SEM专题 | 扫描电子显微镜初学者指南

1 什么是扫描电子显微镜？

与其他显微镜一样，扫描电子显微镜（SEM）的主要功能也是放大人类肉眼无法看到的微小特征或物体。SEM是通过使用电子束来放大图像，而不是光学显微镜中用来形成图像的光。SEM的图像是通过高能量的电子束在样品表面扫描获得的，因此被称为扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）。

由于电子的波长较小，与光相比，电子能够在更大程度上观察材料的精细特征/细节。现代SEM可将物体放大到其原始尺寸的一百万倍，并能分辨出尺寸小于1 nm的特征。同样，电子束与试样相互作用后，会发射出具有独特能量的X射线（也叫特征X射线），通过检测这些X射线可以确定被测材料的元素成分。因此，SEM是一种用于材料表征的工具，可提供有关材料的表面或近表面形貌。结构、成分和缺陷的信息。利用SEM，科学家可以观察亚微米级和纳米级的表面，以研究材料特性。如今，SEM已成为功能最强大、用途最广泛的科学仪器之一，对各行各业的发展，譬如材料、地质、半导体以及生命科学领域，发挥了重要的作用。

2 SEM的图像分辨率

人眼无法分辨小于200μm（0.2毫米）的物体。换句话说，人眼的分辨率为200 μm，而光学显微镜可将图像放大到1000倍，以分辨小至0.2μm的细节（高端的光学显微镜才能达到）。分辨率极限被定义为两个物体之间可分辨的最小距离，即最小可分辨距离。例如，距离小于200μm的两个物体，在人眼看来就是一个物体，因为人眼无法分辨尺寸小于200μm的细节。因此，200μm可视为人眼的分辨率极限。

而在光学显微镜下观察相同的物体，会显示为两个不同的物体，因为光学显微镜可以轻松区分小于200μm的距离。事实上，物体之间的距离可以进一步拉近到0.2μm，在光显微镜下仍能保持各自不同的特征。但是，如果物体之间的距离进一步减小到小于0.2μm，光显微镜就无法再将它们分辨为两个独立的物体，而会显示为一个整体。因此，0.2μm可以定义为光学显微镜的分辨率极限。由此可见，最小可分辨距离的值越小，显微镜的分辨率就越高。

光学显微镜和人眼都能使用可见光作为探测物体或与物体相互作用的信号。在光学显微镜中观察细节的能力比肉眼更强，这要归功于用于放大物体图像的镜头/光圈系统。理论上讲，可以通过无限增大放大倍率来不断放大图像。然而，仅靠提高放大倍率是不可能不断揭示物体更小细节的。超过一定的放大倍率，就无法分辨图像中的细节，这是由于成像技术和人眼的分辨能力所造成的限制。

显微镜的分辨能力决定了最大的有效放大倍率，超过该倍率就无法显示更多细节。

对于光学显微镜，200 μm/0.2 μm的有效放大倍率约为x1000。对于SEM ，200 μm/1 nm的有效放大倍率通常为x200 000。

可见光分辨图像细节的能力受限于其相对较大的波长（λ = 380-760 nm）（见图1）。使用波长较短的光（如紫外线）和浸在油（高折射率）中的透镜可将分辨率提高到0.1μm左右。如果使用波长较小的辐射信号（如电子束）形成图像，则可以达到更高的分辨率极限，因为波长越小，分辨能力越强，图像中显示的细节也就越多。

图1 光镜、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）所用波长大小的电磁波谱

因此，SEM和TEM采用电子束来探测材料，从而获得比光学显微镜分辨率更高的图像。例如，加速电压为100 kV 的电子束（λ =0.000004 μm）可以达到0.24 nm 的分辨率。分辨率的实际极限取决于透镜的像差和缺陷。现代FE-SEM通常在 20-30 kV加速电压下工作，可达到＜1 nm的图像分辨率1。备注1：现代SEM仪器的分辨率是由制造商使用适合该仪器的试样来证明的。例如，由于锡球/金标样具有导电性和强烈的对比度（见图2），因此SEM通常使用锡球/金标样。然而，实际样品中的细节通常无法达到这种分辨率。图2 锡球的二次电子图像，从低倍到高倍（放大倍率100,000 到 1,000,000

）都显示出良好的对比度。

3 SEM的图像形成

SEM由三个主要部分组成：电子光学柱、样品室和计算机/电子控制器，如图3所示。电子柱的最顶端是一个电子枪，用于产生电子束。位于柱内的电磁透镜将电子束聚焦到一个小直径（几纳米）的探针上。柱内的扫描线圈将探针在位于样品室内的样品表面进行光栅扫描。电子枪、电子光学柱和样品室都处于真空状态，以便产生和推进电子束。

图3 FEI Quanta 3D 场发射扫描电镜及SEM

构造示意图

电子束中的电子进入样品表面然后穿透约几微米的深度（具体的穿透深度取决于加速电压的大小），与样品的原子相互作用后产生各种信号，如二次电子SE和背向散射电子BSE以及特征X射线，这些信号被收集和处理，就可以获得样品表面的图像和化学成分。SEM所获得图像的最终横向分辨率与电子探针的直径相对应。电磁透镜和电子枪设计的进步使探针直径变得非常细，从而使图像分辨率＜1nm。表1和图4比较了光学显微镜和TEM与SEM的工作原理，以便从另一个角度了解SEM成像的原理。

图4 光学显微镜、TEM和SEM

图像形成模式对比示意图

表1 光镜、SEM和TEM技术特点对比

特征

光镜SEMTEM形成图像的辐射信号可见光电子电子辐射波波长380–760 nm具体取决于可见光的颜色20 kV0.008 nm200 kV0.0028 nm聚焦透镜玻璃电磁透镜电磁透镜有效放大倍数1000倍20万倍200万倍分辨率200nm1nm0.1nm图像形成原理光源发出的光被样品表面散射，经物镜引导后在人眼的视网膜上形成图像。图像还可以显示在电子显示屏上电子源发出的电子在真空中穿过装有电磁透镜的柱子，这些透镜将电子聚焦到试样表面的小型探针上。电子源发出的电子在真空柱内移动。电子穿过薄薄的样品膜，然后通过电磁透镜聚焦和放大，在荧光屏上形成动画，或传输到电子显示屏上。图片类型真实图像。彩色图像。利用可见光形成的图像，人眼可以直接观察到经过处理/重组的图像。灰度图像（黑白）。利用电子形成的图像无法被人类直接观察到。真实图像被投射到屏幕上，人眼可以观察到。灰度图像样品制备需要需要，也可省略需要，复杂样品类型薄片、块体块体薄片（＜100nm）应用领域生命科学/材料生命科学/材料生命科学/材料活体样品检查可以观察生物样品不能不能景深范围4倍15um；1000倍0.2um10倍 4mm；20万倍，0.5um很小成本低适中高观察特征表面表面或亚表面微观结构图像解释容易适中困难

4 使用SEM可以获得什么信息

SEM用于观察和成像各种材料的显微结构和纳米结构表面细节，如金属、合金、陶瓷、聚合物、岩石矿物、腐蚀沉积物、生物样品等。这些材料可以是固体或粉末状的导电或不导电材料，可以在加工制备（切片、研磨、抛光、蚀刻、涂层等）状态下进行检查。

SEM能够检查干燥或潮湿状态下的材料，并从精细结构细节中获取化学信息。FE-SEM可以分辨出相距仅1nm的表面特征（即横向空间分辨率为1nm）。超强的大景深能力可使样品的大面积区域在同一时间保持聚焦，从而在SEM图像中产生三维特征（见图5）。此外，可同时使用二次电子SE（用于形貌对比）和背散射电子BSE（用于形貌和/或成分对比）成像1。备注1：从某种意义上说，可以简单的把SE理解为形貌像，尽管如此，也不是绝对的。但不能简单的把BSE理解为成分像，有两个原因，第一，BSE也能反应形貌特征，也是很通用的技术，比如4-6分割的外环半导体BSE探测器，或者低加速电压下的BSE信号，因为相互作用区浅，也能反应形貌细节。第二，BSE反应的是不同的相之间的成分对比度，而不是元素的对比度，比如氧化铝和氧化锆之间有差异，而不是指氧和铝，或氧和锆之间的元素对比度差异。另外需要注意的是，闪烁体探测器可以同时接收SE和BSE，也就是存在一定的混合信号。详细的内容，会在另外的专题介绍。图5 与光镜比，SEM

具备非常大的景深

样品的元素化学信息通常是通过SEM附件——X射线能量色散谱仪（EDS，简单的说话就是能谱仪) 来探测获取，可获得从铍到铀的定性和定量元素信息，检测限约为0.2-0.5wt%。SEM的电子束可穿透样品几μm，具体取决于样品密度、电子束加速电压等。典型应用包括观察金相制备的样品（如钢），以研究表面形态、晶粒尺寸/形状、夹杂物、沉淀物、树枝状物、晶界等。它还可用于观察未加工制备状态下的材料，例如用于冶金失效分析的断裂表面、用于电子失效分析的电子设备、腐蚀沉积物、催化剂形状、尺寸和表面结构、聚合物添加剂、岩石矿物样品等。除块状样品外，它还用于检测沉积在基底上的涂层和薄膜。

表2重点介绍了SEM和相关技术的各种应用和可获得的信息范围。

表2 SEM和相关技术的各种应用和可获得的信息范围

SEM获得的信息及相关技术1 形态特征（晶粒形状、沉淀大小、尺寸、质地和体积分数，以及物理特征的相分布）SE成像2 表面形貌（表面特征的分布/排列、缺陷、裂缝、空隙、结构）SE成像3 原子序数或成分对比、晶界、磁性材料中的磁畴，BSE 成像3 显微分析、表面结构分析、元素鉴定和定量、线扫描、X射线分布图，EDS或EBSD4 岩石矿物、有机物样品中的孔隙大小/形状/分布，低温成像5 对聚合物、岩石等非导电带电样品进行成像,或在水化、热循环环境下进行原位实验 ESEM6 在电子工业中印刷电路板，使用电子束光刻技术EBL。应用材料鉴定、材料科学、法医学、冶金和电子材料失效分析、腐蚀科学、岩石矿物学、地质科学、纳米设备、聚合物科学、催化、半导体设计、海水淡化、生命科学、石油和天然气、采矿样品类型金属、合金、半导体、聚合物、涂层、陶瓷、岩石、沙子、腐蚀产品、催化剂、膜、纳米碳管、纳米粉体、组织、细胞、昆虫、树叶工业应用学术和研究、石油和天然气、发电、金属和合金、工业制造、汽车、航空、航天、石化、地球科学、纳米技术、半导体、计算机、化学加工业、采矿样品形态形态：固体、块状、薄片、纳米结构、粉末、颗粒状态：干、湿样品尺寸：1 毫米至 150 毫米（通常为 10-20 毫米）分辨率1nm分析深度1-5um，取决于加速电压和样品密度元素的探测限0.2 wt%（取决于相对元素含量和原子质量）

在材料科学和生命科学领域，SEM具有分辨率高、景深大、成分信息多、分析时间短、使用和图像解读相对简单等优点，因此成为学术界、研究领域和工业界使用最广泛的仪器之一。

尽管SEM能为各种材料生成丰富的形态和成分数据，但通常还需要使用其他各种分析工具来完成材料表征。这些工具的选择取决于所研究材料的类型和所需信息的性质。例如，如果目标是揭示材料的真实微观结构（而非表面形貌），则需要使用TEM，TEM还可以从纳米尺度的特征中提取化学信息。同样，如果需要了解块状成分，X射线荧光（XRF）是更好的选择，因为它可以分析大体积的材料。宏观层面的相鉴定通常使用X射线粉末衍射（XRD）分析。

此外，利用Auger和X射线光电子能谱，可以分析由几个原子单层构成的薄表面的结构和成分。所有这些技术都是科学家进行材料表征的重要工具，从其中一种技术获得的信息可以补充其他技术的信息。

5 SEM的优势和局限

SEM的优势包括：1.可检查多种类型的试样。2.相对简单快捷的试样制备。3.方便用户使用的自动化设备。4.快速成像、快速结果、高效分析和快速周转时间。5.相对简单的图像解读。6.大景深（能够一次聚焦大深度试样并生成类似三维的图像）。7.从Be到U的化学分析能力。8样品可以是干的或湿的。9非破坏性，有机类样品可能存在一定的电子束损伤 10. 可实现高空间分辨率（＜1 nm）。11. 一个多功能平台，可支持其他复杂的设备和技术，比如Ramn,SIMS，FIB等。 12.能够同时进行多种模式的成像（不同的电子探测器）、元素分布图以及EBSD衍射分析。13. 与更昂贵的设备相比，价格低廉，易于获得。

图6 SEM

的成像特点

SEM的限制包括：1 样品尺寸大小受到一定的限制，比如整块电路板放进去 2. 样品要为固体，液体不太容易观察，需要特殊的样品装置。 3. EDS 检测器无法检测H、He或Li元素。4.与湿式化学分析方法相比，EDS可探测的元素极限较低；5.样品需要在真空条件下进行检测，不能检查活体样品；6.仪器通常需要25m2的房间来安装，占地相对较大；7.非导电样品需要涂层（可以不镀金在低加速电压成像，但如果需要EDS分析，还是建议镀导电涂层），针对不同的用途，需要配置不同类型的镀膜仪。

6 SEM发展简史

20世纪初，光镜在分辨细胞的精细细节方面存在局限性，这为开发电子显微镜（EM）提供了条件。第一台EM是德国科学家Max-Knoll和电气工程师Ernst Ruska于1931年在德国开发的透射电子显微镜（TEM）。它采用的工作模式与光学显微镜类似，只不过是让电子束而不是可见光穿过样品的身体，在荧光屏上形成图像。当时，使用电子作为成像介质可获得10 nm的分辨率，而光镜的分辨率是200nm。当时达到的分辨率在今天看来可能并不高，但真正的突破是有史以来第一次成功地利用电子来创建物质图像。在接下来的几十年里，加速电压、透镜技术、真空系统、电子枪、电源和显微镜的整体设计都得到了改进，最终实现了原子成像（即原子分辨率）。由于Ernst Ruska "在电子光学和设计第一台电子显微镜方面所做的基础性工作"，于1986年获得了诺贝尔物理学奖。

德国物理学家Max Knoll于1935年提出了SEM的概念1。他提出用聚焦电子束扫描样品表面可以产生图像。另一位德国物理学家Manfred von Ardenne解释了这一技术的原理，并对电子束与样品之间的相互作用进行了深入研究。后来，美国科学家Zworykin, Hillier,和Snijder于1942年制造出分辨率为50nm的SEM2。Oatley教授和他的研究生D. McMullan于1952年在剑桥大学制造出了分辨率为50 nm的SEM3。1960 年，Everhart和 Thornley开发出基于闪烁体的二次电子探测器4。1965年，剑桥科学仪器公司（CambridgeScientific Instruments）进一步改进了该技术，开发出第一台商用SEM"Stereoscan"5。1 Knoll M (1935) Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper. Z TechPhys 16:467–4752 Zworykin VK, Hiller J, Snyder RL (1942) A scanning electron microscope. ASTM Bull 117:15–23

3 McMullan D (1952) Ph.D. Dissertation, University of Cambridge, Cambridge, UK

4 Everhart TE, Thornley RFM (1960) Wide-band detector for micro-microampere low-energy electron currents. J Sci Instr 37(7):246–248

5 Pease RFW, Nixon WC (1965) High resolution scanning electron microscopy. J Sci Instr

42:31–35

图7 1937 年，Manfred von Ardenne制造出第一台扫描电镜（STEM形式）；以及1965

年第一台商业化的扫描电镜

20 世纪60年代制造的SEM分辨率约为15-20nm。20 世纪70年代和80年代，分辨率分别提高到7nm和5nm（1 kV 时）。随后几十年，分辨率提高到3nm，然后又提高到1nm（1kV时）。目前，制造商宣称SEM的分辨率可达到0.5nm。尽管SEM是在TEM之后才发展起来的，但前者因其使用方便、样品制备简单以及能够生成类似于样品形貌的三维图像而迅速普及。

一些学者详细记录了扫描电镜的发展历史6-10。以下按时间顺序列出了SEM技术和仪器发展的主要事件：

1935年 扫描透射电子显微镜的概念 M. Knoll (1935)1938年 扫描透射电子显微镜（STEM）的概念和开发 M. von Ardenne1942年研制出分辨率为50nm的扫描电子显微镜 Zworykin et al.1952年 开发出分辨率为50nm的扫描电镜D. McMullan 和 C. Oatley 教授1956年信号处理、双偏转扫描线圈、改善图像质量K. C. A. Smith1960年二次电子闪烁体探测器、光电倍增管（提高了信噪比） Everhart 和 Thornley1957年 观察电压对比度 Oatley 和 Everhart1960年 立体三维 SEM 图像 O. C. Wells1963年研制出配有三个磁透镜和 Everhart-Thornley(ET) 探测器的 "SEM V "扫描电镜R. F. W. Pease1963-1965年 开发出第一台商用扫描电镜 "立体扫描仪"R. F. W Pease and Nixon1970年代 利用与SEM相结合的能量色散X射线谱仪 (EDS) 进行微化学分析 1970年代 六硼化镧 (LaB6) 阴极枪1970年代 场发射电子枪1970年代 电子背散射衍射EBSD的早期概念（晶体结构和晶粒取向）1970年代 扫描电镜中的阴极发光CL1973年用于在高温下检查样品的热台 1970-80年代 可容纳最大23厘米样品的大型试样平台1980年代 自动聚焦和自动定焦功能1980年代 掺钇硅酸盐闪烁体作为背散射电子探测器1980年代 低温（冷冻）台1990年代 可变压力扫描电镜/环境扫描电镜（避免样品充电）1990年代 计算机提高了自动化和分析水平2000年至今 用于研究纳米材料的高分辨率显微镜6. Oatley CW (1972) The scanning Electron microscope. Cambridge University Press, Cambridge7. Thomas G (1999) The impact of electron microscopy on materials research. In: Rickerby D,Valdre G, Valdre U (eds) Proceedings of the NATO advanced study institute on impact ofelectron and scanning probe microscopy on materials research (1999). Springer Science+Business Media, Dordrecht. Originally published by Kluwer Academic Publishers in 1999, pp 1–24.https://doi.org/10.1007/978-94-011-4451-38. McMullan D (2006) Scanning electron microscopy 1928–1965. Scanning 17(3):1759. McMullan D (1988) Von Ardenne and the scanning electron microscope. Proc Roy MicroscSoc 2:28310. Goldstein J et al (2003) Scanning Electron microscopy and X-ray microanalysis, 3rd edn.Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York