光学显微镜的空间分辨率最高只能达到百纳米量级。但由于种种因素的影响，绝大多数光学显微镜只能实现1微米量级的分辨。在上世纪二三十年代，原子与量子尺度下的世界绘景在人类面前显现，生物学家也开始了对核酸和蛋白质等生物大分子结构与功能的研究[1]。光学显微镜已经不能满足科学界对微观世界日益深入的研究了，显微镜的“光”的波长必须更短。

　　不同的显微镜观测的波长范围，以及对应的物质

　　电子之“光”：电镜的诞生与发展

　　1923 年，德布罗意提出了物质波的概念[2]，像是物理学乌云上的雷声，预示着量子时代狂风暴雨的到来。根据德布罗意的理论，微观粒子与光一样也具有波动性，物质波的波长与能量成反比。这为分辨更加微小的结构提供了新的思路：只要微观粒子的能量越大，以这种微观粒子作为“光”的显微镜的分辨能力也就越强。比如，能量为10keV 的电子波长只有0.123nm，这是原子半径的尺度。物质波理论是电子显微镜诞生的先兆。

　　物质波：根据德布罗意的理论，物质具有波粒二象性，微观粒子也可以看成是一束波。微观粒子的能量正比于频率(反比与波长)，动量反比于波长。

蔡司扫描电镜

　　1926 年，Hans Busch提出轴对称的电磁场可以聚焦带电粒子。带电粒子的运动很像光线经过凸透镜的折射，电子也可以像光一样成像。[3]这一理论像是一种缘分，既是偶然，又仿佛是物质量子化的必然。电子显微镜的理论之路已经开辟。

　　此时阴极射线管的技术也基本成熟，电子显微镜的诞生已经是水到渠成的事了。1928 年，柏林大学的Adolf Matthias 任命 Max Knoll 带领 Ernst Ruska 在内的几个博士生研究阴极射线示波器。1931 年，Max Knoll 和 Ernst Ruska 成功地看到了阳极上的网格经过磁透镜的放大图像 [4]。这是历史上第一台透射电子显微镜 (Transmission Electron Microscope, TEM)，这项工作获得了 1986 年的诺贝尔物理学奖。遗憾的是，Max Knoll 于 1969 年逝世，但他对科学的贡献不会因为未获得诺贝尔物理学奖而动摇分毫。

　　1986 年诺贝尔物理学奖得主：1986 年诺贝尔物理学奖奖金一半授予 Ruska，表彰他在电子光学领域的基础性工作;另一半授予 Binnig 和 Rohrer，这两位科学家设计出了第一台扫描隧道显微镜，这是一种探针显微技术。

　　1933 年，Ruska 和 Knoll 制造了第一台分辨率超过光学显微镜的透射电子显微镜[5]。1937年，Manfred von Ardenne 发明了第一台扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope, SEM) [6]。在之后的几年里，电子显微镜领域发展迅速，很快实现了商用。如今TEM的分辨率已经可以达到亚埃量级(1埃=1E-10m=0.1nm，氢原子电子轨道半径约为0.528埃)，可以在原子尺度清晰地观察到样品的结构细节。

　　探微求真：电镜工作原理揭秘

　　扫描电子显微镜 (SEM) 利用聚焦的电子束对样品表面逐点扫描，通过探测电子束打在样品表面所产生的二次电子、X 射线等信号来对样品表面进行表征。透射电子显微镜 (TEM) 则是让电子束穿过薄样品，观测电子束形成的投影图像或衍射图案来揭示物质的微观结构。

　　SEM(左) 与 TEM(右) 结构示意图

　　无论哪种电子显微镜，都需要电子枪作为“光源”。最早的电子枪是热发射的，加热阴极的灯丝使得电子从材料中逃逸，实现电子束的发射。1965 年，芝加哥大学的 Albert Crewe 发明了场发射的电子枪。不同于热发射电子枪，场发射电子枪通过加速电场降低阴极的逸出功，使电子出射[7]。场发射电子枪亮度高，相干性好，显著提高了电子显微镜的分辨率。

　　肖特基热场发射电子枪灯丝的针尖：为了提高分辨率，电子光斑越小越好。因此，现代电子枪针尖都非常细。

　　电子从阴极发射，四散飞去。为了得到较好的光斑，在阴极下方会加装栅极和阳极。栅极带有比阴极更低的电压，负责过滤掉杂散的电子并会聚电子束。阳极带正的加速电压，负责加速电子。电子束穿过阳极后，会形成一个交叉斑，我们可以将这个交叉斑看做“点光源”。这就是经典的电子枪的三级结构。

　　电子枪结构：从上到下分别是阴极、栅极、阳极。电子穿过阳极形成的交叉斑可以看做“光源” [8]。

　　电子光路中最核心的组件就是起到汇聚作用的磁透镜了。磁透镜主要由线圈和由磁导率相当大的软磁材料制作的磁路组成。磁路可以收集线圈的磁通量，将磁场聚集在极靴附近。就像凸透镜越薄越接近理想透镜，极靴通过将磁场聚集在很短的路径上可以极大地提高电子束的质量，而且还可以为其它组件节省空间。根据电子光学的理论，磁透镜对近轴电子轨迹的作用就像凸透镜对光的折射一样。于是，我们可以像设计光学光路那样设计电子光学的光路。

　　SEM 的物镜示意图：在线圈外围，有磁导率非常大的软磁材料制作的磁路，磁路将磁场聚集于极靴附近(图中橙红色区域)。极靴的结构非常精细，极靴微小的形状变化可能就会显著改变磁场。磁路还为偏转系统留出了空间(中间的四个紫色矩形表示偏转线圈)。

　　电子光学光路与光学光路的相似性也意味着电子光学光路也有球差、像散、色差等像差。早在 1936 年，Otto Scherzer 就开始了对电子显微镜像差的理论研究[9]。理论研究表明：像散是磁场的高阶项引起的，这些高阶项的磁场等价于多级磁透镜在近轴近似下的磁场。因此，在现代化的电子显微镜中，磁透镜之间通常会有一些多极透镜作为消像散器。

　　八极磁透镜，可用作消像散器

　　汇聚的电子束照射于样品上，用于SEM的成像。电子与原子相互作用后产生一系列的出射信号，如二次电子、背散射电子、X射线(连续谱和特征X射线)、俄歇电子等等。通过接收来自样品不同位置的这些信号，我们可以得到样品的形貌、元素、电位等信息。

　　电子束与样品相互作用产生的各种信号

　　在SEM成像中，最常用的二次电子(Secondary Electrons, SE)图像，这类图像主要用于提供样品的表面三维形貌信息。SE指被入射电子束轰击出来的试样中的核外电子，是一种非弹性散射形成的低能电子，能量在0-50eV范围内。1956年英国的史密斯在扫描电镜中首先采用光电倍增管的组合来检测二次电子，但收集效率低，信噪比很差，后来，Everhart和Thornley两人对这种探测器进行了改进。如今，人们把这种改进后的二次电子探测器称为Everhart-Thornley探测器(简称E-T探测器)。

　　E-T探测器的结构如下图，二次电子受相对样品约300V的法拉第电笼吸引而被收集，又被加速到约10kV再打到闪烁体上。闪烁体将电子信号转换成光信号，而后光信号经光导管进行传输。后端的光电倍增管把接收到的光信号转换成电信号并再倍增放大，再经功率放大后则可作为显示屏的图像调制信号。

　　E-T探测器

　　那么，二次电子像为何可以提供样品的表面三维形貌信息呢?二次电子像的衬度主要取决于试样表面与入射电子束所构成的倾角，而对于表面有一定形貌的试样，其形貌被看成由许许多多与入射电子束构成不同倾斜角度的微小形貌，如凸点、尖峰、台阶、平面、凹坑、裂纹和孔洞等细节所组成。这些不同细节的部位发出的二次电子数各不相同，从而产生亮暗不一的衬度。[10]例如，如下方组图的上图所示，如果一个样品上有一个凸起，探测器对朝向探测器一侧发出的二次电子收集效率高，反之对背对探测器一侧发出的二次电子收集效率低，如此产生的衬度可以反映样品表面这个凸起的信息。

　　此外，如下方组图的下图所示，若将法拉第电笼上约300V的正电压换成约150V的负电压，能量较低的二次电子不会被收集，而能量较高的背散射电子(back scattered electron，BSE)仍然可以被收集，形成背散射电子像。其中，背散射电子能量大于50eV，小于入射能量，大部分背散射电子的能量约为入射能量的0.7-0.9倍。[10]背散射电子像可以为我们提供元素信息。卢瑟福散射强度和原子序数成正相关，可以为我们提供化学元素信息，因此我们可以通过图像的亮暗来定性判断元素轻重。

　　和现代大多数高精尖表征仪器一样，电镜的稳定工作离不开基础的后勤保障：真空、电路和软件。电镜的真空度一般要求在 1E-5 Pa的数量级以上。但这些就不仅仅是电镜的故事了。

想了解更多蔡司扫描电镜配置和价格请来电400-1500-108