从五大角度分析SEM和TEM的区别

有关扫描电镜与透射电镜的最大不同就是扫描电镜，它是对试样表面结构特征的一种观察；透射电镜是对试样内部精细结构进行观测；其次、扫描电镜相当和拍摄物体，所得为面，仅为面立体三维之图像；透射电镜相当于普通显微镜，它只是以波长较短的电子束代替能衍射的可见光来达到显微目的，它是一种二维图像，既能看到表面图像又能看到内层物质。

接下来，小编就从分析信号、结构、功能、衬度原理和对样品的需求五个方面大家进行交流讨论。

一、分析信号

1、扫描电镜

扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。当一束高能的入射电子轰击物质表面时，被激发的区域将产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射。同时，也可产生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子体）。

从原理上说，通过电子与物质之间的作用，可得到被测样品自身的形态，成分，晶体结构，电子结构以及内部电场或者磁场等多种物理，化学性质信息。

扫描电子显微镜就是基于以上不同的信息生成机制而使用不同的信息检测器从而达到选择检测的目的。如收集二次电子，背散射电子等，可以获得物质的微观形貌信息；对于X射线进行收集可以获得物质化学成分信息。

2、透射电镜

根据运动的微观粒子具有波粒二象性的观点，电子束流也具有波动性，而且电子波的波长比可见光要短得多（例如200千伏加速电压下电子波波长为0.00251纳米），显然，如果用电子束作光源制成的显微镜将具有比光学显微镜高得多的分辨能力。

更有甚者，因为电子在电场中会被电场力移动，移动电子又在磁场中会被洛伦兹力偏转，这些都为利用科学手段对电子束进行聚焦、成像提供了可能。

二、结构区别

1、扫描电镜

（1）镜筒

镜筒包括电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统。其作用是产生很细的电子束(直径约几个nm)，并且使该电子束在样品表面扫描，同时激发出各种信号。

（2）电子信号的收集与处理系统

在样品室内，扫描电子束作用于样品之后会产生各种信号，包括二次电子，背散射电子,X射线，吸收电子和俄歇（Auger）电子。在以上信号中以二次电子最为重要，二次电子是由入射电子激发出样品原子的外层电子并在样品表面下几个nm到几十个nm范围内生成，生成率的高低主要由样品形貌及组成决定。

扫描电镜像俗称二次电子像，二次电子像是研究试样表面形貌最有用的电子信号之一。用于探测二次电子的检测器，其探头为闪烁体，电子击中闪烁体后会在闪烁体中产生光线并通过光导管将此光线传输给光电倍增管，光信号是转换为电流信号后经过前置放大和视频放大将电流信号转换为电压信号最终送至显像管栅极。

（3）电子信号的显示与记录系统

扫描电镜图像显示于阴极射线管（显像管）中，照相机对其进行拍照和记录。显像管共有2根，其中1根用于观测，分辨率不高，属于长余辉管；另一类用于照相记录、分辨率高、为短余辉管。

（4）真空系统及电源系统

扫描电镜的真空系统由机械泵与油扩散泵组成，其作用是使镜筒内达到10的真空度。

电源系统供给各部件所需的特定的电源。

2、透射电镜

（1）电子光学部分

整个电子光学部分全部放置在镜筒内，从上到下依次排列有电子枪，聚光镜，样品室，物镜，中间镜，投影镜，观察室，荧光屏，照相机构和其他设备。电子光学部分按这些器件的作用还可以分为照明系统，样品室，成像系统以及图像观察与记录系统等。

照明系统

所述照明系统包括电子枪，聚光镜以及对应平移对中，倾斜调节装置。其功能就是给成像系统带来一束明亮，相干性强的照明光源。为了暗场成像，照明电子束可以倾斜2-3度。

① 电子枪

它由阴极、栅极和阳极构成。在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流。

② 聚光镜

聚光镜的作用是会聚从电子枪发射出来的电子束，控制照明孔径角、电流密度和光斑尺寸。

样品室

样品室中有样品杆、样品杯及样品台。

成像系统

成像系统通常包括物镜，中间镜，投影镜等。物镜分辨本领的高低决定着电镜分辨本领的高低，而中间镜与投影镜的功能就是把从物镜中拍摄出来的影像进一步放大。

图像观察与记录系统

该系统由荧光屏、照相机、数据显示等组成。

（2）真空系统

所述真空系统包括机械泵，油扩散泵，换向阀门，真空测量仪奉和真空管道。其功能是将镜筒中的气体排除，使得镜筒真空度应至少高于托高。若真空度较低，电子和气体分子碰撞会产生散射影响衬度，会使得电子栅极和阳极发生高压电离造成极间放电，剩余气体会对灯丝造成腐蚀并污染样品。

（3）供电控制系统

加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以加速电压和透镜电流的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。

透射电镜电路主要包括高压直流电源，透镜励磁电源，偏转器线圈电源和电子枪灯丝加热电源等，同时还包括真空系统控制电路、真空泵电源，照相驱动装置和自动曝光电路构成。此外，很多高性能电镜配备了扫描附件，能谱议和电子能量损失谱。

三、功能对比

1、扫描电镜

（1）扫描电镜追求固体物质高分辨的形貌，形态图像（二次电子探测器SEI)-形貌分析(表面几何形态，形状，尺寸）

（2）展示化学成分的空间变化，基于化学成分的相鉴别---化学成分图像分布，微观区域化学成分分析。

利用x射线能谱仪或波谱（EDS or WDS）收集特征X射线信号产生对应样品形貌的元素面分布图或定点化学成分定性定量分析、相鉴定。利用背散射电子(BSE）基于平均原子序数(一般和相对密度相关）反差，生成化学成分相的分布图像；利用阴极荧光，基于某些痕量元素（如过渡金属元素，稀土元素等）受电子束激发的光强反差，生成的痕量元素分布图像。使用样品电流并根据平均原子序数反差而产生的化学成分相分布像与背散射电子像亮或暗相相反。用俄歇电子定性定理分析了化学元素在样品物质表层1nm处的分布。

（3）在半导体器件（IC)研究中的特殊应用：

利用电子束感生电流EBIC进行成像，可以用来进行集成电路中pn结的定位和损伤研究 ；用样品电流成像其结果可以显示出金属层在电路上的开度，短路情况，所以电阻衬度像常用来考察金属布线层，多晶连线层，金属对硅测试图形以及薄膜电阻导电形式等；用二次电子电位反差像来反映试样表面电位，由其上可看到试样表面各部分电位高低和分布状况，尤其对器件隐开路或者隐短路位置的判断特别容易。

（4）利用背散射电子衍射信号对样品物质进行晶体结构（原子在晶体中的排列方式），晶体取向分布分析，基于晶体结构的相鉴定。

2、透射电镜

透射电子显微镜早期的作用主要是对样品形貌进行观察，后发展为能够利用电子衍射对样品晶体结构进行原位分析。它有两种可以观察形貌及晶体结构原位的功能，这是其他结构分析仪器（例如光镜,X射线衍射仪等）没有的。

透射电子显微镜增加附件后，其功能可以从原来的样品内部组织形貌观察（TEM）、原位的电子衍射分析（Diff），发展到还可以进行原位的成分分析（能谱仪EDS、特征能量损失谱EELS）、表面形貌观察（二次电子像SED、背散射电子像BED）和透射扫描像（STEM）。

将样品台组合设计为高温台，低温台以及拉伸台，透射电子显微镜也能在加热状态，低温冷却状态以及拉伸状态下对样品的动态组织结构进行观察、组分的改变使透射电子显微镜功能得到进一步拓宽。

透射电子显微镜功能上的拓宽，意味着一台仪器无需更换试样即可进行各种分析，特别是对相同微区位置的形貌，晶体结构和组成（价态）可进行综合分析。

四、衬度原理

1、扫描电镜

（1）质厚衬度

质厚衬度是非晶体样品衬度的主要来源。样品不同微区存在原子序数和厚度的差异形成的。来源于电子的非相干散射，Z越高，产生散射的比例越大；d增加，将发生更多的散射。不同微区Z和d的差异，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子I有差别，形成像的衬度。Z越高，试样越厚的地区，屏上表现出的是暗区。图像中衬度的改变反映试样对应区域原子序数及厚度变化。质厚衬度受到物镜光阑孔径，加速V等因素影响。选择较大的光圈（更多的散射电子被卷入成像中），图像亮度增加，散射区域与非散射区域之间的衬度减小。选用低电压（更多的电子被散射在光阑孔径之外），衬里的亮度增加，亮度降低。支持膜法与萃取复型相比质厚衬度的影像更为直观。

（2）衍射衬度

衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布拉格反射条件不同和结构振幅的差异。例如电压一定时，入射束强度是一定的，假为L，衍射束强度为ID。忽略吸收时透射束呈L-ID分布。这样若仅使透射束穿过物镜光阑面成像时，则因试样内各晶面或有强衍射或有弱衍射或有不衍射而使透射束的对应强度发生改变，使荧光屏产生衬度。在衬度形成过程中起决定性因素是晶体衍射电子束。

2、透射电镜

利用高分辨透射电镜可以研究晶体结构，这种技术又称为相衬显微技术。在采用场发射电子源时，观测图像是利用电子和样品作用引起电子波相位差异重建而得。但因图像也取决于射进屏幕的电子数目，相衬图像识别就比较复杂了。

非晶样品透射电子显微图象衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度（质量厚度定义为试样下表面单位面积以上柱体中的质量），也叫质厚衬度。质厚衬度适用于对复型膜试样电子图象作出解释。质量厚度数值较大的，对电子的吸收散射作用强，使电子散射到光栏以外的要多，对应较安的衬度。质量厚度数值小的，对应较亮的衬度。

五、样品要求

1、扫描电镜

SEM制样对样品的厚度没有特殊要求，可以采用切、磨、抛光或解理等方法将特定剖面呈现出来，从而转化为可以观察的表面。

这类表面若直接观测，所见仅仅是表面加工损伤而已，通常应采用不同化学溶液择优腐蚀以获得利于观测的衬度。然而，腐蚀使得试样丢失了原有结构的一些真实状况，也引入了一些人为干扰，对于试样中最小厚度的薄层，所产生的误差要大一些。

2、透射电镜

由于TEM得到的显微图像的质量强烈依赖于样品的厚度，因此样品观测部位要非常的薄，例如存储器器件的TEM样品一般只能有10～100nm的厚度，这给TEM制样带来很大的难度。

初学者制样时采用手工或机械控制研磨成品率较低，而一旦过多削磨就会导致此试样报废。TEM制样还存在观测点定位问题，通常制样仅能得到10mm数量级的薄型观测区域，当需要进行精确定位分析时目标常常落入观测区域外。目前较为理想的解决方案是聚焦离子束刻蚀技术（FIB）精细加工。

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