什么是扫描电子显微镜(SEM)？

扫描电子显微镜是如何工作的？

你可能已经见过一些令人惊叹的图像，这些图像是扫描电子显微镜（SEM）揭示的我们周围不可见世界的景象。无论是晶体的几何地貌，还是一只微小果蝇的解剖结构，SEM揭示了无数奇迹，并推动了生命科学和材料科学领域的众多基础性发现。

就像我们的眼睛能够看到物体是因为光线从其表面反射出来一样，电子显微镜也可以捕捉反射的电子，从而从样品表面提取信息。然而，电子的波长更短，使得电子显微镜能够捕捉到比光更精细的细节。“扫描”一词描述了这样一个事实：相对较窄的电子束必须在样品表面移动以成像。这种光栅扫描模式用于映射整个感兴趣的表面区域，并在频繁的、明确的时间间隔内收集数据。可以把它想象成在一间黑暗的房间里有条不紊地移动手电筒，以看清房间里的物品。

背散射电子和二次电子成像

扫描电子显微镜通常被设计为可检测多种信号，甚至包括反射电子以外的信号。例如，当高能电子束撞击样品时也会产生X射线，这些X射线携带了有关样品的额外信息。然而，通过SEM获取的两种主要电子信号是背散射电子和二次电子。

背散射电子（BSE）是来自电子束的高能电子，它们在与样品原子相互作用后被弹射出来。这些电子经历了弹性散射，因此离开样品时几乎没有能量损失。原子越重（原子序数越高），其背散射电子的能力就越强。因此，BSE成像可以提供样品的相对成分信息，较亮的区域对应于较重的原子。

二次电子（SE）则是样品电子与电子束发生非弹性散射的结果。这些原子电子被束流电子击出样品。由于它们的能量相对较低，只有在靠近样品表面被弹射出来时，才能逃离样品并到达探测器。因此，二次电子成像用于揭示样品的表面形貌。在边缘处会有更多的电子逃逸，因此这些区域显得更亮；而在凹陷处逃逸的电子较少，这些区域显得更暗。

扫描电镜中的能量色散谱分析
扫描电镜（SEM）中产生的第三种、且日益重要的信号是X射线，它与二次电子同时产生。从内层电子壳层中移除SE会导致原子不稳定。为了恢复稳定性，较高能级壳层中的一个电子可以释放其多余能量，以X射线光子的形式填补空位。这种X射线的能量是特定元素的特征，可用于识别和量化样品的元素组成。该技术称为能量色散X射线光谱分析 （缩写为EDX或EDS），通常是现代扫描电镜的标准配置组件之一。

结论
扫描电子显微镜（SEM）技术正在不断发展改进，成像分辨率也在持续提高。一些高端SEM甚至可以达到与透射电子显微镜（TEM）相当的分辨率。此外，许多SEM还可以配备专用的扫描透射电子显微镜（STEM）探测器，该探测器位于样品下方，无需专用TEM即可获得透射电子显微图像。

本博客对扫描电子显微镜及其功能进行了高层次的介绍。如果您想了解更多有关这种令人兴奋的分析技术的信息，请访问我们的电子显微镜学习中心。

如果您希望了解更多电子显微镜的基础知识，可以浏览我们“显微镜基础101”系列中的其他博客文章，包括：
– 电子显微镜的结构
– 如何产生电子束？——电子源基础
– TEM与SEM：有什么区别？