扫描电子显微镜（SEM）原理

顾名思义，电子显微镜使用电子束进行成像。在图 1 中，可以看到电子与物质相互作用后可能产生的多种产物（信号）。不同类型的信号携带关于样品的不同有用信息，由显微镜操作者决定采集哪一种信号。

当高能电子到达样品时，会产生多种电子与 X 射线信号，包括：

• 背散射电子（BSE）

  这类电子能量较高，从样品中散射出来且仅损失少量能量。它们起源于样品内部较深处（表面下数微米），与样品相互作用较强，可提供成分信息，但图像分辨率相对较低。背散射电子来自电子束与样品发生弹性相互作用后的反射。

• 二次电子（SE）

  二次电子来自样品表面下数纳米范围内，能量低于背散射电子。它们对表面结构非常敏感，可提供形貌信息。二次电子起源于样品原子，是电子束与样品发生非弹性相互作用的结果。

• X 射线

  当电子轰击样品表面时会产生特征 X 射线，可用于获得样品的元素组成信息。

BSE 来自样品较深区域，而 SE 来自表面区域，因此二者携带的信息类型不同。BSE 图像对原子序数差异高度敏感：原子序数越高，图像中材料越明亮。SE 成像可提供更丰富的表面细节信息。

这类电子起源于相互作用体积中的较大范围。它们来自电子与原子发生弹性碰撞，从而改变电子的运动轨迹。可以将电子—原子碰撞类比为“台球模型”：小粒子（电子）与大粒子（原子）碰撞。较重的原子比轻原子更强烈地散射电子，因此产生更高的信号（见图 2）。到达探测器的背散射电子数量与原子序数 Z 成正比。BSE 数量对原子序数的依赖使我们能够区分不同相，从而获得携带样品成分信息的图像。此外，BSE 图像还可提供晶体学、形貌以及样品磁场等方面的有价值信息。

最常见的 BSE 探测器是固态探测器，通常包含 p-n 结。其工作原理是：从样品逸出的背散射电子被探测器吸收并产生电子—空穴对。电子—空穴对的数量取决于背散射电子的能量。p-n 结连接到两个电极：一个吸引电子，另一个吸引空穴，从而形成电流；电流大小同样取决于被吸收的背散射电子数量。

BSE 探测器位于样品上方，与电子束同轴呈“甜甜圈”环形布置，以最大化收集背散射电子，并由对称分区组成。当所有分区同时工作时，图像对比度反映元素的原子序数 Z；而只启用特定象限时，则可从图像中提取形貌信息。背散射电子与二次电子探测器的典型位置。

相比之下，二次电子（SE）起源于样品表面或近表面区域。它们来自入射电子束与样品的非弹性相互作用，能量低于背散射电子。如图 4 所示，二次电子非常适合用于观察样品表面形貌。

Everhart–Thornley 探测器是最常用的二次电子探测装置。它由位于法拉第笼内的闪烁体组成，法拉第笼带正电以吸引二次电子。随后，闪烁体用于加速电子并将其转换为光，再由光电倍增管放大。SE 探测器通常安装在电子室侧面并呈一定角度，以提高二次电子的探测效率。

这两类电子信号是 SEM 用户最常用于成像的信号。不同用户所需信息并不相同，因此具备多探测器能力使 SEM 成为用途非常广泛的工具，可为多种应用提供有价值的解决方案，帮助节省时间、提升图像分辨率，甚至实现分析自动化。

电子带负电，在镜筒中以高能量、高速度运动。使其偏转的一种方法是让电子通过由两块电位分别为 +U 与 −U 的平行板产生的电场，如图 1a 所示。

在电场作用下，电子发生偏转，其偏转角取决于电子能量、板间电场强度以及极板长度。

电子越快（能量越高），偏转角越小；电场越强、极板越长，偏转角越大。由两块不同电位极板构成的装置称为偏转器。

要形成静电透镜，可以设想将偏转器的作用“镜像化”，使偏离光轴运动的外侧电子也能聚焦到同一点，如图 1b 的示意所示。

从“电场线只能起止于电荷”这一事实出发，我们如何得到图 1b 所示的透镜效应？关键在于：一旦产生透镜效应，束流能量会发生变化，即电子会加速或减速。只需在束流周围设置不同电位的光阑即可实现。

静电透镜由连接高电压的金属极板组成，电子束通过其中的光阑。单光阑透镜由一块加高电压的金属极板构成，常见于电子源中。

单光阑透镜既可用于终止加速场，也可后接加速场。前一种情况下透镜为正透镜，电子束收敛形成交叉点（见图 2a）；后一种情况下透镜为负透镜，电子束发散（见图 2b）。

双光阑透镜由两块不同电位的金属极板组成，光阑同轴对准。图 2c 展示了加速型双光阑透镜，其中两极板之间的电场指向上极板。

进入透镜的电子会受到强电场作用，被推向光轴附近。穿过第二块极板时，电子受到相反方向的力，被推向光阑中心。综合效果相当于正透镜，电子束聚焦在第二块极板下方的平面上。

三光阑 Einzel 透镜由三块光阑同轴对准的极板组成，光阑直径可相同也可不同。Einzel 透镜在电子光学中很常用，其优点是透镜入口与出口处束流电位相同。

图 2d 展示了加速型 Einzel 透镜。三电极形成三个“子透镜”：第一与第三为正透镜（电场线指向极板），第二为负透镜。总体等效为正透镜，电子束聚焦在第三个透镜下方的平面上。

磁透镜利用洛伦兹力（与电子电荷和速度成正比）来偏转电子。磁透镜由金属本体（称为铁磁回路）组成，其末端有两个磁极靴。

如图 3 所示，磁场由位于铁磁回路顶部的线圈产生。通过改变磁场 B 的强度可以调整透镜强度，可通过改变极靴几何形状（即两极靴间距）以及线圈电流（励磁）来实现。

镜筒由发射电子的电子源和一组透镜组成。电子先经聚光镜（condenser lenses）会聚成束，再由最终透镜（也称物镜 objective lens）聚焦到样品表面。电子源倾斜以及样品处束流扫描由电子源处及最终透镜上方的线圈完成。

所有 SEM（无论台式还是落地式）都配备包含静电透镜与磁透镜的镜筒。

参考文献

• 带电粒子光学导论，P. Kruit，代尔夫特理工大学
• 《扫描电子显微镜：成像形成与微区分析的物理学》，L. Reimer，Springer 出版社