1.2 电子显微镜综述
发明光学显微镜的先辈们为我们打开了一扇认识微观世界的重要之门，但随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨力而已经无法满足人们更深入、更细微的观测需要了。电子光学理论正是在光学和力学理论取得丰硕成果的基础上逐步发展而建立起来的。而透射电子显微镜（TEM）和扫描电镜（SEM）的构想都是在20世纪30年代初提出来的。1931年，德国的卡诺尔（M. Knoll）和鲁斯卡（E. Ruska）用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大12倍的图像，他们发明的就是透射电子显微镜（简称透射电镜）。这个发明用事实证实了用电子显微镜来对微细的物体进行放大成像是可行的。1934年，经过波尼斯（Ven Borries）和鲁斯卡的不断努力和改进，透射电镜的分辨力达到了50nm，突破了光学显微镜的分辨极限，于是透射电镜开始受到科技界的重视。20世纪40年代美国的希尔发明了消像散器，解决了由于电镜中电磁透镜的不完全旋转对称而造成的束斑不够圆的问题，使电子显微镜的分辨力有了新的突破。由于人们的电镜设计能力和机械加工水平的逐年提高，以及科学家们的不断改进，电子显微镜才达到了现在的高分辨水平。但是它的发展主要还是始于20世纪60和70年代，这是因为它刚好搭上了电视、微电子和计算机等相关技术高速发展的时代快车。1965年，继英国剑桥科学仪器公司推出了第一台商品扫描电镜之后，许多国家也纷纷投入扫描电镜的研制、生产中去，产品经不断地改进、创新和提高，使得扫描电镜迅速地普及开来。现在世界上在使用的各种电镜有十多万台，其中扫描电镜的普及率已远远超过了透射电镜。早期扫描电镜的体积有透射电镜那么大，那是因为当时使用的电子元器件的体积较大。这些年来随着电子技术的快速发展，电镜的分辨力和检测功能也在不断地提高和增多，同功能的机型，其体积越来越小，应用范围也越来越广，性价比也在提高，普及也在日益加快。
扫描电镜是继透射电镜之后，又发展起来的另一种大型电子光学设备。扫描电镜的成像过程与光学显微镜不同，与透射电镜也不完全相同。它与透射电镜虽然都是用电子束来做照明源，但扫描电镜是把聚焦得很细微的电子束通过光栅状扫描方式照射到试样表面上的，即用经聚焦后极细微的电子束来扫描试样，激发出试样表面的各种有关信息，即高能的入射电子轰击到试样表面时，受激发的试样部位会发射出俄歇电子、二次电子、背散射电子、特征X射线和连续X射线等，也会产生吸收电子，若试样足够薄还会产生透射电子，若试样表面存有势垒能带时，还会产生电子-空穴对。把这些产生的信息分别进行采集，经检测后就可以获取被测试样的多种物理和化学性质的表征量，如试样的微观几何形貌、所组成的化学成分、晶体结构和表面电位的分布等。其中，最常用的信息主要是试样发出的二次电子，二次电子能够产生与试样表面细节相关的、最清晰的形貌放大像。这种像是在试样被入射电子束扫描时按时序建立起来的，即使用逐行扫描、逐点成像的方法获得的图像。当对背散射电子进行采集时，不仅可得到有关试样的纯形貌微观像，同时也可以得到不同原子序数组成的信息分布图像；当对特征X射线进行采集、检测时，还可得到组成该试样的化学组分的信息。正因如此，人们可按不同的需求研制出功能不同的探测器应用于扫描电镜中，然后分别对不同的信息进行分类检测。
扫描电镜的放大倍率范围可从普通光学的放大镜、体视显微镜、金相显微镜，一直覆盖到透射电镜之间的放大区域，图1.2.1～图1.2.4是一组从低倍到高倍，景深深，清晰度好，又有不同放大倍率的扫描电镜照片。日常工作中扫描电镜最经常使用的放大倍率范围为几百至几万倍，但是由于它所得到的视场景深深和分辨力高，所以在光学显微镜中常用的几十至几百倍的倍率范围内，扫描电镜也能充分发挥其特有的成像优越性。
图1.2.1 电子线路中的微型接插件
图1.2.2 混合电路中外引线框上的键合引线
图1.2.3 陶瓷电容端头长出的硫化银
图1.2.4 太阳能硅电池表面的氧化锌晶体
电子显微镜的分辨力定义与光学显微镜一样，都是以它所能分辨的相邻两点间的最小间距来表示。20世纪70年代透射电镜的最佳分辨力能达到0.3nm，而今天透射电镜的最佳分辨力可达0.07nm，约为光学显微镜最高分辨力的3 500倍。所以通过透射电镜人们就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列有序的原子点阵。在最近几十年的时间内，随着计算机技术的快速发展，扫描电镜的发展更是迅速，而扫描电镜又结合了能谱仪、波谱仪、X射线荧光谱仪、背散射电子衍射（EBSD）、聚焦离子束（FIB）等多种现代电子检测技术而发展成了综合分析型的扫描电镜。现在场发射扫描电镜的分辨力都能优于1nm，约为光学显微镜分辨力的250倍；个别热场发射扫描电镜的分辨力能达到0.5nm，约为光学显微镜最高分辨力的500倍；个别冷场发射扫描电镜的分辨力能达到0.4nm，约为光学显微镜最高分辨力的600倍。最近这几十年来，不仅电镜的分辨力在快速地提高，而且其检测功能也还在不断增多和完善。
现代商品扫描电镜的主要特点有：
（1）分辨力高，不同电子枪的商品扫描电镜的二次电子像分辨力都能分别优于1nm（FEG）、2nm（LaB6）和3nm（W）。
（2）放大倍率范围广、倍率调节方便，有效倍率多数能从十倍到五十万倍，而且连续或分挡可调。
（3）视场的景深深、立体感强，可观察起伏较大的粗糙面，如金属、陶瓷和塑料的断口等。
（4）电子束对试样的损伤与污染的程度较小，几乎可做到无损检测，而且试样的制备比透射电镜简单、方便，获得的图像更能反映出试样表面的真实情况。
（5）样品仓中可放入大块试样，而且试样可以在样品仓中做X、Y、Z、T和R等方向移动、旋转，即人们可以从多种角度对试样的感兴趣部位进行观察和分析。其样品仓可容纳的试样体积和运行的空间距离都比透射电镜大几十倍。
（6）在观察形貌的同时，人们还可利用从试样发出的特征X射线讯号进行微区的化学组分分析。