扫描电镜主要应用于对样品微区形貌，结构与组成进行观察与分析。 它以分辨率高，景深好和操作简单而被广泛应用于材料学，物理学，化学，生物学，考古学，地矿学和微电子工业。
文章根据多年扫描电镜测试工作经验，对扫描电镜基本原理，结构，优点及其实际应用等方面进行阐述，以期对扫描电镜初学者和从业者充分理解与运用扫描电镜有所帮助。
伴随着现代科学技术的进步，一大批科研工作者把研究方向聚焦于探索微观世界。 但是，单凭人眼分辨率（约为0.2mm）是达不到要求的。 各种带放大功能的显微镜被提出来，以观测更加微观的世界和分析更加细微的细节。首先出现的是光学显微镜 。光学显微镜的分辨率用瑞利公式表示如下：
式中 ，λ为波长 ，n为折射率 ，α为孔径角。在上述公式中，入射波长λ是影响光学显微镜分辨率的主要因素。然而，受可见光波长范围（400～760nm）的限制，光学显微镜的极限分辨率约为200nm。为了突破光学显微镜分辨本领的极限， 科学家利用波粒二象性原理（即电子在加速电压下运动，其波长可达可见光波长的十万分之一），以加速电子充当新光源制备了高分辨率的扫描电子显微镜 ，以下简称扫描电镜。
1. 扫描电镜的基本原理
扫描电镜（SEM）是用电子枪射出电子束聚焦后在样品表面上做光栅状扫描的一种方法，它通过探测电子作用于样品所产生的信号来观察并分析样品表面的组成，形态和结构。 入射电子作用于样品会激发多种信息，如二次电子，背散射电子，吸收电子，俄歇电子，阴极荧光，特征X射线（见图1）等等。 扫描电镜（SEM）主要是通过二次电子，背散射电子和特征X射线（XRD）信号来分析试样表面特性。
图1. 电子与试样相互作用产生的各种信号
1.1二次电子
二次电子为入射电子所激发的样品原子外层电子。 二次电子能量较低，仅在样品表面附近几个纳米深度以内才有电子从表面逃逸。 所以，它对试样表面的状态非常敏感，主要用于扫描电镜下试样表面形貌的观察。 入射电子在样品中存在泪滴状弥散范围，而在样品表层还没有明显弥散，使得二次电子像具有较高空间分辨率。
1.2 背散射电子
背散射电子就是入射电子被样品中的电子散射，然后射出样品的上部。 可以利用背散射电子对样品表面形貌进行分析。 同时，背散射电子产额随样品原子序数增加而提高，可以表明原子序数衬度高，可用来定性分析样品组成。
1.3 特征X射线
特征X射线是指入射电子将试样原子内层电子激发后，外层电子向内层电子跃迁时产生的具有特殊能量的电磁辐射。特征X射线的能量为原子两壳层的能量差（△E = E K - E L） ，由于元素原子的各个电子能级能量为确实值，因此，特征X射线能分析试样的组成成分。现将各种电子信号的用途、分析深度以及探测限总结如表1所示。
表1 各种电子信号的用途、分析深度及探测限
2. 扫描电镜的构造
扫描电镜主要由电子光学系统 ，信号收集及处理系统，信号显示及记录系统，真空系统，计算机控制系统等几部分组成。
2.1 电子光学系统
电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和试样室。 从电子枪中射出的高能电子束经过两级电磁透镜的聚焦会聚形成几纳米大的束斑，电子束被扫描线圈偏转，对样品表面及屏幕进行同步扫描以激发样品表面各种信号。
2.2 信号收集及显示系统
电子束在试样室内作用于试样表面所激发出的二次电子、背散射电子先击中二次电子探测器及背散射电子探测器内闪烁体而发光，然后通过光电倍增管把光信号转换成电信号，再通过前置放大器进一步变成功率充足的输出信号，最后在阴极射线管上形成放大像（CRT）。 所生成的X射线信号是通过斜插人样品室的能谱仪（或波谱仪）采集到的，通过锂漂移硅探测器（Si（Li）、前置放大器、主放大器和脉冲处理器将X射线能谱图显示在显示器上（或波谱图）进行元素定性定量分析。
2.3 真空系统扫描电镜
需要高的真空度。高真空度能减少电子的能量损失，减少电子光路的污染并提高灯丝的寿命。根据扫描电镜类型（钨灯丝，六硼化镧，场发射扫描电镜）的不同 ，其所需的真空度不同，一般在10-3~10-8Pa。
2.4 计算机控制系统
扫描电镜有一套完整的计算机控制系统 ，方便测试人员对电镜进行控制和操作 。
3. 扫描电镜样品测试的优点
扫描电镜对样品微区结构的观察和分析具有简单、易行等特点 ，是目前应用得最为广泛的一种试样表征方式，它相比于光学显微镜和透射电镜有其特有的优势。
3.1 景深长，视野大
扫描电镜物镜使用小孔视角和长焦距因而景深较大。 相同放大倍数时扫描电镜景深比透射电镜大且比光学显微镜大很多。 扫描电镜中二次电子的产生量和电于束入射角度在试样表面上的涨落有一定关系，因此，扫描电镜成像立体感较强，可以用来观察试样三维立体结构。
3.2 样品制备
简单扫描电镜的样品室较大，可观察大到200毫米，高为几十毫米的样品。扫描电镜的样品制备相比透射电镜而言要简单得多 ，样品可以是断口，块体，粉体等。对于导电的样品只要大小合适即可直接观察，对于不导电的样品需在样品表面喷镀一层导电膜（ 通常为金、铂或碳）后进行观察。现代发展起来的低压扫描电镜和环境扫描电镜可以对不导电样品，生物样品等进行直接观察，极大地扩展了扫描电镜的应用范围。
3.3 分辨本领高，倍率连续可调
扫描电镜具有很高的分辨率 ，普通扫描电镜的分辨率为几纳米，场发射扫描电镜的分辨率可达1nm ，已十分接近透射电镜的水平。光学显微镜只能在低倍率下使用，而透射电镜只能在高倍率下使用，扫描电镜可以在几倍到几十万倍的范围内连续可调，弥补了从光学显微镜到透射电镜观察的一个很大的跨度，实现了对样品从宏观到微观的观察和分析。
3.4 综合分析能力强
扫描电镜可以对样品进行旋转，倾斜等操作，能对样品的各个部位进行观察 。此外，扫描电镜可以安装不同的检测器（如能谱仪（EDS），波谱仪（WDS）以及电子背散射衍射（EBSD）等）来接收不同的信号，以便对样品微区的成分和晶体取向等特性进行表征。此外，还能在扫描电镜中配置相应附件，对样品进行加热，冷却，拉伸等操作并对该动态过程中发生的变化进行实时观察。
4. 扫描电镜的应用
扫描电镜以其高的分辨率，良好的景深及简易的操作等优势在材料学、物理学、化学、生物学、考古学、地矿学、食品科学、微电子工业以及刑事侦查等领域有广泛的应用。它可以对组织进行形貌分析，断口分析，元素定性和定量分析以及晶体结构分 析，现将扫描电镜在各领域的具体应用总结如下。
4.1 材料学
4.1.1 纳米材料
扫描电镜可直接观察纳米材料的结构，颗粒尺寸 、分布 、均匀度及团聚情况 ，结合能谱还能对纳米材料的微区成分进行分析，确定纳米材料的组成。如图2（a）所示，为利用扫描电镜观察到的金纳米棒；图2（b）为 MnO2纳米线；图2（c）为 TiO2纳 米管；图2（d）为 SiO2纳米球（分别由四川大学生材中心李芸馄 ，材料学院史丽红及梁霄提供）。
