一、掃描式電子顯微鏡(SEM)的基本理論
    1.影像的分解和掃描
    我們在看一幅印刷的圖畫時(shí)，如果靠近畫面仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)畫面可以分解成許多灰度不同的小點(diǎn)，也就是說它由許多黑、白、灰不同的小點(diǎn)按一定順序排列而構(gòu)成的。象團(tuán)體操所呈現(xiàn)的圖案，是把一幅完整的圖案切割為成千上萬個(gè)小塊一樣，將這些小塊從上到下，從左至右按順序編上號(hào)碼，由每人取其一塊，按原定順序排列來，便構(gòu)成了一幅完整的圖案。個(gè)別地看，每個(gè)小塊只是一個(gè)簡單的色塊或線條，分割得越細(xì)，小塊上的圖形越簡單。一幅照片或一幅電視畫面也可以這樣分割，這每一個(gè)小的單元，在光學(xué)上便被稱為“像素”，一幅影像被分解的像素越多，就越能表現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)，越能細(xì)膩地反映出物體的形貌。一般35mm電影膠片上，每幅畫面大約包含了上千萬個(gè)像素，所以我們看電影時(shí)感覺非常細(xì)膩而清晰。而一般電視影像，分成625行共約25萬個(gè)像素，離遠(yuǎn)看時(shí)感覺還較細(xì)膩，當(dāng)離得較近，像素之間的距離大于我們視力的分辨率時(shí)，便很覺得有些粗糙了，因?yàn)槲覀兛梢栽诮幉毁M(fèi)力地分辨出上下行的間隙。目前計(jì)算機(jī)的顯示器的像素通常在100萬左右,介于前述2個(gè)例子中間。
    在掃描電鏡中，為獲取較高的分辨率，通常把影像分解成1500～2000行，每行1500個(gè)點(diǎn)以上，這樣總像素可達(dá)200～300萬個(gè)，足以達(dá)到細(xì)節(jié)豐富、形態(tài)逼真的高質(zhì)量影像的要求。
    掃描電鏡象電視一樣，是利用掃描來分解與合成一幅影像的。掃描過程就是把電子束“逐顆逐粒地象寫字一樣從左到右，然后下移一行再從左至右地照射在樣品上”。這種從左到右的運(yùn)動(dòng)稱為“行掃描”，一次從左到右即為一行；從上至下的運(yùn)動(dòng)稱為“幀掃描”，一次從上至下，完成一幅完整畫面的全部行掃描運(yùn)動(dòng)時(shí),稱為一幀。由于幀掃描運(yùn)動(dòng)迭 加在行掃描運(yùn)動(dòng)中，速度匹配得合適，則恰好使第2次的行掃描，錯(cuò)開一行，掃在上行掃描 軌跡的下方，如沒有幀掃描的合成，行掃描就只能重疊在同一行上來回運(yùn)動(dòng)。 

圖4-27 SEM的掃描成象原理

    2.影像的形成
    圖4-27所示表明，讓電子束依照行、幀掃描的順序，在樣品表面的微小區(qū)域內(nèi)做掃描合成運(yùn)動(dòng)，當(dāng)逐點(diǎn)轟擊在樣品上，便會(huì)逐點(diǎn)激發(fā)出相應(yīng)的二次電子來。這些二次電子攜帶著對(duì)應(yīng)位置上樣品表面形貌的信息，表面突起的高低不同，被激發(fā)出的二次電子數(shù)目和能量也不同。在樣品臺(tái)附近安裝一個(gè)二次電子探測接收器，依次將二次電子接收起來，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到電路中放大，再按同樣的行、幀掃描順序排列在顯像管的熒光屏上，就可以得到一幅掃描電鏡影像了。圖4-28為掃描電鏡的成像拍攝實(shí)例,從圖中可以看出這種成像方式非常富有立體感。
 
圖4-28 掃描電鏡的成象實(shí)例

    3.反差與亮度
    掃描電鏡的最終影像如同電視機(jī)一樣顯現(xiàn)于顯像管的熒光屏上。為了充分地表現(xiàn)出SEM影像的分辨力與清晰度，須配以適當(dāng)?shù)姆床钆c亮度。這與家用電視機(jī)的亮度與對(duì)比度具有相同的意義，兩者之間的關(guān)系相互牽聯(lián)，亮度大了，反差則小，以至影像平淡，缺少立體感；亮度小了，反差會(huì)顯得較大，以至淹沒實(shí)際存在的細(xì)節(jié)。此外,亮度的大小還必須適應(yīng)于拍攝 所需的曝光量，調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)考慮各方面的因素，配合起來處理。

二、掃描電鏡的結(jié)構(gòu)和工作原理簡述
  掃描電鏡（ SEM）的外形和主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖4-29。     1.SEM與TEM主要結(jié)構(gòu)的異同比較

    SEM與TEM主要結(jié)構(gòu)的異同之處如下：①其中的照明系統(tǒng)與透射電鏡（TEM）的結(jié)構(gòu)和原理大 致相同，也是由電子槍和聚光鏡等來完成照明工作的；②它的物鏡只起到對(duì)樣品的聚焦作用 ，不參與成像和放大；③因?yàn)槌上裨淼牟煌?，SEM沒有中間鏡和投影鏡；④SEM的樣品室在鏡體的最下部（TEM的樣品室在鏡體的中部），并且要比TEM的樣品室大得多，能盛放和觀察較大的樣品（直徑達(dá)若干厘米）；⑤掃描電鏡也有一套真空抽氣系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)和電源及控制電路，與TEM的功能作用基本一致。

圖4-29 掃描式電子顯微鏡(SEM) 

    2.主要電磁透鏡的作用
    各主要電磁透鏡的作用為：①由電子槍發(fā)射出電子束（又稱電子探針），然后通過聚光鏡電流的調(diào)節(jié)來改變電子探針的亮度和粗細(xì)，電子探針愈細(xì)愈有利于成像的分辨率，但此時(shí)二次電子的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有所降低，致使影像亮度隨之降低，故應(yīng)折衷選擇；②調(diào)節(jié)物鏡電流可改變電子探針的上下會(huì)聚點(diǎn)，起到聚焦的作用，物鏡對(duì)于掃描電鏡同樣是一個(gè)重要的部件， 配有物鏡光闌和消像散線圈，物鏡性能的高低極大程度地影響整機(jī)的成像性能。
    3.SEM增加的重要部件
    在結(jié)構(gòu)上掃描電鏡與透射電鏡相比較增加的重要部件是：①掃描信號(hào)發(fā)生器��產(chǎn)生掃描脈沖信號(hào)；② 掃描偏轉(zhuǎn)線圈��控制電子探針做掃描運(yùn)動(dòng)；③二次電子探測器��接收二次 電子信號(hào)；④視頻信號(hào)放大器和顯像管��將電信號(hào)處理成最終影像，掃描電鏡的照片是由 照相機(jī)［見圖4-29(a)面板最右端］直接攝自顯像管的屏面上。
    4.工作原理
    掃描電鏡的工作原理是：照明系統(tǒng)發(fā)射出來的電子探針（電子束）經(jīng)物鏡會(huì)聚，轟擊在樣品表面，同時(shí)在掃描偏轉(zhuǎn)線圈的驅(qū)使下做行、幀掃描合成運(yùn)動(dòng)，激發(fā)出來的二次電子被探測器接收并轉(zhuǎn)換成電平高低不同的電信號(hào)，送至視頻放大電路和顯像管后，變成可供觀察和拍攝的影像，掃描電鏡的放大率是通過改變對(duì)樣品掃描的幅度來實(shí)現(xiàn)變化的，所以它不需要中間鏡或投影鏡。
    三、掃描電鏡中的幾個(gè)特殊部件
    1.掃描信號(hào)發(fā)生器
    這是一個(gè)特殊的振蕩電路，要求同時(shí)產(chǎn)生出2組脈沖信號(hào):行掃描與幀掃描信號(hào)，對(duì)脈沖信號(hào)的波形、時(shí)值及兩組信號(hào)的關(guān)系要求十分高，行掃描信號(hào)與幀掃描信號(hào)都是鋸齒波，兩者幅度不同，周期也不相等：
                          行掃描周期＝1/總行數(shù)×幀掃描周期
    掃描信號(hào)發(fā)生器輸出的行、幀信號(hào)經(jīng)變換電路處理后，成為幅度不同的2路信號(hào)送出： 一路恒定幅度的信號(hào)被送入顯像管控制其電子束做掃描運(yùn)動(dòng)；另一路信號(hào)幅度很小且可以調(diào)整，被加在SEM鏡筒內(nèi)的掃描線圈上，使電鏡中的電子探針做同步掃描運(yùn)動(dòng)（見圖4-29），其結(jié)果是顯像管掃描的偏轉(zhuǎn)幅度（熒屏寬度）與電子探針的掃描偏轉(zhuǎn)幅度兩者之間的幅度比值即為放大率：
                    
    由于顯像管的尺寸固定，其掃描偏轉(zhuǎn)幅度也不改變，所以改變電鏡電子探針的掃描偏轉(zhuǎn)幅度即調(diào)節(jié)電鏡掃描信號(hào)幅度，可以達(dá)到改變放大率的目的。
    2.掃描偏轉(zhuǎn)線圈
    由對(duì)應(yīng)于行偏轉(zhuǎn)和幀偏轉(zhuǎn)的2組線圈構(gòu)成，安裝在SEM的聚光鏡和物鏡之間，在掃描信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生X、Y方向上2個(gè)磁場，行偏轉(zhuǎn)線圈使電子探針在X方向不停地往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在迭加上幀偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的Y方向上的推動(dòng)作用后，就形成了完整的掃描合成運(yùn)動(dòng)，周而復(fù)始。在顯像管的頸部上也裝有一組結(jié)構(gòu)不同但原理一樣的行、幀偏轉(zhuǎn)線圈，推動(dòng)顯像管中的電子束做完全同步的X、Y方向掃描合成運(yùn)動(dòng)。
    3. 二次電子檢測器
    二次電子檢測器由帶有正電壓的收集器、正高壓的閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增管構(gòu)成，如圖4-30所示。 

圖4-30 二次電子檢測器的結(jié)構(gòu)原理圖

    收集器由金屬網(wǎng)制成，在加上正電壓以后，象吸塵器一樣能把激發(fā)出來的二次電子按照先后順序吸引過來；閃爍體是一塊涂有熒光粉的薄玻璃（或塑料）片，外表蒸鍍一層極薄而又導(dǎo)電的鋁層，二次電子受到閃爍體上的正高壓加速，飛向并穿過鋁層，轟擊在熒光粉上使其發(fā)光，發(fā)光的亮度與二次電子的能量成比例（這是一次電-光的轉(zhuǎn)換過程），然后光信號(hào)再通過光導(dǎo)管傳遞給光電倍增管，由光電倍增管內(nèi)的光電陰極轉(zhuǎn)換成陰極電子信號(hào)輸出（光-電轉(zhuǎn)換），經(jīng)過后面的多電極倍增器逐級(jí)將電信號(hào)放大變成一定強(qiáng)度的信號(hào)，輸送到視頻放大電路中去。
    4.顯像管
    SEM顯像管同其他顯示器的構(gòu)成基本上一樣，主要為玻殼密封下的陰極、陽極和柵極。
    陰極一般為旁熱式，是由鋁、鎳等金屬片單獨(dú)制成，在燈絲加熱的高溫烘烤下陰極便可發(fā)射自由電子，在陽極高壓的吸引下射向熒光屏面；陽極為顯像管熒光屏面的內(nèi)表層，表面涂覆一層熒光粉，并加有上萬伏的正高壓，被陰極發(fā)射的自由電子轟擊時(shí)，能發(fā)光并且透過熒屏玻殼傳遞出來，其亮度和自由電子轟擊的能量成比例；柵極為信號(hào)輸入的調(diào)制極，控制自由電子束轟擊陽極屏面的能量，也即某一點(diǎn)的發(fā)光亮度，從而形成影像輸出。而調(diào)整陰極相對(duì)于陽極的電位可以改變電子束的平均轟擊能量,使顯像管整體亮度發(fā)生變化。
    二次電子探測器輸出的電信號(hào)由視頻放大電路放大后被加在柵極上，包含樣品表面信息的電信號(hào)能使柵極電位發(fā)生變化，進(jìn)一步通過柵極控制了電子束轟擊熒光屏?xí)r在某一瞬間的能量的大小，同時(shí)在顯像管偏轉(zhuǎn)線圈的掃描作用下，能量不同的電子粒流便有序地被分布在整個(gè)熒光屏面上了.
    SEM一般有2個(gè)顯像管，1個(gè)為長余輝型，供觀察使用，不易引起閃爍感。另1個(gè)為短余輝型，能顯現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)和豐富的層次，有利于獲得高分辨率的影像，供拍攝照片用。
    四、優(yōu)良SEM影像的拍攝要點(diǎn)
    SEM的觀察的主要過程是：①小倍率選區(qū)；②高倍率放大；③移動(dòng)樣品至適當(dāng)位置，調(diào)焦；④調(diào)亮度和反差至最佳；⑤拍攝。
    影像的拍攝一般是機(jī)器自動(dòng)設(shè)定拍攝時(shí)間和掃描速度，但并不是整幅影像一下子拍攝下來，而是逐點(diǎn)逐行地慢慢掃描拍攝的，為的是使電子束在每一點(diǎn)停留較長的時(shí)間，以產(chǎn)生足夠的亮度使膠片感光，通常一幅照片的拍攝約需幾十秒鐘。下面根據(jù)SEM的具體特點(diǎn)來介紹一幅優(yōu)良SEM影像照片的拍攝要點(diǎn)。
    1.聚光鏡電流的選擇
    聚光鏡電流的大小將直接影響到電子束的亮度和光斑直徑的大小，也影響成像的分辨率和反差。
    在保證足夠的觀察條件、拍攝的亮度和反差的需要下，應(yīng)盡量使聚光鏡電流稍為大一些，以獲取較小的電子束流探針直徑，得到較高分辨率；但聚光鏡電流又不可太大，太大則使電子束流能量太低，信號(hào)與噪聲的強(qiáng)度比（信噪比）下降，影像也會(huì)平淡無力,缺少立體感。故聚光鏡電流的調(diào)節(jié)應(yīng)和亮度與反差相配合。
    2.亮度和反差的調(diào)節(jié)
    既不可一味追求高亮度，也不可一味追求高反差。這兩者要配合調(diào)節(jié)。
    高反差能增加立體感，但卻損失了許多細(xì)節(jié)，所以在保證較好反差的情況下，要調(diào)出足夠的灰度等級(jí)。SEM上常設(shè)有亮度及反差的調(diào)節(jié)指示表。操作者可根據(jù)指示表去調(diào)整，參照自己觀察對(duì)象的目的需要，適當(dāng)?shù)亟o予補(bǔ)償。
    3.加速電壓的選擇
    加速電壓的提高，縱然可以增大電子束的能量，提高信噪比和反差，這只是一個(gè)單方面的因素，從另一方面考慮，也會(huì)增加背散射電子的數(shù)目和電子束的穿透力,這樣影像中物體邊緣的銳利度會(huì)降低，也將使分辨力下降。 通常可以根據(jù)影像質(zhì)量和拍攝需要進(jìn)行選擇。
    4.樣品傾斜度和光闌孔徑的選擇
    樣品臺(tái)除可向X、Y方向移動(dòng)外，還可以做一定量的傾斜。傾斜樣品臺(tái)等于讓電子探針從側(cè)面轟擊樣品，就象日常拍攝照片時(shí)一樣，用側(cè)光比用正面光能得到更好的立體感。但傾斜面的兩側(cè)不在同一平面上，傾斜太多則不好兼顧聚焦，會(huì)造成兩側(cè)模糊，同時(shí)也會(huì)損失一些細(xì)節(jié)。光闌孔小時(shí)，能提高反差，增大立體感和景深范圍，但太小則損失能量多，光衍射增大，也會(huì)影響分辨率。
    5.消像散與聚焦
    存在像散時(shí)與聚焦不清是不一樣的。聚焦不清則使像的四周呈現(xiàn)同等程度的模糊。像散則 為影像邊緣沿某一方向被拉長，四周的模糊程度并不均勻。
    像散與聚焦對(duì)成像質(zhì)量的影響同等重要。電鏡照片的拍攝要力求將像散消減到最小，聚焦達(dá)到最清晰。