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在科學探索的征途上，人類對微觀世界的渴望從未停止。從列文虎克用自制顯微鏡首次窺見微生物，到今天我們能夠清晰地觀察原子排列，顯微技術(shù)的每一次飛躍都極大地拓寬了我們認知邊界。然而當探索的尺度進入納米級別時，傳統(tǒng)的光學顯微鏡便遇到了其物理極限——阿貝衍射極限。為了突破這道“光的屏障”，科學家將目光投向了比光子波長短得多的粒子——電子。由此，一個全新的觀測維度被開啟，電子顯微鏡應(yīng)運而生，成為材料科學、生命科學、半導體工業(yè)等眾多前沿領(lǐng)域的“火眼金睛”。

一、 為何選擇電子：分辨率的本質(zhì)

在討論顯微鏡性能時，人們常常首先關(guān)注“放大倍率”，但真正決定圖像質(zhì)量的核心指標是“分辨率”。分辨率，即顯微鏡能分辨兩個相鄰點之間的最小距離的能力。正如夜色中駛來一輛汽車，我們最初只能看到一團模糊的光，直到車輛足夠近，我們才能分辨出這是兩個獨立的車燈，這個能夠分辨的臨界點就體現(xiàn)了分辨率的概念。

1873年，物理學家恩斯特·阿貝指出，光學顯微鏡的分辨率極限主要受制于光的波長和物鏡的數(shù)值孔徑。簡而言之，用于成像的“尺子”（光的波長）越短，能測量的物體就越精細?？梢姽獾牟ㄩL在400至700納米之間，這使得最精密的光學顯微鏡分辨率也難以突破200納米。

圖 光譜示意圖

而電子，作為一種亞原子粒子，其行為遵循量子力學的波粒二象性。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運動的電子同樣具有波的特性，其波長與加速電壓相關(guān)。例如，在100kV的加速電壓下，電子的波長僅為0.0037納米，比可見光短了約十萬倍。這種極短的波長，為電子顯微鏡實現(xiàn)遠超光學顯微鏡的分辨率奠定了堅實的理論基礎(chǔ)，使其能夠輕松地對納米甚至亞納米級別的結(jié)構(gòu)進行成像。

圖 不同的顯微鏡觀測的波長范圍

二、 電子顯微鏡的核心構(gòu)成

無論是哪種類型的電子顯微鏡，其核心系統(tǒng)都包含幾個關(guān)鍵部分：

1、電子槍：作為電子束的源頭，其作用是產(chǎn)生高能量、高亮度的電子束。電子槍通常由燈絲（陰極）、韋氏筒和陽極組成。根據(jù)燈絲材料和工作原理的不同，主要分為三類：

鎢燈絲：成本較低，維護方便，是許多普及型掃描電鏡的首選，例如澤攸科技ZEM10和ZEM18系列臺式掃描電鏡所采用的預對中鎢燈絲設(shè)計，極大地簡化了用戶的操作和維護流程。

單晶燈絲：亮度更高，壽命更長，能夠提供更好的信噪比和分辨率。常用于對性能有更高要求的高階型號，如ZEM20 Pro就采用了單晶LaB?燈絲，使其分辨率可達3nm。

場發(fā)射電子槍：亮度最高，電子束能量更集中，是實現(xiàn)原子級分辨率成像的關(guān)鍵。ZEM Ultra系列場發(fā)射掃描電鏡便采用了肖特基場發(fā)射電子源，實現(xiàn)了優(yōu)于2.5nm的高分辨率。

圖 肖特基熱場發(fā)射電子槍燈絲的針尖：為了提高分辨率，電子光斑越小越好，因此現(xiàn)代電子槍針尖都非常細

2、電磁透鏡：與光學顯微鏡使用玻璃透鏡折射光線不同，電子顯微鏡利用電磁場來聚焦帶負電的電子束。通過精確控制線圈中的電流，可以改變磁場強度，從而實現(xiàn)對電子束的聚焦、縮放和引導。

圖 不同透射強度會聚點也不同

3、真空系統(tǒng)：電子在空氣中會與氣體分子發(fā)生碰撞而散射，嚴重影響成像質(zhì)量。因此，整個電子光路（從電子槍到探測器）都必須置于高真空環(huán)境中。這也是為什么電子顯微鏡無法直接觀察活體、含水樣品的原因之一。

三、 兩大主流技術(shù)：TEM與SEM

電子顯微鏡主要分為兩大類型：透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）。它們在工作原理、樣品要求和獲取信息上有著本質(zhì)的區(qū)別。

圖 TEM與SEM原理

TEM是歷史上最早發(fā)明的電子顯微鏡。其工作原理類似于傳統(tǒng)的光學幻燈機：高能電子束穿透極薄的樣品，樣品的不同區(qū)域由于密度和厚度的差異，對電子的散射能力不同。通過樣品的電子束攜帶了樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過多級電磁透鏡的放大和聚焦后，在熒光屏或探測器上形成二維的明暗襯度像。電子束未被散射或散射角度小的區(qū)域在圖像中顯示為亮區(qū)，而被樣品中致密結(jié)構(gòu)（如原子核、晶界）散射掉的區(qū)域則顯示為暗區(qū)，這便是“明場像”。

圖 TEM工作圖

核心優(yōu)勢：提供極高的分辨率，能夠直接觀察材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子排布、位錯等內(nèi)部精細特征。

核心挑戰(zhàn)：樣品制備極其嚴苛。生物樣品需要經(jīng)過固定、脫水、包埋、切片等一系列復雜處理，最終切成厚度通常在50-100納米的超薄切片。對于材料樣品，也需要通過減薄或聚焦離子束（FIB）等技術(shù)制備成電子束可以穿透的薄膜。

與TEM讓電子束“穿過”樣品不同，SEM則是讓一束極細的聚焦電子束在樣品表面進行逐點、逐行的光柵式掃描。當高能的入射電子與樣品表面的原子相互作用時，會激發(fā)出多種信號，SEM正是通過探測這些信號來成像和分析的。

圖 SEM工作圖

二次電子：這是入射電子將樣品原子核外層軌道電子“敲”出而產(chǎn)生的低能電子（通常<50eV）。它們僅來自樣品表層幾納米到十幾納米的深度，因此對樣品表面的微觀形貌極為敏感。我們看到的具有強烈立體感的SEM圖像，主要就是由二次電子信號構(gòu)成的。

背散射電子：這是一次電子與樣品原子核發(fā)生彈性碰撞后，被大角度“反彈”回來的高能電子。BSE的產(chǎn)額與樣品表面的原子序數(shù)（Z）密切相關(guān)，原子序數(shù)越大的元素，其原子核對電子的散射能力越強，產(chǎn)生的BSE信號也越強，在圖像中就表現(xiàn)為更亮的區(qū)域。這種“成分襯度”使得BSE圖像能夠直觀地反映出樣品表面的化學成分分布。現(xiàn)代SEM，如澤攸科技的ZEM系列，標配的四分割背散射電子探測器，不僅能采集成分信息，還能通過組合不同象限的信號來獲得一定的形貌信息，并且可以與SE信號按任意比例混合成像，使圖像信息更加豐富。

特征X射線：當入射電子將原子的內(nèi)層電子擊出后，外層電子會躍遷來填補空位，同時釋放出具有特定能量的X射線，這種能量是每種元素獨有的“指紋”。通過能譜儀（ EDS）收集并分析這些X射線的能量和強度，就可以對樣品表面的微區(qū)進行精確的元素定性和半定量分析。ZEM系列掃描電鏡均預留了主流EDS廠商（如牛津儀器、布魯克）的接口，實現(xiàn)了形貌觀察與成分分析的一體化。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡可同時采集SE及BSE圖像，可任意比例混合成像，使圖像信息更加豐富

四、 現(xiàn)代掃描電鏡的技術(shù)革新

隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是臺式掃描電鏡的興起，SEM的應(yīng)用門檻大大降低，功能也日益強大。

1、低真空/環(huán)境掃描模式：傳統(tǒng)SEM要求樣品導電，否則表面會因電子束的持續(xù)轟擊而產(chǎn)生電荷積累，導致圖像扭曲、漂移。對于不導電的生物、陶瓷、高分子等樣品，通常需要進行“噴金”或“噴碳”處理。而低真空模式（如ZEM20可在1-60Pa范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）通過在樣品室中引入少量特定氣體，氣體分子被電離后可以中和樣品表面的多余電荷，從而實現(xiàn)了不導電樣品在不噴涂的情況下直接觀察，極大地保全了樣品的原始形貌。

圖 低真空與高真空對比

2、自動化與易用性：以往操作SEM需要經(jīng)驗豐富的工程師進行復雜的光路對中和參數(shù)調(diào)節(jié)。如今以ZEM系列為代表的現(xiàn)代臺式SEM，普遍配備了全中文的圖形化操作界面、光學相機導航、一鍵式自動亮度/對比度/聚焦等功能，使得即便是初學者也能在短時間內(nèi)上手并獲得高質(zhì)量的圖像。

3、原位（In-situ）分析能力：通過集成特殊的樣品臺，SEM已經(jīng)從一個靜態(tài)的觀察工具，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€動態(tài)的微觀實驗平臺。例如配備TEC冷臺，可以對含水樣品進行冷凍觀察，研究其在低溫下的真實結(jié)構(gòu)；配備原位拉伸臺，則可以在納米尺度下實時觀察材料在受力過程中的裂紋萌生與擴展行為。這些拓展功能極大地提升了SEM的科研價值。

圖 澤攸科技TEC冷臺案例圖

總結(jié)而言，選擇TEM還是SEM，完全取決于您的研究目標。如果您想研究病毒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料的晶格缺陷或納米顆粒的原子構(gòu)型，您需要TEM。如果您想觀察昆蟲復眼的精細結(jié)構(gòu)、金屬斷口的失效機理、或者分析樣品表面的污染物成分，那么SEM是您的不二之選。

從揭示物質(zhì)最基本的構(gòu)造，到驅(qū)動半導體芯片工藝的迭代，電子顯微鏡作為人類探索微觀世界的強大工具，其重要性不言而喻。隨著技術(shù)的不斷進步，特別是像澤攸科技這樣致力于研發(fā)易用、高性能臺式電鏡的企業(yè)的推動，電子顯微鏡正變得越來越智能、功能越來越集成化。它們不再是少數(shù)頂尖實驗室的專屬設(shè)備，而是逐漸成為更多科研工作者和工程師觸手可及的常規(guī)分析手段，持續(xù)為人類的科技創(chuàng)新提供著源源不斷的動力。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡