随着各行业对高分辨率微区形貌分析的需求不断提升，普通光学显微镜已经不能满足此类科研需求，因此，景深大、分辨率高，成像直观、立体感强、放大倍数范围宽的场发射扫描电镜成为微纳米尺度下成像分析的热点。

1935年，德国学者诺尔首次提出了扫描电镜的概念；1965年，英国剑桥科学仪器公司研制成功第一台商用扫描电镜（Stereoscan mark 1），开创了扫描电镜研发、制造的先河；1985年，第一台由软件控制的扫描电镜(Cambridge S360)研发成功，标志着扫描电镜与数字化分析接轨；2005年，美国发布全球第一台超高分辨率的带有低真空的场发射扫描电镜，分辨率达到1.0 nm，极大的推动了材料学，物理学，化学，生物学，考古学，地矿学和微电子工业的发展。

一、工作原理

扫描电镜以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，通过电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子等，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。

场发射扫描电镜相较于普通热发射扫描电镜，具有更高亮度、更小电子束直径，即束斑尺寸小，具有更高分辨率，是纳米尺度下微区形貌分析的首选。

图1 场发射扫描电镜原理及组成部分

Fig.1 Principle and components of field emission scanning electron microscope

二、仪器组成

场发射扫描电镜由场发射电子枪、电子束推进器、聚光镜（电磁透镜）、光阑、物镜（电磁透镜）、扫描线圈、极靴、探测器组成。

1、场发射电子枪

场发射电子枪分为冷场发射电子枪（Cold FEG）和热场发射电子枪（Thermal FEG）。冷场发射电子枪电子束直径最小，亮度最高，具有最高的分辨率，但对真空的要求极高（10^-10toor），稳定性较差，工作8~12小时就需要进行一次flash（短暂加热针尖至2500K）还原，受稳定性的影响，无法实现部分扩展分析功能；热场发射电子枪最大的特点是束流大，稳定性强，但分辨率较差（电子能量散布大）。

为了在提高分辨率的同时，保证电子束稳定性，采用肖特基（Schottky）场发射电子源，在钨单晶上镀氧化锆覆盖层，氧化锆将功函数从纯钨的4.5eV降至2.8eV，而外加高电场更使电位障壁变窄变低，使得电子很容易以热能的方式跳过能障（并非隧穿效应），逃出针尖表面，所需真空度约10^-8~10^-9torr。

肖特基场发射式发射电流稳定度好、总电流也大，分辨率大大提高（较冷场发射稍差一点），其功能性和发展性远高于冷场发射，现广泛商业应用的热场发射基本都是肖特基场发射。

                  （a）热场电子源（Schottky式）      （b）冷场电子源

图2 电子源

Fig.2 Electronic source

2、聚光镜

等位线与磁力线正交，通过透镜间隙向两端伸展，形成汇聚场，相当于“凸透镜”。电子束从中间通过时被强磁场偏转聚焦，使大直径的电子束通过聚光镜后汇聚为小直径束斑。

3、光阑

按照孔径大小分为大孔径光阑和小孔径光阑，通过大孔径光阑的束流较大，可以增强X射线信号；通过小孔径光阑的束流较小，可以减小荷电，提升图像质量。

图3 光阑

Fig.3 Aperture

4、物镜

物镜位于镜筒最下方，用来将电子束汇聚在样品上，通过聚焦旋钮调节物镜电流，可以改变电子束焦距。

德国蔡司（Zeiss）研发了复合磁/静电物镜，保障物镜下方无磁场泄露；能够获取高纯度二次电子信号，有利于改善分辨率；一方面，可以近距离高分辨观察磁性物质；另一方面，也可以做到大写场无畸变。

图4 复合磁/静电物镜结构

Fig.4 Composite magnetic/electrostatic objective structure

5、探测器

电子束轰击样品表面，发生相互作用后产生二次电子、背散射电子等，电子的空间分辨率取决于加速电压和样品密度。这些电子信号被不同探测器收集处理成图像，下面介绍几种常见的电子探测器：

1）镜筒内二次电子探测器（In-lens SE）

In-lens探测器位于物镜上方，通过控制物镜中的电极板电压来选择进入探测器的电子信息，低角度的电子信息越多，图像越清晰。此类探头适合用于高分辨率表面形貌成像，即分析样品细节。

（1）In-lens SE探测器；（2）射束路径；（3）物镜；（4）样品

图5 镜筒内二次电子探测器原理

Fig.5 In-lens SE detector principle

2）Everhart-Thornley（E-T）型二次电子探测器

E-T型二次电子探测器位于样品室内，由集电栅、闪烁体、光导管、光电倍增管和前置放大器组成。集电栅收集到的电子经过加速，在闪烁体上形成光子，形成的光子通过光电倍增管、光导管后转化为电信号，经过放大器放大后输出。此类探头适合观察样品的形貌衬度，立体感强；荷电影响小；Z衬度好；细节易受信号扩散影响，高倍清晰度不足。

（1）前置放大器；（2）光电倍增管；（3）光导管；（4）闪烁体；（5）集电栅；（6）样品

图6 E-T型二次电子探测器原理

Fig.6 ETSE detector principle

3）背散射探测器（BSD）

背散射探测器是一种可以气动缩回的电子探测器。即使在电压数较低的情况下，它也可以高效率地辨别材料特性。它有五个分离的二极管段，一个内部后中心环，和四个外部象限。内部的段（S1）主要体现材质对比度，而四个外部象限（S2到S5）更多地用于体现形貌衬度。BSD 探测器受荷电影响较小，一般情况下，分辨率不及二次电子图像。

图7 背散射探测器原理

Fig.7 BSD detector principle

三、相关应用

图8 高成熟页岩有机质孔

Fig.8 Porosity of organic matter in highly mature shale

图9 高成熟页岩中黄铁矿

Fig.9 Pyrite developed in shale

图10 砂岩绿泥石两期结晶

Fig.10 Two-stage crystallization of sandstone chlorite

四、仪器参数对比