1.1 扫描电镜的定义
人们总是希望能将自己的视野伸展得更远、观察得更细微，但人眼的视力范围却很小。许多教科书给出的人眼的理论分辨极限是在明视距离（25cm）下可分辨出100μm的物体。笔者认为，现实中能轻松分辨的物体的最小尺寸仅为1mm，要想观察更细微的细节就需要借助放大镜或显微镜。
1.1.1 显微镜与电子显微镜
显微镜是人们用以观察微观世界的仪器，其作用就是将人眼无法分辨的物体或物体上的微小细节放大到人眼所能分辨的尺寸。显微镜的基本组成包括光源、透镜系统以及信息接收及处理系统。
光源：提供一个激发样品信息的激发源（可见光、电子束）。
透镜系统：操控激发源或由其激发的样品的光学信息，从而形成放大的样品图像的信息，将人眼无法观察到的微小样品以及样品上无法被分辨的细节放大到可被人眼分辨的大小。
信息接收及处理系统：接收透镜系统所形成的图像信息，并进行处理，生成最终的放大图像。
依据光源和透镜类型可将显微镜分为光学显微镜和电子显微镜。光学显微镜以可见光为光源，其透镜系统的主要部件使用光学玻璃制作，信息接收及处理系统为人眼或光学探头（包含成像系统及配套的软件）。电子显微镜的光源为三级电子枪产生的高能电子束，使用电磁透镜系统对电子束进行操控（会聚、发散、放大、缩小），信息接收及处理系统使用的是荧光屏或各类探头及配套的软件。
显微镜的成像主要有两大模式：平行束成像和会聚束成像。
平行束成像是早期被广泛使用的一种成像模式。绝大部分光学显微镜以及早期的透射电镜都使用这种成像模式。平行束成像模式是将一束平行光（或散射光）打在样品上产生含有样品特征信息的透射光或反射光（体视镜），由透镜系统对这些透射光或反射光进行会聚、放大，在信息接收及处理系统上形成图像。透射电镜的平行束成像方式类似于幻灯机，如图1.1所示。直到20世纪70年代，透射电镜引入了会聚束成像模式，这才使其分辨力达到了原子级。
图1.1 透射电镜的平行束成像模式
平行束成像模式的成像速度快，有利于显微系统的原位动态观察，但分辨力不如会聚束成像模式。目前在透射电镜超高分辨观察中，为了获取高分辨像常使用聚光镜球差校正的会聚束成像模式，而在高分辨原位操控及动态观察中常使用物镜球差校正的平行束成像模式。会聚束成像模式主要应用在电子显微镜中，该模式是将电子束会聚成极细的电子探针，由交变磁场（扫描线圈）拖动，在样品上来回扫描，激发样品各点的信息，使之被信息接收及处理系统接收、处理，并生成样品的放大图像。
会聚束成像不是通过透镜放大图像，而是通过缩小电子束在样品上的扫描范围来放大图像，这种图像放大方式和平行束成像的图像放大方式有本质区别，2.2节将就此内容进行详细探讨。扫描电镜完全使用会聚束成像模式，透射电镜则包含这两种成像模式。
1.1.2 扫描电镜与透射电镜
对于扫描电镜与透射电镜的区别，人们往往简单地将扫描电镜划分为低级别的电子显微镜，将透射电镜划分为高级别的电子显微镜。形成这种观点的主要原因在于透射电镜的镜筒结构更为复杂，整体形态看起来也比扫描电镜更“高大雄伟”。此外，更关键的原因还在于透射电镜拥有更高的分辨力，可以看到原子级别的结构信息。
事实上，这两种类型的电子显微镜在本质上存在巨大差别。无论是电镜的结构还是成像方式都不相同，而所呈现的样品信息无论从形态上还是属性上都有非常大的差异。扫描电镜和透射电镜的结构如图1.2所示。
图1.2 扫描电镜和透射电镜的结构
从图1.2（b）可见，透射电镜的样品位于透镜的光路之中，电子束穿越样品，在样品下方所形成的透射电子和散射电子是透射电镜成像的主要电子信息。样品不能太厚，一般情况下，厚度不能超过60nm，样品的尺寸也不能太大，直径不大于几毫米。由于样品极薄，电子信息在样品中的扩散几乎对透射电镜的成像不产生影响，因此透射电镜的分辨力可以不断地提升。目前报道的性能最好的商用透射电镜，分辨力可达40pm（1pm=0.001nm）。透射电镜获取的主要是带有样品内部结构信息的投影像、衍射像和倒易像等。这几种图像都将三维空间信息转换成了二维平面信息。所以单张图像所呈现的空间结构特征不直观、不完全，需要仪器操作者或科研人员拥有较强的空间解读能力，才能从二维平面信息中解读出正空间（三维空间）的信息，从而正确地得出三维空间形态。目前各透射电镜厂家都引入了三维重构软件来更直观地呈现样品的空间三维结构，只是这种通过软件解析的呈现效果较为“呆板”。虽然透射电镜图像的直观性较差，但对晶体样品空间结构信息的呈现却可达到原子级分辨力，是观察原子级别的晶体结构和原位化学反应过程的利器。但是高能电子束对这些观察结果的影响也十分巨大，如何排除高能电子束的影响是目前电镜厂商所面临的最大难题。依据测试需求的不同，透射电镜分别使用了平行束成像和会聚束成像这两种成像模式。
扫描电镜则完全使用会聚束的成像模式。样品位于透镜光路之外，透镜的作用是形成电子探针（直径极其细小的电子束），并将该电子探针会聚于样品表面，激发样品的各种电子信息。其中溢出样品表面的二次电子和背散射电子是扫描电镜成像所依赖的主要电子信息。扫描电镜对样品尺寸的要求宽松，高能电子束一般难以穿透样品，因此电子的扩散对其分辨力的影响较大，使得扫描电镜的分辨力很难优于1nm。扫描电镜直观地呈现了样品表面的三维微观形貌，图像有强烈立体感，空间形态的伸展十分宽广、充分且直观。由于受样品厚度和加速电压的限制，透射电镜获得的样品表面形貌信息较少，形貌像的信噪比较差，空间的伸展也比较小，图像上的高低差基本在100nm以内。
电子显微镜有两种会聚束成像模式，分别为STEM（Scanning Transmission Electron Microscope，扫描透射电子显微镜）模式和SEM（Scanning Electron Miroscope，扫描电子显微镜）模式。STEM模式主要由透射电镜使用，SEM模式是扫描电镜的主要成像模式。命名的不同意味着成像的方式存在区别。这两种成像模式的最大差别在于使用了不同的电子信息进行成像。STEM模式使用的是穿越样品、位于样品下方的透射电子和散射电子，SEM模式使用的是溢出样品表面、位于样品上方的二次电子和背散射电子。不同的电子信息呈现出不同的样品信息，形成的图像也存在较大的差别。SEM模式获得的是带有强烈三维空间信息的表面形貌像。STEM模式获得的是带有样品内部信息的投影像、衍射像和倒易像。这是两种类型完全不同的样品信息，互为补充但无法相互替代。扫描电镜和透射电镜的STEM像与SEM像的对比如图1.3和图1.4所示。
图1.3 扫描电镜的STEM像与SEM像的对比
图1.4 透射电镜的STEM像与SEM像的对比
扫描电镜观察的样品，对于高能电子束来说，可被看成是无穷厚的。电子在样品中的扩散，对表面细节的呈现影响较大。加速电压越高造成的影响越大，故扫描电镜的加速电压限制在30kV以下。对于大部分样品，使用STEM模式成像，在高加速电压下，图像的空间分辨效果更好。样品越厚，高加速电压的空间分辨优势越大。如果观察的是以轻元素为主的薄样品，过高的加速电压会使图像的细节衬度不足，从而影响空间分辨。此时就要将加速电压降低才能获得更好的图像。采用辩证的思维方式，摒弃单调、僵化的思维模式对电子显微镜测试条件的选择是十分有益的。
扫描电镜可以加装STEM装置，从而获取加速电压低于30kV的STEM像，是形成低电压STEM像的必要补充。透射电镜也可以在样品的上方加装特制的二次电子探头，来获得样品的表面形貌像。但这些功能都具有较大的局限性，是所对应电镜重要的功能补充，而不是它们的主要功能。
综上所述，扫描电镜和透射电镜是两种不同类型的电子显微设备。各自在其主要的应用领域中起着举足轻重的作用，相互之间不具备完全替代的可能，因此不能简单地加以比较。本书将从扫描电镜的组成和工作原理入手，就扫描电镜相关理论知识，特别是针对实操的应对策略进行详细探讨，内容的实战属性强，对于理论探讨将采取尽量简化的方式，减少公式推导等纯理论的内容。