掃描電鏡的成像原理與透射電鏡有何不同

SEM的成像過(guò)程及TEM的成像原理是完全不同的

TEM是利用透射電子經(jīng)電磁透鏡成像;SEM的成像不需要成像透鏡,它是采集電子束激發(fā)樣品的信息(主要是二次電子)和反彈回來(lái)的背散射電子,類似于電視顯像過(guò)程,其圖像按一定時(shí)間空間順序逐點(diǎn)形成,并在鏡體外顯像管上顯示。)

1、結(jié)構(gòu)差異：主要體現(xiàn)在樣品在電子束光路中的位置不同。透射電鏡的樣品在電子束中間，電子源在樣品上方發(fā)射電子，經(jīng)過(guò)聚光鏡，然后穿透樣品后，有后續(xù)的電磁透鏡繼續(xù)放大電子光束，最后投影在熒光屏幕上；掃描電鏡的樣品在電子束末端，電子源在樣品上方發(fā)射的電子束，經(jīng)過(guò)幾級(jí)電磁透鏡縮小，到達(dá)樣品。當(dāng)然后續(xù)的信號(hào)探測(cè)處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也會(huì)不同，但從基本物理原理上講沒(méi)什么實(shí)質(zhì)性差別。
相同之處：都是電真空設(shè)備，使用絕大部分部件原理相同，例如電子槍，磁透鏡，各種控制原理，消象散，合軸等等。

2、基本工作原理

透射電鏡：電子束在穿過(guò)樣品時(shí)，會(huì)和樣品中的原子發(fā)生散射，樣品上某一點(diǎn)同時(shí)穿過(guò)的電子方向是不同，這樣品上的這一點(diǎn)在物鏡1-2倍焦距之間，這些電子通過(guò)過(guò)物鏡放大后重新匯聚，形成該點(diǎn)一個(gè)放大的實(shí)像，這個(gè)和凸透鏡成像原理相同。這里邊有個(gè)反差形成機(jī)制理論比較深就不講，但可以這么想象，如果樣品內(nèi)部是絕對(duì)均勻的物質(zhì)，沒(méi)有晶界，沒(méi)有原子晶格結(jié)構(gòu)，那么放大的圖像也不會(huì)有任何反差，事實(shí)上這種物質(zhì)不存在，所以才會(huì)有這種牛逼儀器存在的理由。經(jīng)過(guò)物鏡放大的像進(jìn)一步經(jīng)過(guò)幾級(jí)中間磁透鏡的放大（具體需要幾級(jí)基本上是由電子束亮度決定的，如果亮度無(wú)限大，最終由阿貝瑞利的光學(xué)儀器分辨率公式?jīng)Q定），最后投影在熒光屏上成像。

由于透射電鏡物鏡焦距很短，也因此具有很小的像差系數(shù)，所以透射電鏡具有非常高的空間分辨率，0.1-0.2nm，但景深比較小，對(duì)樣品表面形貌不敏感，主要觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

掃描電鏡：電子束到達(dá)樣品，激發(fā)樣品中的二次電子，二次電子被探測(cè)器接收，通過(guò)信號(hào)處理并調(diào)制顯示器上一個(gè)像素發(fā)光，由于電子束斑直徑是納米級(jí)別，而顯示器的像素是100微米以上，這個(gè)100微米以上像素所發(fā)出的光，就代表樣品上被電子束激發(fā)的區(qū)域所發(fā)出的光。實(shí)現(xiàn)樣品上這個(gè)物點(diǎn)的放大。如果讓電子束在樣品的一定區(qū)域做光柵掃描，并且從幾何排列上一一對(duì)應(yīng)調(diào)制顯示器的像素的亮度，便實(shí)現(xiàn)這個(gè)樣品區(qū)域的放大成像。具體圖像反差形成機(jī)制不講。

由于掃描電鏡所觀察的樣品表面很粗糙，一般要求較大工作距離，這就要求掃描電鏡物鏡的焦距比較長(zhǎng)，相應(yīng)的相差系數(shù)較大，造成最小束斑尺寸下的亮度限制，系統(tǒng)的空間分辨率一般比透射電鏡低得多1-3納米。但因?yàn)槲镧R焦距較長(zhǎng)，圖像景深比透射電鏡高的多，主要用于樣品表面形貌的觀察，無(wú)法從表面揭示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，除非破壞樣品，例如聚焦離子束電子束掃描電鏡FIB-SEM，可以層層觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

透射電鏡和掃描電鏡二者成像原理上根本不同。透射電鏡成像轟擊在熒光屏上的電子是那些穿過(guò)樣品的電子束中的電子，而掃描電鏡成像的二次電子信號(hào)脈沖只作為傳統(tǒng)CTR顯示器上調(diào)制CRT三極電子槍柵極的信號(hào)而已。透射電鏡我們可以說(shuō)是看到了電子光成像，而掃描電鏡根本無(wú)法用電子光路成像來(lái)想象。