宽度与电子枪类型、加速电压等有关，最细可达到 1 nm。逐点扫描并收集二次电子或背散射电子，扫描样品的同时，显示屏逐步显示图像。图4 中的关键部件是电子探测器。目前探测器的种类繁多。根据种类不同，可以区分二次电子和背散射电子。

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二次电子成像和背散射成像原理与差异

电子进入样品后，一部分散射、一部分被吸收、还有一部分透射。被散射电子中，角度大而被散射回去的部分称为背散射电子。这部分电子用于成像就叫背散射成像。背散射有分为两大类：弹性背散射和非弹性背散射。弹性散射不损失能量，只改变方向。非弹性散射不仅改变方向，还损失能量，如图5b 所示。

▲图5 图片来源于扫描电子显微学（PPT）

样品本身的电子吸收能量后，可能发生很多变化。其中原子外层的电子可能被电离，从而逃逸、形成二次电子，如图5a 所示。如果从能量的角度考虑，弹性背散射电子能量最大（等于入射电子能量 Eo），非弹性散射电子能量较小（分布范围宽），二次电子的能量最小（<50 ev），如图6 所示。

▲图6 图片来源于扫描电子显微学（PPT）

二次电子能量小，样品中绝大部分二次电子被再次吸收，从而很难从样品中逃逸出来，只有浅表层原子的二次电子才能逸出。所以二次电子能够很好的反映材料的形貌，受厚度干扰少。背散射电子同样可用于成像。因为背散射电子穿透能力强，深入样品内部，再被反射回来。所以其成像能力没有二次电子好。但是因为背散射电子的强度和原子质量直接相关（图7），所以背散射电子可用来区别不同元素。

▲图7 图片来源于《Scanning Electron Microscopy and X- Ray Microanalysis》

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形貌衬度与成分衬度的特点与用处

一张 SEM 图中，通常会有些区域暗，有些区域亮。这些亮度的不同主要来自于两类衬度：形貌衬度和成分衬度。如果是纯物质单组份样品，其 SEM 图中倾斜度比较大的侧面会比较亮。以δ表示二次电子的产率，其与倾角成正相关，如图8 所示。这种因为倾角不同而造成的明暗差异称为形貌衬度。

▲图8 图片来源于《扫描电镜与能谱分析技术》

上文已经提及背散射电子的数量和原子序数有关联。这一关联引起了所谓的成分衬度。在同一平面上，原子序数越大，背散射电子越多，最终的图像就越亮，如图9所示。利用这一特点可以判断样品内相应区间原子序数的差别，也可进行微区成分分析。

▲图9

图片来源于Nano Letter ASAP :"Growth of Catalyst-Free Epitaxial InAs Nanowires on Si Wafers Using Metallic Masks"

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为什么 SEM 图看起来立体感很好——何为景深？

比较 SEM 图和普通光学显微照片或者 TEM 照片，会发现 SEM 图看上去更具立体感。一个很重要的原因是SEM 景深好。对于景深，有明确的定义和解释，具体请参考《扫描电镜工作原理和结构》这本书（P24-26 页）。个人理解景深其实就是样品在竖直方向的成像能力。可以与分辨率比较：粗略的认为分辨率是在水平方向上的分辨能力。景深刚好与分辨率相对应，是竖直方向上的分辨能力（喜欢摄影和玩单反的朋友应该对景深比较了解，请赐教）。图10 中 b 点为电子束汇聚点，a 点和 c 点分别位于 b 点的上方和下方。图中D 即为景深。

▲图10 图片来源于《扫描电镜与能谱分析技术》

其中 D 的表达式如图11 所示：

▲图11 图片来源于《扫描电镜与能谱分析技术》

图11 中 M 为放大倍数、α为孔径角，根据图11 中的表达式可知：可以通过调节孔径角和放大倍数来调节景深。表征时放大倍数常被固定，无法调节，所以电子束孔径角是唯一可调的参数。