电子显微学中的辩证法：扫描电镜的操作与分析
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
电子显微学中的辩证法：扫描电镜的操作与分析/林中清，李文雄，张希文著. --北京：人民邮电出版社，2022.3
ISBN 978-7-115-58022-1
Ⅰ.①电… Ⅱ.①林…②李…③张…Ⅲ.①扫描电子显微镜 Ⅳ.①TN16
中国版本图书馆CIP数据核字（2022）第027300号
◆ 著 林中清 李文雄 张希文
责任编辑 邓昱洲
责任印制 李 东 焦志炜
◆人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编100164 电子邮件315@ptpress.com.cn
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本书以自然辩证法的三大规律为指导思想来论述扫描电镜的基本原理，通过充分且翔实的实例向读者介绍扫描电镜的基本操作规程、测试条件的合理选择、疑难问题的成因和合适的应对策略。此外，本书还就测试过程中出现的各种表象，通过改变测试条件，对其进行全面、细致且深入的分析，帮助读者全面地认识扫描电镜，正确掌握扫描电镜的操作技巧和分析问题、解决问题的方法。
本书在理论探讨上力求简单明了，在实战操作上做到翔实充分，适合各大院校、科研院所相关专业的学生，相关企业的研发人员，以及扫描电镜领域的从业人员参考阅读。
说起哲学，人们的第一印象是晦涩难懂。大多数的哲学理论体系似乎都高高在上，与实践活动之间仿佛间隔着“天堑”。自然辩证法作为马克思主义哲学体系中的一个分支学科，自然而然地也被赋予了这样的论断。
在我国，自然辩证法是中学、大学的政治和哲学课程中的重要内容；在高考以及研究生考试中，自然辩证法也是必考的内容。但考试过后，还能说清楚自然辩证法基本内容的学生却不多。即便是自然辩证法的三大规律，能在第一时间表述出来的人也不多。对一些人来说，学习自然辩证法只是为了应付考试，平时很难将其基本原理融入思维体系作为各种实践活动的指导思想。而将自然辩证法作为指导思想对科学研究活动来说往往更为重要；辩证思维方式的缺失，常常会给研究者带来许多谬误和迷失，使研究者对事物的认识及研究偏离正确的轨道。
仔细考察万事万物的发展及变化规律，可以发现它们完全遵循着自然辩证法的三大规律：对立统一、否定之否定、量变到质变。
对立统一，即对立面的统一和矛盾规律。这一规律认为任何事物都具有内在的矛盾性，又都是矛盾的统一体。矛盾是指事物内部或事物之间既对立又统一的关系。矛盾是事物发展变化的源泉和动力。统一性受对立性制约，对立的形式、规模和范围又被统一性所规制。
否定之否定，是指任何事物都包含肯定与否定这两种因素，两者之间的对立统一促使事物自身发展。观察一个事物须同时看到事物的肯定与否定这两个方面。在肯定中看到否定，在否定中又要看到肯定。要全面地看问题，避免形而上学中的一些片面狭隘的思维方式给我们带来认识偏差。
量变到质变，是万事万物变化发展的基本表现形式。质是事物被区别的属性表现；量是事物可量化的规定性；度是保持事物属性的量的界限。量变是事物数量的变更，质变是事物根本性质的变化，是量变的终结。事物由量变导致质变的关键在于对度的把控，适度性原则是实践活动的最佳选择。事物的变化总是从量变开始，质变是量变的终结。
考察自然科学以及人文社会的演变进程可以发现，无论它们各自的进程差异有多大，都遵循着以上三大规律。下面以人类从出生到死亡的历程为例，简单地向读者描述这三大规律究竟如何规范着一个生命体的成长历程。
当一个婴儿降生，这个生命的统一体必然包含相互矛盾的两个因素：成长和衰老。成长和衰老作为两个相互否定的因素，统一存在于每个生命个体之中，而相互之间的量变将导致整个生命体的质变。
婴儿降生之初，成长因素在个体的发展进程中起着主导作用，此时衰老因素相对来说势微力弱，生命个体处于成长的阶段。随着时间的推移，各种身体机能将不断被加强。
伴随着年岁的增长，成长过程逐渐变缓，而衰老过程逐渐加速。当这种演变进程达到一定程度，也就是人到中年之后，衰老因素将转变为生命历程中的主导因素，从此这个生命个体将发生质的变化，走向衰老乃至死亡。
自然界的演进历程更是脱离不了这些规律。科学实验是对自然现象进行科学研究的最基本方法之一，在实验进行的过程中，改变任何一个条件，往往都会产生两个相互否定的变化因素，最终结果则由这两个因素在各自量变的此增彼减的变化过程中处于主导地位的那个因素来决定。随着条件的改变，处于主导地位的因素往往也会发生逆转，而逆转点常常就是得到最佳结果的实验条件。
仪器设备是科学实验过程中必不可少的工具。在操作仪器设备进行测试的过程中，测试条件的变化所带来的结果也将遵循自然辩证法的三大规律。
扫描电镜是揭示材料微观形貌最重要的工具之一，对它的正确认识是充分揭示材料微观形貌的基础。但目前对扫描电镜的理解往往存在单一且绝对化的倾向。这一倾向造成的结果是：在选择电镜时，研究人员往往带有一定的盲目性；而在使用仪器的过程中，操作员对测试条件的选择不合理，容易形成假象，并导致对结果的分析偏离实际。
本书将以自然辩证法的三大规律为基本指导思想，以不同的视角来论述扫描电镜的成像原理，探讨测试过程中四大测试条件（加速电压、束流强度、工作距离、探头）的合理选择，分析各种测试问题（样品的热损伤和碳污染、样品的荷电现象、样品磁性的影响）的成因及应对方案，并针对扫描电镜测试调整时的一些基本原则给出合理的建议。
对于以上这些内容，本书将通过对大量案例（近500张形貌像照片）的分析来强化读者的认知。感兴趣的读者可以通过扫描下方的二维码获取案例中用于对比分析的形貌像照片，来进一步加深对结论的理解。本书内容力求理论探讨简单明了、实战分析详尽充分，普及基本知识，提供查找工具，以期能为扫描电镜的使用者和行业从业者提供一些参考。
最后需要说明的是，本书的内容主要依托于笔者三十多年来进行扫描电镜测试的经验，受目前的主流理论体系影响较少。笔者提出的不少观点和论述，在目前的教材和相关文献中并没有被明确提出。例如，笔者提出并论述了形貌衬度这一概念，探讨了荷电现象的成因，阐述了对磁性材料的理解及进行测试时的应对方法，分析了扫描电镜极限分辨力的研判方式，论述了扫描电镜表面形貌像的清晰度与辨析度的辩证关系，等等。这些观点和论述都是基于大量充分的实际测试案例得出的，本书也精选并呈现了诸多案例。
当然，任何观点的提出都需要经得起同行的质疑及检验，笔者也希望能得到读者们的批评与指教，有任何意见和建议，请发送邮件至837588749@qq.com。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
虽然各电镜厂家在扫描电镜结构设计上存在较大不同，但基本的结构和工作原理都是基于图1.5所示的框架来搭建的，故本节也将以该框架为基础来展开讨论。
如图1.5所示，扫描电镜整机的结构可粗分为镜筒部分和电气部分。
1.镜筒部分
镜筒部分包括光源、透镜系统和真空系统。
（1）光源
扫描电镜的光源都是采用三级电子枪的结构设计，用来产生高能电子束。电子枪分为热发射及场发射两种类型。热发射电子枪三级结构分别为阴极、栅极、阳极，场发射电子枪三级结构的主体分别为阴极、第一阳极、第二阳极。电子枪结构设计及用材上的差异导致了光源的本征亮度不同，从而对扫描电镜的分辨力产生基础性也是决定性的影响。正是基于这个缘由，扫描电镜也都以光源的类型来命名。为什么光源的本征亮度对扫描电镜的分辨力具有决定性的影响呢？
●电子枪的发射亮度和本征亮度
电子光学中对光源亮度的定义基本延续了光学中对光源亮度的定义，只是将功率改成了电流（即电子束束斑电流，简称束流），其光源亮度定义为单位立体角内的束流密度，单位是A/（cm2·sr）。该定义表述的是由电子枪发射出来的电子束的亮度值，故可称为电子枪的发射亮度。在实际操作过程中可利用加速电压对发射亮度进行调整，发射亮度基本与加速电压成正比关系。但对发射亮度的调整必须是在某一个水平线上来进行，这条水平线就是电子枪的本征亮度。
从电子枪发射亮度的定义来看，束流密度越大、立体角越小则发射亮度越大。立体角越小可以保证样品产生信号的区域范围更小，高束流密度将使样品在小范围内产生大信号量。因此发射亮度大就可以保证信息接收及处理系统可以在更小的信息溢出范围内接收到更多的样品信息，这有利于获得样品的高分辨像。
要保证电子枪在同样的加速电压下有更大的发射亮度，就必须提升其品质。衡量电子枪品质高低的参数就是本征亮度，也称为约化亮度，其单位是A/（cm2·sr·kV）。本征亮度是一个常数，一旦电子枪制作完成，本征亮度也就确定了。电子枪阴极材料和结构不同，本征亮度也不同。常见的电子枪类型有钨灯丝、六硼化镧、热场发射、冷场发射，这些电子枪的本征亮度依次增大。电子枪的本征亮度越大，相同加速电压下形成的发射亮度也越大，越有利于获得高分辨像，以该类型电子枪为基础的扫描电镜的分辨力也越强。
电子枪的本征亮度是否越大越好？这个问题应当辩证地来看待，电子枪本征亮度的增大对形成高分辨的显微图像有利，但同时也会导致对样品热损伤的增大。当热损伤达到一定程度，其对样品的破坏将成为获取样品正常的显微像所面临的最大问题。例如，使用氦离子光源的显微系统就存在容易造成样品严重热损伤的问题。对于使用电子束做光源的扫描电镜，在现有条件下，其电子枪本征亮度值增大导致的样品热损伤处于相对较低的程度，因此，电子枪的本征亮度越大，扫描电镜的分辨力也就越强。
●电子枪的类型及其工作原理
电子枪根据阴极材质和三级结构设计的不同主要分为两种：热发射（钨灯丝、六硼化镧）和场发射（热场、冷场），它们的主体虽然都是三级结构设计，但不同点在于，热发射电子枪的三级结构分别为阴极、栅极（负偏压）、阳极；场发射电子枪的三级结构分别为：阴极、第一阳极（正偏压）、第二阳极。热场发射电子枪在阴极下方增加了一个主要用于抑制热电子对电子束产生影响的栅极。为什么场发射电子枪相对于热发射电子枪有更高的本征亮度呢？这些结构设计上的差异到底能为电子枪的性能带来怎样的改变？
先来介绍一下热发射电子枪。热发射电子枪的阴极材质分为两类：多晶钨和六硼化镧。钨灯丝和六硼化镧灯丝的阴极如图1.6和图1.7所示。
钨灯丝的材质是多晶钨，功函数大，电子须由高温激发。灯丝电流加载在钨灯丝上形成高温（2800K），全区域发射电子。电子束散射范围和色差都很大，故束流虽大但束流密度小，发射角大，电子枪本征亮度低，分辨力较弱。
六硼化镧灯丝的材质为单晶六硼化镧，单晶六硼化镧针尖焊在阴极座架上，其功函数比钨灯丝更小，灯丝电流加载在单晶六硼化镧上形成高温（1900K），发射电子主要集中在单晶区域（图1.7中白色尖端区域）。电子束散射范围、色差比钨灯丝低，束流密度比钨灯丝大。本征亮度和分辨力都强于钨灯丝。
下面以钨灯丝电子枪为例介绍热发射电子枪的工作原理，钨灯丝电子枪的结构如图1.8所示。加速电压（可调）以开路、负偏压形式加载在阴极。十几伏的加热电压（可调）以闭路形式叠加在阴极上，提供形成高温的阴极电流。栅极上以开路形式负载更低的可调负偏压。阳极接地（零电位），与栅极之间形成均匀的静电场。该静电场在栅极和阳极开孔处被拉大而变得不均匀，形态及功能接近透镜，对进入电场的电子具有会聚作用，故被称为静电透镜。灯丝位于透镜中的部位经过高温发射的热电子由静电透镜会聚成束，形成直径小于50μm的“电子束”。灯丝其余部位发射的热电子被栅极、阴极间偏压抑制，不参与形成电子束。阴极到阳极之间（主要是栅极与阳极之间）的加速电场将电子束中的热电子加速，形成扫描电镜的电子光源——高能电子束。
接下来再介绍一下场发射电子枪。按照电子枪在工作时的灯丝温度，场发射电子枪可分为冷场发射电子枪和热场发射电子枪这两种类型。热场发射电子枪灯丝尖部的单晶钨经过磨制暴露出（100）晶面，其特点为功函数比冷场发射电子枪的单晶钨更大，需要在单晶钨表面涂覆氧化锆涂层来降低拔出电子的功函数，并采用较高的工作温度（1200K），被拔出的电子主要来自氧化锆涂层。冷场发射电子枪灯丝尖部的单晶钨经过磨制暴露出（310）晶面，其特点为功函数小，单晶钨的电子可被第一阳极直接拔出，工作温度为室温。冷场发射电子枪及热场发射电子枪的灯丝结构基本一致（见图1.9）。热场发射和冷场发射电子枪的结构如图1.10所示。
从图1.10可见，无论是热场发射还是冷场发射电子枪，其基本结构都是阴极、第一阳极、第二阳极。加速电压以开路的负偏压形式加载在阴极上，第一阳极相对于阴极是正偏压，第二阳极为零电位。与热发射电子枪相同，热场发射电子枪的阴极上以闭路形态叠加了一个10V以内的加热电源，为抑制热电子对电子束的影响，在阴极下方设置了一个保护栅极。冷场发射电子枪阴极上叠加一个带开关、电压约60V的闭路电源，可以给阴极提供一个瞬时电流（FLASH操作），用以去除附着在灯丝上的气体分子。
场发射电子枪的工作过程如下。对于热场发射电子枪，灯丝（阴极）由单晶钨（100）构成，其功函数虽然比热发射电子枪的多晶钨丝小很多，但还是不足以让处于其下方的第一阳极（加载着相对于阴极的正电压）把电子从晶体的表面直接拔出。在单晶钨表面涂敷一层氧化锆，形成氧化锆/单晶钨（100）结构，可减小电子溢出的功函数。以这种灯丝为阴极，就形成所谓的“肖特基电子枪”。如此处理还是无法让第一阳极从针尖直接拔出电子，需在灯丝上加载一个低于10V电压的加热电源，将灯丝的温度提升到1200K，才能实现电子枪的正常发射。为屏蔽多晶钨的热电子，灯丝下方设置了低于500V的负偏压栅极保护层。单晶钨从栅极孔中伸出，该部位的电子发射非但不受栅极保护层负电场的抑制，还将受到该负电场给予的加速作用。位于栅极保护层下方的第一阳极所加载的电位高于阴极灯丝，分挡可调，最高可达4.2kV，称为引出电压。在该电压的作用下氧化锆的电子从灯丝尖部被拔出，由阴极与第二阳极（确切地说是栅极与第二阳极）之间的加速电场加速，形成直径小于50nm的高能电子束。热场发射电子枪的束流密度远大于热发射电子枪，而其立体角和色差远低于热发射电子枪。因此，热场发射电子枪的本征亮度远高于热发射电子枪，其数值高于热发射电子枪3个数量级，分辨力也大大强于热发射扫描电镜。
对于冷场发射电子枪，灯丝针尖由单晶钨（310）构成。该晶面逸出功函数小，可由加载在其下方第一阳极上的引出电压（4～6.5kV）直接拔出。电子枪不设栅极保护层，拔出的电子由阴极与第二阳极间的加速电场加速，形成直径小于10nm的高能电子束。
●冷场发射与热场发射电子枪的优缺点
热发射电子枪（钨灯丝、六硼化镧）的本征亮度较低，电镜的分辨力较弱，测试条件的选择与场发射电子枪也不在同一体系下，低加速电压下的成像质量极差。因此，接下来将只对场发射电子枪的两种类型来展开讨论。
冷场发射电子枪的阴极使用单晶钨（310），功函数相对较小。在工作中，不用加热电子枪即可通过电场拔出电子，故命名为冷场发射电子枪。
电子枪灯丝的电子出射范围小，立体角也小，溢出电子的能量差（色差）更小。虽整体的束流强度较低，但相对于出射范围来说，其比值，即束流密度，还是要比热场发射电子枪大。这使得电子枪的本征亮度较大，有利于扫描电镜获取高分辨的测试结果。电子枪的本征亮度的定义式如下。
当然辩证地来看，冷场发射电子枪也有其不足之处。其缺点在于电子枪温度低，镜筒中气体分子容易在灯丝表面累积，对电子的拔出产生影响。工作中发射电流会逐渐下降，需要不断提升引出电压。当气体分子累积到一定程度时，需要施加一个瞬时大电流（FLASH操作）来驱散这些气体分子。为了保持束流在测试中尽可能稳定，对镜筒真空度的要求更高，因而高真空度是扫描电镜获取高分辨形貌像的基础条件之一。
使用冷场发射电子枪作为光源的扫描电镜拥有更强的分辨力，但束流稳定性及束流强度略显不足。最新的冷场发射扫描电镜对电子枪、真空度和镜筒精度的改进，一定程度上弥补了这些缺陷，使其不再是冷场发射电子枪的严重缺陷。随着显微分析设备性能的提升，目前冷场发射电子枪仅在需要进行长时间的EBSD（Electron Backscattering Diffraction，电子背散射衍射）分析时还略显不足。
热场发射电子枪的问世时间比冷场发射电子枪更早。热场发射电子枪的阴极使用的是单晶钨（100），其功函数比多晶钨丝和六硼化镧单晶要小很多，但比冷场发射电子枪的单晶钨（310）的功函数大。电子虽然也是由第一阳极拔出，但需要采取一系列辅助的方法：灯丝加载一定电压，产生1200K的高温，单晶钨表面涂覆一层氧化锆，这些方法都是为了减小灯丝表面的功函数，提高发射效率。由于电子基本由第一阳极在单晶钨灯丝尖部拔出，因此其发射面积、立体角及色差都比热发射电子枪小很多，但比冷场发射电子枪要大。故本征亮度要比热发射电子枪提高很多，但低于冷场发射电子枪。
相较于冷场发射电子枪，热场发射电子枪的本征亮度略低，仪器分辨力略弱。氧化锆的消耗会降低灯丝束流的发射效率，当氧化锆涂层出现破损时，灯丝的高分辨寿命也就到头了，因此热场发射电子枪的高分辨寿命较短。热场发射电子枪的优点在于束流强度大且稳定，对微区分析有利，而随着分析设备[EDS（X-ray Energy Dispersive Spectrum，能量色散X射线谱）、EBSD]性能的提升，该优势也在逐步弱化，而其空间分辨力弱的劣势却无法得到改善。不过凡事都有度，这个度和测试需求有关，辩证的关系无处不在。
热场发射电子枪设置了抑制栅极，同样的加速电压下，电子束中的电子实际所处的加速电场强度比冷场发射电子枪的加速电场强度更大一些，故电子能量也更高。虽然冷场发射电子枪的束流密度较大，但对于抑制样品热损伤，还是有一定优势。大的工作距离会引起束斑弥散，将大幅削弱样品的热损伤。小的工作距离下，束流密度增大在其他条件相同的情况下会使样品的热损伤加重。由于具有电子枪本征亮度高和高真空的特点，冷场发射扫描电镜适合大工作距离和具备高分辨力的优势极其明显。
以枝晶MOF（Metal-Organic Framework，金属有机骨架）和Au纳米颗粒样品为例，具体分析热场发射和冷场发射扫描电镜对样品造成热损伤的差别，如图1.11和图1.12所示。
图1.11展示了枝晶MOF形貌，该样品容易受到电子束的热损伤。分别使用冷场发射和热场发射扫描电镜在相似条件下进行测试，热场发射扫描电镜只能观察更能耐受热损伤的粗枝晶而无法观察到细枝晶的结构。冷场发射扫描电镜即便观察更容易受到热损伤的细枝晶也不存在问题。
Au纳米颗粒样品由在硅片上蒸镀Au涂层获得，样品的制备条件为10mA工作电流，10s工作时间。热场发射扫描电镜使用的加速电压为1kV，工作距离为0.9mm，放大倍率为50万倍。虽然冷场发射扫描电镜使用的加速电压为3kV，放大倍率为80万倍，这些条件都更容易对样品造成热损伤，但由于工作距离被拉大到7.6mm，最终结果是样品的热损伤更小。对比图1.12（a）和图1.12（b）可以看出来，热场发射扫描电镜观察到的Au纳米颗粒热损伤严重；而冷场发射扫描电镜观察到的Au纳米颗粒保持了较为良好的形态，热损伤不明显。
热场发射电子枪和冷场发射电子枪的性能对比如表1.1所示。
（2）透镜系统
透镜是所有显微镜用于放大成像最关键的部件。不同类型的显微镜，组成透镜的材质及结构可以不同，但功能却基本相似。各电镜厂家在扫描电镜的透镜系统结构设计上可能略有不同，但是最基本的结构完全一致，包含以下几个部分。
聚光镜：会聚电子枪产生的电子束。
物镜：将电子束会聚在样品表面。
扫描线圈：产生交变磁场拖动电子束在样品表面扫描。
消像散线圈：消除因镜筒精度差异造成的磁场不均匀分布，形成电子束强度的各向差异。也就是将椭圆斑校正成圆斑。
极靴：引导、改善磁流体，形成高强度、均匀且封闭的磁场。
上述透镜或线圈均使用电磁透镜的结构。那么电子显微镜为什么使用的都是电磁透镜？电磁透镜有何优点？其构造和工作原理是什么？面临着哪些物理学问题？下面将一一解答。
●电磁透镜
前文谈到，透镜是显微镜放大成像最关键的部件。不同光源（光束、电子束）需要使用不同的透镜，光学显微镜使用的是光学透镜，电子显微镜则使用电磁透镜和静电透镜。静电透镜放大效果差，对电压要求极高，不易调整，故很少使用，本书不予探讨。
无论光学透镜还是电磁透镜都是通过改变信息激发源（可见光、高能电子束）的运行路径，来达成放大成像的效果。尽管高能电子束在电磁透镜中的运行轨迹比可见光穿越光学透镜时复杂得多，但最后的放大成像效果却基本相似。因此，电子显微学教材介绍电磁透镜的电子束路径时，往往都是以光学显微镜的光路为模板来进行探讨。
直线传播、反射、折射是光的3种传播模式。在同一种均匀介质中，光是以直线方式来传播的，小孔成像、影子等都是光线直线传播的反映。光线在两种介质交界处会发生传播方向的改变，当光到达界面后改变方向返回原来的介质中，这就是反射，反射光的光速和入射光相同。光线从一个介质进入另一个介质，会发生传播方向和传播速度的改变，这就是光线的折射现象。初中的物理教科书告诉我们，光学透镜的成像原理正是基于这种折射现象。
透镜可以看成许多棱镜按照特别设计的结构所进行的组合。通常情况下，光通过凸透镜时，经过两次折射后会聚在透镜另一侧的焦点（平行光）或像平面上；光通过凹透镜时，经过两次折射后按照焦点和虚像各点连线所形成的角度发散出去。凸透镜和凹透镜的经典成像模式如图1.13所示。
显微系统中，凸透镜的主要作用是对光线进行会聚、成像（实像、虚像、放大、缩小），也可对光路进行调整，是显微系统放大成像的主体部件。而凹透镜在显微系统中常常被用于消除系统像差对图像分辨率的影响。显微系统的像差包含球差和色差这两个部分，它们的存在会影响光线在通过显微系统时的会聚状态，使得光线穿越透镜后，无法完全会聚在透镜后方的焦点上，焦平面上将形成一个弥散斑。该弥散斑的存在，会使图像细节衬度变差，造成的结果是图像清晰度下降，严重的话会使得图像细节无法被分辨出来。光学透镜的成像规律如表1.2所示。
色差和球差是光线经过透镜时出现的两类像差，会影响显微系统的成像效果。消除像差影响，有利于显微系统获取高分辨像。任何光束很难保证束内光的能量完全一致。不同能量的光在介质中的传播速度也不同，通过透镜时，折射程度也会存在差别，在焦平面或像平面上将形成一个弥散斑，使图像模糊不清，影响图像的分辨率。不同能量的光线对应不同色彩，因此，由光的能量差异而引起的像差被称为色差，如图1.14所示。通过合理安排不同形态（凸透镜、凹透镜）、不同材质的透镜可以使色差相互抵消，如此可消除整个透镜系统的色差，如图1.15所示。
透镜中心区与边缘区对光线的折射存在差异，使得轴上某个物点发出的光束，穿越透镜后会聚在透镜后方光轴上的不同位置，在像平面上形成一个弥散斑从而影响图像的分辨率，这种像差被称为球差，球差的形成与校正如图1.16所示。利用光阑只让近光轴光线通过可以减少球差，所有的显微系统都会使用该方式来削弱较大幅度球差的影响。此外还有两种方式常常被光学显微镜所使用：曲配和组合透镜。曲配是指透镜两个曲面使用不同曲率半径，这两个曲面会对光线的折射产生差异，互相的抵消和弥补会减少透镜球差的数值。组合透镜是指利用凸透镜和凹透镜的组合消除球差，组合方式有胶合和分离。电子显微镜则主要使用电磁球差校正器来消除透镜球差。
●电磁透镜的构造及其工作原理
扫描电镜使用高能电子束作为光源，若使用光学透镜对电子束进行会聚，结果是损耗大、工艺烦琐、效果极差。一个轴对称的均匀弯曲磁场可对电子束产生更好的折射效果，而且操控简单、效果优异，是对电子束进行会聚的主要方式。由于类似于光学透镜对光线的会聚，且该磁场是利用电流通过绕制在软磁材料上的铜线圈来产生的，故而命名为电磁透镜。
电磁透镜的构造是将一个轴对称螺旋绕制的铜芯线圈置于一个由软磁材料（具备顺磁性，纯铁或低碳钢）制成的，具有内环间隙的壳子里，如图1.17所示。内部插入磁导率更高的锥形环状极靴，如图1.18（a）所示。该构造可以使磁场强度、均匀性、对称性得到极大提升，从而在较小空间获得更大的电磁折射率来提升磁透镜的会聚效果，使扫描电镜可以获得尺寸极小的电子束斑，拥有远大于光学显微镜的放大倍率。透镜的实物如图1.18（b）所示。
电磁透镜的工作过程如下：当电流通过铜芯线圈时，将产生一个以线圈轴中心对称分布的闭环磁场，电子在穿越磁场时因切割磁力线而受洛仑兹力作用发生向心的偏转折射，该偏转方向和电子运行方向叠加后使得电子在磁场中沿圆锥螺旋曲线轨迹运行，如图1.19所示，最终使电子束从磁场另一端飞出后被重新会聚，其轨迹如图1.20所示。类似于光学透镜中的光线会聚，电磁场对电子束起到透镜的作用。改变线圈电流的大小，可以改变电磁透镜对电子束的折射率。电子显微镜通过对透镜电流的调节可无级变换电磁透镜的焦点位置，达成改变整个透镜系统放大倍率的目的。任何一级透镜可在需要时打开，不用时关闭，如此更易于仪器的调整。
既然电子显微镜与光学显微镜的成像方式基本类似，那么在光学透镜的成像过程中存在的像差，在电磁透镜的成像过程中也同样存在，只是像差的严重程度及解决方式不一样。解决了像差，对扫描电镜和透射电镜的成像效果影响也不一样，下面将就此进行详细探讨。
电子显微镜使用高能电子束和电磁透镜，相对于光学显微镜，电子显微镜形成的像差要小很多。然而，解决了像差也会对电子显微镜的测试结果产生负面影响，例如，电子束会聚得更小将带来更严重的样品热损伤，增大立体角在扫描电镜测试时会增加电子信号在样品中的扩散范围，使用单色器会导致信号能量衰减。这些负面影响是否会超过解决像差所带来的正面效果？这就存在着量变到质变中对“度”的把握这样一个辩证的问题。
对光学显微镜而言，由于像差较大，显然解决像差带来的正面效果要更大一些，所以光学显微镜配制了大量消除像差的组件。电子显微镜呢？目前仅在场发射透射电镜中应用了球差校正器，在观察高分辨像时，球差校正器起着极为明显的作用，扫描电镜中却并未使用这样的校正器。这与两种电子显微镜所针对的样品以及所获取的样品信息特性有关。透射电镜观察的是超薄样品，厚度仅几十纳米，样品中的信息扩散基本可忽略不计，同时电子束和样品之间的热转换也不如扫描电镜充分。因此，在消除球差时的负面影响相对于扫描电镜来说要小很多。
透镜球差的改善会带来两个结果：束流密度和立体角的增加。束流密度的增加会使信息激发区缩小的同时增加信号强度，这对获得高分辨像有利；电子束立体角的增加将扩大散射电子的散射角，有利于提高图像的Z衬度，这正是形成高分辨STEM像所需要的条件。解决球差所带来的结果对形成透射电镜高分辨像基本都是有利因素，因此球差校正对透射电镜提高分辨力的效果十分明显。
实践证明，电磁透镜的球差远低于光学透镜的球差，因此消除球差可以在一定范围内对结果产生正影响。例如在对小于1nm的细节（特别是小于0.1nm的细节）的分辨上，消除球差的效果尤为明显，而对大于1nm的细节的分辨，这种改善效果会差很多，因为电磁透镜的球差极小，对这些形貌细节的影响也就十分有限。球差校正也要以电子枪亮度足够大为基础，还未见到在热发射电子枪上加装球差校正的应用。电子枪亮度太小，再好的球差校正也毫无意义。
扫描电镜所观察的样品相对电子束来说可视为无穷厚，电子束射入样品所引起的信号扩散较大。使用的电子信息是溢出样品表面的二次电子和背散射电子，改变电子束立体角对其溢出范围的影响不可忽略。扫描电镜一般无法分辨小于1nm的细节（2.3节将详细探讨），球差校正对扫描电镜的改善效果有限，因此，目前也没有球差校正应用于扫描电镜。球差校正器是使用多极子校正装置产生的磁场对电子束做一个补偿散射（如同凹透镜对光线的散射），来消除聚光镜边缘所引起的球差，其结构如图1.21所示。
电子显微镜减少色差主要依靠单色器。其原理是将电子束按照能量进行分离，然后选取某个能量段的电子束，由此降低电子束的能量差，也就是色差。其缺点是电子束强度会随着色差的改善而同步降低，这就要求样品本身能产生充足的信息，信号接收器的接收效果也要得到相应的提升。目前单色器主要被用于高端的热场发射扫描电镜，冷场发射电子枪的电子束本身的色差很小，添加单色器对色差的改善效果不大，而负面影响（束流的衰减）可能更大，故冷场发射扫描电镜未见使用单色器。安装单色器仅是对色差较大的光源进行纯化，很难使被纯化的光源的品质（本征亮度）有很大的提升。
（3）真空系统
电子显微镜使用高能电子束作为光源。高能电子束在运行过程中极易受到气体分子干扰，造成电子束出现能量衰减、束斑弥散等现象。电镜镜筒的真空度不高，将极大地削弱电子束的发射亮度，使样品中电子信息的溢出范围增大、溢出量减弱、均匀性变差、杂散信息增加。同时气体分子的存在将会对探头接收样品的电子信息产生干扰，削弱探头的接收能力，并造成镜筒的污染。以上这些都会直接影响电子显微镜的性能，导致仪器的分辨力下降。
要维持电子显微镜的高分辨工作状态，就必须减少镜筒中的气体分子，即保证镜筒处于高真空状态。可以说镜筒高真空是电镜高分辨的最基本保证之一，没有高真空就无法获得电子显微镜的高分辨图像。维持电子显微镜的高真空，要做好以下几点：真空泵的性能要足够强；管路要充分密封；尽可能减少由样品带入各种易挥发的污染物。第3章将详细介绍如何减少由样品带入的污染物，本节将主要对各种真空泵做一个简单的介绍。
真空泵是制造及维持电子显微镜真空环境最关键的部件。依据镜筒各部位对真空度的不同需求，所选用的真空泵也不相同。同时各类真空泵对工作环境真空度的需求也不相同。这些不同的需求使得电子显微镜真空系统的设计理念必须是将不同类型的真空泵，依据仪器的真空度需求和各类真空泵对工作环境的真空度需求进行合理的搭配。
组成电子显微镜真空系统的真空泵主要有以下几种：机械泵、扩散泵、涡轮分子泵、离子泵。
●机械泵
机械泵是最早出现，同时也是最成熟的真空泵。其结构简单、性能稳定、价格低廉、使用寿命长，产生的真空度较低（从标准大气压到10-3Pa）。因此作为制造电子显微镜低真空环境，以及制造高真空体系中前级真空环境的泵机，几乎被所有类型的电子显微镜所使用。对油气污染有特殊要求的电子显微镜使用隔膜泵来替代机械泵。但隔膜泵结构较复杂、易出故障、价格较昂贵、寿命较短、噪声较大，因此没有被广泛应用。机械泵的实物和结构如图1.22所示，主要包含圆柱空腔定子、偏心转子、旋片、弹簧、定盖和排气阀等零件。
机械泵的工作过程如下：偏心转子的顶端始终保持与圆柱空腔定子内腔接触，形成定盖。转子旋转时，始终沿定子内壁滑动；转子开有两个滑槽，分别安装一个旋片，两个旋片中间安装一个弹簧，当旋片随转子旋转时，借助弹簧张力和转子的离心力，使两旋片紧贴在定子内壁滑动。两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C这3个部分，分别叫作吸气腔、压缩腔和排气腔。
当转子按图示的逆时针方向旋转时，与进气口相通的空间A的容积增大、压强降低，当空间内的压强低于被抽容器内的压强，依据气体压强平衡原理，容器中的气体将不断地被抽进吸气腔（A）；同时与排气口相通的排气腔（C）容积减小、压强升高，当气体的压强大于排气口的大气压强时，排气阀打开，排气腔气体被排至大气中。压缩腔（B）中的气体被两个旋片密封送往排气口。每次旋片越过定盖，压缩腔将转变为排气腔，同时形成新的吸气腔和压缩腔。
随着这3个腔室循环往复地转变，容器中的气体由吸气腔转入压缩腔，再转入排气腔，最后由排气口排出。容器中的气体被抽出后，容器也逐渐进入真空状态。在气体由排气腔转入吸气腔时，吸气腔并不处于完全真空状态，而是存在一定的真空度，这就使容器中的真空在达到一定程度之后，将很难与吸气腔的真空维持压差。此时机械泵就无法将容器中的真空度进一步提升，从而出现一个真空极限。该极限值大约为10-3Pa。
电子显微镜想要获取更高的真空度就需要依靠扩散泵、涡轮分子泵、离子泵等高真空泵机。
●扩散泵和涡轮分子泵
早期电子显微镜的高真空度主要依赖扩散泵来实现。扩散泵主要使用高速油气分子来制造真空，因此也叫油泵，其结构如图1.23所示。
扩散泵的工作原理如下：将特制的泵油加热，然后让油蒸气从伞形喷嘴高速喷出，将射流下方的气体向下挤压，形成射流层上下的压力差；射流上方的被抽气体因压差向油蒸气射流中扩散并被射流携带到带有水冷管的泵壁处，大部分油蒸气被冷凝成油滴沿泵壁流回到油箱中循环使用，而被抽气体被下级射流逐级压缩，最后被前级泵（机械泵）抽走。扩散泵可将容器真空度提升到10-6Pa，将机械泵的真空度提升了3个数量级，但是它具有油污染和抽气速率小等缺点。因此逐渐被更清洁、获取真空度更高且速度更快的涡轮分子泵所替代。
涡轮分子泵可将容器真空度在很短的时间内从10-2Pa提升到10-7Pa，极限值可达10-9Pa。涡轮分子泵的结构如图1.24所示。
高速旋转的叶片带动气体分子做定向运动，只要把叶片角度设计合适，高速旋转的叶片就会将气体分子向下带向排气口，由位于排气口的前级泵，也就是机械泵将气体分子排向大气。
●离子泵
离子泵的基本原理是利用阴极放电使气体分子电离形成气体离子。气体离子撞击金属（钛）制作的阴极，在腔体的内壁形成活性膜，吸附容器中的气体分子以达成提升容器真空度的目的。
离子泵的实物、结构及工作原理如图1.25所示。
离子泵的工作过程如下：首先是潘宁放电，在间距极小的阴、阳极板间施加高电压，使极板间的电场强度非常大；在与之平行的磁场辅助下，电子以螺旋线的轨迹高速运动，以增加电子运动行程，从而大大提高了电子与气体分子碰撞的概率；碰撞将产生阳离子和二次电子，连锁反应将提高离子和电子的产量；紧接着是气体吸附过程，阳离子以很大的能量冲击阴极（钛板），产生强烈的溅射，大量的钛原子被轰击出来，沉积在阳极筒壁上和阴极板上遭受离子轰击较弱的区域，形成新鲜的钛膜吸附活性气体，惰性气体则在阴极溅射不强烈的区域被掩埋。由此将减少容器中的气体分子，提升容器的真空度。
从离子泵的工作原理可知，离子泵是一个需要在真空环境下工作的真空泵，否则将降低其使用寿命。当真空度处于10-3Pa或更低时应该关闭离子泵。只有在真空度高于10-4Pa时，才能启动离子泵。离子泵可将容器真空度提升到10-9Pa以上，是超高真空的利器，被广泛地用于高分辨场发射扫描电镜的真空系统中。
扫描电镜真空系统需要依据电镜对真空度的需求进行设计。钨灯丝扫描电镜因电子枪亮度对分辨力的限制，配置性能过高的真空系统并不经济，故只需配置机械泵和涡轮分子泵（早期为扩散泵）即可满足需求。场发射扫描电镜的超高分辨对镜筒的真空度有更高的要求，通常需要在镜筒位置配置两个以上的离子泵，以保证电子枪和镜筒处于10-7Pa以上的真空度。冷场发射扫描电镜对真空度要求更高，一般配置3台离子泵。日立Regulus8200系列冷场发射扫描电镜还在电子枪附近加装化学吸附泵，进一步提升电子枪真空度，以保证电子枪能够进行较长时间的稳定工作。
2.电气部分
扫描电镜的电气部分主要具有两大功能：一个是给镜筒内的各个功能部件（电子枪、各类透镜、探头以及真空系统等）提供工作电源（电压）；另一个就是接收和处理样品的各种表面形貌信息（主要是二次电子、背散射电子），形成表面的微观形貌像。电气部分包含了针对镜筒各功能部件用电特性所设计的各种专用电路板和电源线路板，将市电转换成电镜专用的电源电压，对电镜的各个功能部件进行调整，以形成激发样品信息的电子探针。由探头、信息处理系统、信号放大系统以及显示器所组成的信息接收及处理系统，成为电气部分的另外一个组成部分，将样品信息以图像的形式呈现出来。
各厂家在设计线路板以及用于处理信息的软件时，都充分体现了各自的特点，故要想充分了解，必须阅读各厂家的使用说明书，在此很难一一复述。但在探头设计方面，特别是对二次电子探头的设计，其基本架构和探头可获取的信息却相差无几。目前主流观点对探头的认识过于简单，容易形成一些认识偏差。
本节将重点讨论二次电子探头和背散射电子探头的基本结构和所获得的表面形貌信息的特性。
（1）二次电子探头的组成及工作原理
二次电子能量较弱（低于50eV），要想充分获取二次电子信息就必须使用高灵敏探头。利用敏感度极强的荧光材料接收弱信号，再以光电倍增管对弱信号进行放大，将能量极弱的二次电子信息转换为能被电子线路处理的电信号，这种设计模式是目前解决这一难题的最佳方案。二次电子探头也正是基于这个思路来设计的。由收集极、闪烁体、光导管、光电倍增管和前置放大电路组成的探测器被称为埃弗哈特-索恩利（Everhart-Thornley）探测器，一直以来都是各电镜厂家用于接收二次电子的主流探测器，其结构如图1.26所示。
位于探头最前端的收集极由金属网构成。略高于200V的正偏压负载在收集极上以协助捕获更多的二次电子。进入收集极的二次电子被加载在闪烁体金属铝膜上的10kV电压加速，在闪烁体上产生一定数量的光子。闪烁体产生的光子经光导管全反射导入光电倍增管阴极，由阴极转换成电子。这些电子被光电倍增管的倍增极不断倍增，由阳极输出高增益、低噪声的电信号。紧贴阳极的前置放大电路将这些电信号放大后输出。
二次电子探头本身是无法从低能量的二次电子中将到达探测器的高能量背散射电子给分离出来的。但可通过改变收集极偏压，将低能量的二次电子阻隔在探头之外。在探头收集极上加载负偏压，则探头获得的信号为背散射电子信号。这种情况下，图像信号衰减较多，质量较差。
综合上述的探讨，可得出如下结论，由二次电子探头采集样品电子信息所获得的形貌像，其特性取决于到达探头的电子信息中不同电子的比例。电子信息中二次电子比例大，图像就偏向二次电子图像的特性，背散射电子比例大则图像偏向背散射电子的图像特性。
（2）背散射电子探头的构造及工作原理
经典的背散射电子探头使用环状硅基材料，探头的主要部件是硅面垒探测器或金-硅面垒探测器，由肖特基二极管或PN结二极管组成，如图1.27所示。
硅基材料形成电子-空穴对，只有具备一定能量的电子才能激发电子-空穴对。能量较高的背散射电子可在探测器中激发大量的电子-空穴对，同样的加速电压下，电子-空穴对的产量和背散射电子强度具有一定的对应关系，由此形成对应的电信号，经放大处理后在显示器上形成样品的背散射电子图像。图像特性是Z衬度、晶粒取向衬度较突出，但细节缺失严重。能量较小的二次电子很难激发电子-空穴对，被自然地排除在探测器之外。因此由该探头所获得的图像带有强烈的背散射电子图像特性。
为了获取低能量的背散射电子信息，背散射电子探头可以改用YAG（Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴子石）晶体，或在探头上涂敷一层薄膜，如FEI公司的T1探头和CBS（Circular Backscattered，环形背散射）探头，这些改变都对探头获取低能量背散射电子有利，形成的图像细节更丰富。不过探头灵敏度提高了，二次电子等低能量电子的干扰也会增多，Z衬度也会相应被削弱。因此可以说，辩证关系无处不在，适度选择才是最佳的标准。
对照图1.5，扫描电镜的工作原理（方式）如下：三级电子枪产生的高能电子束，经聚光镜系统会聚、消像散线圈校正后由物镜将其会聚于样品表面形成电子探针；电子探针将激发出样品中的各种信息，其中溢出样品表面的背散射电子、二次电子及特征X射线是形成样品表面形貌像，并对其进行形貌微区成分及结构取向分析（元素分布及含量、晶体取向、应力等）的主要信号源。
这些样品信息由安装在镜筒和样品仓内的各类探头接收，形成与表面形貌信息相对应的电子信号，经各种专用软件分析、处理，形成样品形貌像和成分像的一个像素点。如果电子束固定不动，则只可获得该像素点的信息。想要获取样品的整个表面形貌信息，就必须利用扫描线圈产生的交变磁场，拖动电子束在样品表面来回扫描，将样品表面形貌的各点信息激发出来，由探头接收并组成完整的形貌像，完成扫描电镜成像的整个工作过程。
在形成形貌像的同时，扫描电镜还可以利用装载在样品仓的分析附件，如能谱探头和EBSD探头，获取由样品表面溢出的背散射电子和特征X射线等信息，进行形貌微区的元素定性、半定量、特定元素的区域定量、元素区域分布（Mapping）状况等分析。也可对晶体样品进行形貌微区的结构、取向、应力及这些信息的区域分布状况等分析。
工作距离（WD）的选择对形成扫描电镜表面形貌像来说极为关键，因为它是调控扫描电镜各探头获取溢出样品表面的各种电子信息和特征X射线的基础。工作距离往往容易和扫描电镜焦距的概念混淆：工作距离是指物镜下边缘到样品上表面的距离；焦距（f）是物镜电磁透镜的中心点到样品的距离。由于两者差距极小，故在实际操作中也可将工作距离近似认为就是扫描电镜的焦距。在扫描电镜测试过程中，探头到底能获取怎样的样品信息，形成的形貌像有怎样的特点，与工作距离的选择关联性极大。关于这一点却常被大家所忽视，使获取的形貌像信息不充分甚至出现假象，4.2节中将给出详细的探讨。
前文介绍了扫描电镜的定义及工作原理，下一章将详细探讨与扫描电镜相关的理论知识。
