在科學(xué)探索的路上，人類對(duì)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)的每一次飛躍都拓寬了我們認(rèn)知邊界。然而當(dāng)探索的尺度進(jìn)入納米級(jí)別時(shí)，傳統(tǒng)的光學(xué)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(xué)家將目光投向了比光子波長短得多的粒子——電子。由此，一個(gè)全新的觀測(cè)維度被開啟，電子顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生，成為材料科學(xué)、生命科學(xué)、半導(dǎo)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(shí)，人們常常首先關(guān)注“放大倍率”，但決定圖像質(zhì)量的核心指標(biāo)是“分辨率”。分辨率，即顯微鏡能分辨兩個(gè)相鄰點(diǎn)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(tuán)模糊的光，直到車輛足夠近，我們才能分辨出這是兩個(gè)獨(dú)立的車燈，這個(gè)能夠分辨的臨界點(diǎn)就體現(xiàn)了分辨率的概念。

1873年，物理學(xué)家恩斯特·阿貝指出，光學(xué)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(jiǎn)而言之，用于成像的“尺子”（光的波長）越短，能測(cè)量的物體就越精細(xì)。可見光的波長在400至700納米之間，這使得精密的光學(xué)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(xué)的波粒二象性。根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超光學(xué)顯微鏡的分辨率奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，使其能夠輕松地對(duì)納米甚至亞納米級(jí)別的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。

圖 不同的顯微鏡觀測(cè)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(gè)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(hù)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(tái)式掃描電鏡所采用的預(yù)對(duì)中鎢燈絲設(shè)計(jì)，極大地簡(jiǎn)化了用戶的操作和維護(hù)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(duì)性能有更高要求的高階型號(hào)，如ZEM20 Pro就采用了單晶LaB?燈絲，使其分辨率可達(dá)3nm。

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

圖 肖特基熱場(chǎng)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(xì)

2、電磁透鏡：與光學(xué)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(chǎng)來聚焦帶負(fù)電的電子束。通過精確控制線圈中的電流，可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的聚焦、縮放和引導(dǎo)。

圖 不同透射強(qiáng)度會(huì)聚點(diǎn)也不同

3、真空系統(tǒng)：電子在空氣中會(huì)與氣體分子發(fā)生碰撞而散射，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。因此，整個(gè)電子光路（從電子槍到探測(cè)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?cè)诠ぷ髟?、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(xué)幻燈機(jī)：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(duì)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(jí)電磁透鏡的放大和聚焦后，在熒光屏或探測(cè)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(chǎng)像”。

核心優(yōu)勢(shì)：提供高分辨率，能夠直接觀察材料的晶體結(jié)構(gòu)、原子排布、位錯(cuò)等內(nèi)部精細(xì)特征。

核心挑戰(zhàn)：樣品制備嚴(yán)苛。生物樣品需要經(jīng)過固定、脫水、包埋、切片等一系列復(fù)雜處理，最終切成厚度通常在50-100納米的超薄切片。對(duì)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(xì)的聚焦電子束在樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)、逐行的光柵式掃描。當(dāng)高能的入射電子與樣品表面的原子相互作用時(shí)，會(huì)激發(fā)出多種信號(hào)，SEM正是通過探測(cè)這些信號(hào)來成像和分析的。

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(duì)樣品表面的微觀形貌極為敏感。我們看到的具有強(qiáng)烈立體感的SEM圖像，主要就是由二次電子信號(hào)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(duì)電子的散射能力越強(qiáng)，產(chǎn)生的BSE信號(hào)也越強(qiáng)，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(xué)成分分布。現(xiàn)代SEM，如澤攸科技的ZEM系列，標(biāo)配的四分割背散射電子探測(cè)器，不僅能采集成分信息，還能通過組合不同象限的信號(hào)來獲得一定的形貌信息，并且可以與SE信號(hào)按任意比例混合成像，使圖像信息更加豐富。

特征X射線：當(dāng)入射電子將原子的內(nèi)層電子擊出后，外層電子會(huì)躍遷來填補(bǔ)空位，同時(shí)釋放出具有特定能量的X射線，這種能量是每種元素獨(dú)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(qiáng)度，就可以對(duì)樣品表面的微區(qū)進(jìn)行精確的元素定性和半定量分析。ZEM系列掃描電鏡均預(yù)留了主流EDS廠商（如牛津儀器、布魯克）的接口，實(shí)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(shí)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(tái)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(qiáng)大。

1、低真空/環(huán)境掃描模式：傳統(tǒng)SEM要求樣品導(dǎo)電，否則表面會(huì)因電子束的持續(xù)轟擊而產(chǎn)生電荷積累，導(dǎo)致圖像扭曲、漂移。對(duì)于不導(dǎo)電的生物、陶瓷、高分子等樣品，通常需要進(jìn)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(shí)現(xiàn)了不導(dǎo)電樣品在不噴涂的情況下直接觀察，保全了樣品的原始形貌。

圖 低真空與高真空對(duì)比

2、自動(dòng)化與易用性：以往操作SEM需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行復(fù)雜的光路對(duì)中和參數(shù)調(diào)節(jié)。如今以ZEM系列為代表的現(xiàn)代臺(tái)式SEM，普遍配備了全中文的圖形化操作界面、光學(xué)相機(jī)導(dǎo)航、一鍵式自動(dòng)亮度/對(duì)比度/聚焦等功能，使得即便是初學(xué)者也能在短時(shí)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(tái)，SEM已經(jīng)從一個(gè)靜態(tài)的觀察工具，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)的微觀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。例如配備TEC冷臺(tái)，可以對(duì)含水樣品進(jìn)行冷凍觀察，研究其在低溫下的真實(shí)結(jié)構(gòu)；配備原位拉伸臺(tái)，則可以在納米尺度下實(shí)時(shí)觀察材料在受力過程中的裂紋萌生與擴(kuò)展行為。這些拓展功能極大地提升了SEM的科研價(jià)值。

圖 澤攸科技TEC冷臺(tái)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(biāo)。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(fù)眼的精細(xì)結(jié)構(gòu)、金屬斷口的失效機(jī)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(dòng)半導(dǎo)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(qiáng)大工具，其重要性不言而喻。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是像澤攸科技這樣致力于研發(fā)易用、高性能臺(tái)式電鏡的企業(yè)的推動(dòng)，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(shí)驗(yàn)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)新提供動(dòng)力。