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，如果靠近畫面仔細觀察，會發(fā)現(xiàn)整個畫面可以分解成許多灰度不同的小點，也就是說它由許多黑、白、灰不同的小點按一定順序排列而構(gòu)成的。象團體操所呈現(xiàn)的圖案，是把一幅完整的圖案切割為成千上萬個小塊一樣，將這些小塊從上到下，從左至右按順序編上號碼，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。個別地看，每個小塊只是一個簡單的色塊或線條，分割得越細，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)出更多的細節(jié)，越能細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像素，所以我們看電影時感覺非常細膩而清晰。而一般電視影像，分成625行共約25萬個像素，離遠看時感覺還較細膩，當(dāng)離得較近，像素之間的距離大于我們視力的分辨率時，便很覺得有些粗糙了，因為我們可以在近處不費力地分辨出上下行的間隙。目前計算機的顯示器的像素通常在100萬左右,介于前述2個例子中間。
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個點以上，這樣總像素可達200～300萬個，足以達到細節(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”。這種從左到右的運動稱為“行掃描”，一次從左到右即為一行；從上至下的運動稱為“幀掃描”，一次從上至下，完成一幅完整畫面的全部行掃描運動時,稱為一幀。由于幀掃描運動迭 加在行掃描運動中，速度匹配得合適，則恰好使第2次的行掃描，錯開一行，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動。 
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)做掃描合成運動，當(dāng)逐點轟擊在樣品上，便會逐點激發(fā)出相應(yīng)的二次電子來。這些二次電子攜帶著對應(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。在樣品臺附近安裝一個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 掃描電鏡的成象實例
3.反差與亮度
掃描電鏡的最終影像如同電視機一樣顯現(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。這與家用電視機的亮度與對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，反差會顯得較大，以至淹沒實際存在的細節(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它的物鏡只起到對樣品的聚焦作用 ，不參與成像和放大；③因為成像原理的不同，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，電子探針愈細愈有利于成像的分辨率，但此時二次電子的信號強度會有所降低，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聚點，起到聚焦的作用，物鏡對于掃描電鏡同樣是一個重要的部件， 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掃描信號發(fā)生器��產(chǎn)生掃描脈沖信號；② 掃描偏轉(zhuǎn)線圈��控制電子探針做掃描運動；③二次電子探測器��接收二次 電子信號；④視頻信號放大器和顯像管��將電信號處理成最終影像，掃描電鏡的照片是由 照相機［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)物鏡會聚，轟擊在樣品表面，同時在掃描偏轉(zhuǎn)線圈的驅(qū)使下做行、幀掃描合成運動，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，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樣品掃描的幅度來實現(xiàn)變化的，所以它不需要中間鏡或投影鏡。
三、掃描電鏡中的幾個特殊部件
1.掃描信號發(fā)生器
這是一個特殊的振蕩電路，要求同時產(chǎn)生出2組脈沖信號:行掃描與幀掃描信號，對脈沖信號的波形、時值及兩組信號的關(guān)系要求十分高，行掃描信號與幀掃描信號都是鋸齒波，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
掃描信號發(fā)生器輸出的行、幀信號經(jīng)變換電路處理后，成為幅度不同的2路信號送出： 一路恒定幅度的信號被送入顯像管控制其電子束做掃描運動；另一路信號幅度很小且可以調(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動（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)電鏡掃描信號幅度，可以達到改變放大率的目的。
2.掃描偏轉(zhuǎn)線圈
由對應(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，在掃描信號的驅(qū)動下，產(chǎn)生X、Y方向上2個磁場，行偏轉(zhuǎn)線圈使電子探針在X方向不停地往復(fù)運動，在迭加上幀偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的Y方向上的推動作用后，就形成了完整的掃描合成運動，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，推動顯像管中的電子束做完全同步的X、Y方向掃描合成運動。
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)換成陰極電子信號輸出（光-電轉(zhuǎn)換），經(jīng)過后面的多電極倍增器逐級將電信號放大變成一定強度的信號，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，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，也即某一點的發(fā)光亮度，從而形成影像輸出。而調(diào)整陰極相對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能使柵極電位發(fā)生變化，進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熒光屏面上了.
SEM一般有2個顯像管，1個為長余輝型，供觀察使用，不易引起閃爍感。另1個為短余輝型，能顯現(xiàn)精細結(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
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器自動設(shè)定拍攝時間和掃描速度，但并不是整幅影像一下子拍攝下來，而是逐點逐行地慢慢掃描拍攝的，為的是使電子束在每一點停留較長的時間，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的具體特點來介紹一幅優(yōu)良SEM影像照片的拍攝要點。
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，信號與噪聲的強度比（信噪比）下降，影像也會平淡無力,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。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，參照自己觀察對象的目的需要，適當(dāng)?shù)亟o予補償。
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，這只是一個單方面的因素，從另一方面考慮，也會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降低，也將使分辨力下降。 通?？梢愿鶕?jù)影像質(zhì)量和拍攝需要進行選擇。
4.樣品傾斜度和光闌孔徑的選擇
樣品臺除可向X、Y方向移動外，還可以做一定量的傾斜。傾斜樣品臺等于讓電子探針從側(cè)面轟擊樣品，就象日常拍攝照片時一樣，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，會造成兩側(cè)模糊，同時也會損失一些細節(jié)。光闌孔小時，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，也會影響分辨率。
5.消像散與聚焦
存在像散時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，聚焦達到最清晰。