作者：施明哲
出版社：电子工业出版社
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扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术试读：
内容简介
本书是介绍扫描电镜和X射线能谱仪原理与应用技术的专业读物，全书共分为上、下两篇。
上篇包括第1～9章，主要论述了扫描电镜原理、应用中的操作要点和常见的图像质量问题，以及一些改善图像质量的方法和措施。并列举了几个在电应力和环境应力等作用下的失效电子元器件的分析图例。书中对近年来新推出的可变压力和环境扫描电镜的特点及专用探测器，电镜的真空系统，真空泵的原理、结构、维护、保养等事项，以及电镜对安装场地的要求都进行了介绍，以供读者在规划和安排电镜场地时参考。
下篇包括第10～19章，主要介绍了锂漂移硅［Si（Li）］与硅漂移（SDD）能谱仪的基本原理、结构和使用中的一些实际应用问题。最后还简略地介绍了传统的罗兰圆波谱仪和平行光波谱仪的基本原理和它们各自的特点。
附录中收录了真空压力单位的换算表，能谱分析中可能出现的假峰、重叠峰等，以及一些与显微分析有关的标准号及中文名称。
本书适用于从事扫描电镜显微分析方面的操作、应用、安装和维修等工程技术人员参考，也可作为理工科院校相关专业的师生参考书。前言PREFACE
扫描电镜与能谱仪和波谱仪的组合是最近四十多年来发展起来的一种高效、实用，又几乎是非破坏性的表面显微分析设备。它类似于专业的电子探针分析仪，在微观形貌观察方面又胜过专业的电子探针分析仪，它不仅能用作高分辨力的微观形貌观察，也能够对试样表面的微区进行化学组分分析。它能够分析的微区面积大可达平方毫米的量级，小可到平方微米的量级，图像的几何分辨力可以达到或优于纳米级。此外，由于操作者可以选择电子束的分析区域，扫描电镜与能谱仪和波谱仪的组合分析不仅可检测试样的表面和基材的化学组分，而且更适合于检测试样中的夹杂物、镀层的表面和横截面、小污染斑的形貌，以及微观尺寸的测量等。
由于电子显微分析设备在微观分析中有广泛的用途和诸多优点，进入新世纪以来，随着国民经济和科研技术的快速发展，电子显微分析设备已成为许多行业开展微观物质形貌和化学组分分析的主要设备及重要手段。原中国电镜学会理事、北京市电镜学会理事长张德添教授在2009年就估计“全国目前能够使用的各种电子显微镜大概有3500～4000台，其中扫描电镜约2500台，其余的是透射电子显微镜；在材料学领域拥有约3000台，生物医学领域拥有约1000台，而且每年以超过100台的数量增长，显然电子显微镜在材料科学和生命科学领域已经成为不可缺少的工具”。如果张德添当年的估计是准确的，那么到目前为止全国的电镜总数应有4300～4800台。最近这几年每年全国新安装的扫描电镜、透射电镜、电子探针分析仪和聚焦离子束等设备的拥有量上升很快，每年全国新安装总台数约200多台。这些设备中除了一部分是替代淘汰的老旧设备之外，其余为新增分析设备。最近这几年，每年的新增量约有200台。每年新加入电子显微分析队伍的人员也在不断扩大，包括应用、培训、安装维修、维护管理和销售人员，每年新加入这行业的人员近千人，加上目前在岗的技术人员，全国总共有上万人的队伍。若再加上各高校相关专业师生，科研院所和企业的测试、质检和微观失效分析等相关技术人员，全国总共有数万人的队伍。这些技术人员都需要有一些不同层次的显微分析方面的专业参考书，以便能更好地掌握和了解这类分析设备的主要结构、工作原理、应用范围和检测能力，特别是对一些新技术和新功能的了解。
本书是作者在电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室多年工作积累的基础上撰写完成的。为适应同行读者的需要，在此基础上，结合市场上新推出的扫描电镜的一些新技术和新功能及近几年举办的扫描电镜和能谱仪原理与应用研讨班的讲稿进行了整理和充实。
本书以实用为主，突出实用性以尽可能适应不同专业和层次的读者使用，书中尽量减少数学推导，在力求用文字阐明基本原理的基础上，尽可能做到概念清楚、图例明确，强调动手和解决实际问题的分析测试能力。但由于电子显微分析技术发展迅速，更新换代日新月异，涉及的领域也比较广，而本人的知识面有限，加上成书时间较仓促，对一些新技术的资料收集还未能齐全，书中难免会存有疏漏和谬误，恳请诸位读者和同行批评指正，以便再版时能得到纠正。希望本书能对步入电子显微分析的新同行有所启发，对有一定经验的同行尤其是从事电子元器件失效分析、材料和质量检测的人员能有所裨益，能成为一本理论联系实际的实用性参考书。
本书的编写始于原主任余松乔的关心和鼓励，得到现主任恩云飞的极力支持。在成书的过程中也得到重点实验室诸多同仁的积极支持和帮忙，如在资料查询、核对方面得到郝明明博士的鼎力相助；在计算机绘图插画方面得到肖庆中、雷志锋和师谦等高工们的帮助和指点；在校准、审核的过程中得到郝明明、李晓倩、陈义强、方文啸、李沙金和黎恩良等同仁的热情帮助，他们提出了许多中肯的修改意见和宝贵的建议，在此一并表示衷心的感谢！
另外，为了便于论述和能更完整、有效地介绍相关设备的一些新技术原理和新颖的设计及一些比较典型的结构，书中有个别地方以相关生产厂家的某个型号、个别图片和参数为例来作为学术上的讨论、讲解、示范之用，除此之外绝无其他目的。在这些列举型号和图例中曾得到HITACHI、FEI、ZEISS、JEOL、TESCAN、KYKY等电镜和EDAX、BRUKER、OXFORD、NORAN等能谱仪及相关电镜附件生产厂家的大力支持，在此表示由衷的感谢！感谢这些生产厂家的大力支持和无私帮助，感谢他们为本书提供了部分精美图片和一些新技术及新功能的参数等信息。
书中还有个别图片是从同行好友或网络上转载而来的，有的是时间久了一时找不到出处，因而有极个别图片暂时无法标注来源，在此非常感激原图作者的创作精神和分享，若有热心的读者能发现原图片的出处或者本书中存在的缺点和谬误，诚恳地欢迎广大读者帮忙指正！最好直接联系作者，联系邮箱：ws_smz@163.com。以便再版能及时补上原文作者的名字或出处及修改谬误。书中有的地方还选用了参考文献中的个别图表和照片，在此对这些图表和照片的原作者再次表示感谢！施明哲2015年6月符号和术语的说明
由于书中涉及的内容比较广，使用的符号也比较多，为了与本书的符号相一致，对引用文献中的个别符号也作了改变。本书尽量采用已被本行业普遍接受的符号，如电子束加速电位用E0表示而不用U0，这便于与电子光学学科中常用的电子伏特（eV）单位进行换算，但有别于一般的电工和物理书籍的习惯用法。“X射线”一词中的“X”在有的文献中用大写，而有的用小写，本书中全采用大写，如写成“X射线”而不写成“x射线”。
另外，对于某些术语，如国内出版的一些有关电镜的专业文献中提到的图像分辨能力和能量分辨力，虽然多数文献中采用“分辨率”这一写法，但本书中全采用“分辨力”。因“分辨能力”在英语词汇里是用“resolution”表示的[1]，而笔者认为“分辨能力”简称为“分辨力”这三个字既科学又通达词意。国家微束标委会副主任周剑雄研究员主编的《扫描电镜测长问题的讨论》一书中，也多处专门提到分辨力这个问题，在该专著中还专门指出“resolution”不是“分辨率”而是“分辨力”[2]。在该专著中，由上海计量院的电镜计量专家张训彪教授编写的《测量不确定度的评定与表示的讨论》一文在最后结论中还专门指出：“‘显微镜的分辨力’，20年前标准中就改过来，直到现在，教科书中、论文中都没有改。”[3]上海冶金所显微分析老专家李香庭教授在《扫描电镜、电子探针的分辨力及放大倍率》一文里，也都采用的是分辨力这一术语[4]。这些都是老专家们的正确提议，这也与国标《GB/T 21636：电子探针显微分析术语》中的定义和规范相符，从而在本书中也采用“分辨力”这一写法。而对于能谱和波谱仪中的能量分辨力，因它以能量为单位，即eV，所以本书中也都采用分辨力来表示，而不用分辨率。注意：这有别于构成图像像素点的分辨率，即图像的像素“分辨率”与图像的几何分辨能力的“分辨力”是有区别的，千万不能搞混。
还有电镜镜筒中的汇聚透镜和汇聚束，有的文献中用“会聚”，也有的用“汇聚”，这两种用法都有，本书中全采用“汇聚”；对光栏的写法有的采用“光阑”，有的用“光栏”，这两种写法都有，本书中全采用“光栏”。依笔者的初步理解采用“汇聚”和“光栏”更能反映出汇聚透镜和光栏的功能与作用，特别用“光栏”更能突显光栏在电子光路中的作用主要是用于遮栏杂散电子和限定聚焦电子束的发散角，同时还兼有调控电子束斑大小的功用，再说依词义“栏”和“阑”的用法也有某些相通之意[5]。
书中涉及的其他专业术语基本上都与国标“GB/T 21636”的定义和规范相符。参考文献
[1] 葛传槼，陆谷孙，薛诗绮等．新英汉词典．上海：上海译文出版社，1984，P1145．
[2] 张训彪等．测量不确定度的评定与表示的讨论．扫描电镜测长问题的讨论．成都：电子科技大学出版社，2006（5），P212．
[3] 张训彪等．测量不确定度的评定与表示的讨论．扫描电镜测长问题的讨论．成都：电子科技大学出版社，2006（5），P206．
[4] 李香庭．扫描电镜、电子探针的分辨力及放大倍率．扫描电镜测长问题的讨论．成都：电子科技大学出版社，2006（5），P182和P183．
[5] 新华字典．11版．北京：商务印书馆，2011，P284．上篇扫描电镜的原理与实用分析技术 第1章 光学显微镜和电子显微镜的发展回顾及其成像方式的比较 第2章 扫描电镜的原理和结构 第3章 扫描电镜的主要探测器及其成像 第4章 扫描电镜的实际操作 第5章 试样的制备 第6章 应用图例 第7章 电镜的维护与保养 第8章 电子显微镜的安装环境和要求 第9章 展望将来的扫描电镜 附录A 压力单位的换算表 附录B 几个真空技术的主要术语和含义 附录C 与电镜分析有关的部分标准第1章 光学显微镜和电子显微镜的发展回顾及其成像方式的比较1.1 光学显微镜的发展简史及几个基本概念
为了便于了解和掌握扫描电镜原理，在介绍扫描电镜原理之前先简单地介绍一下光学显微镜的发展简史及几个与电镜成像有关的基本概念。因为扫描电镜与光学显微镜的基本成像原理有相似之处。电子光学中应用的成像理论和概念有的是从几何光学和物理光学中引申过来的。它们之间的主要区别在于：首先是照明源和聚焦成像的方式不同，其次是它们的作业环境不同，一个是在大气环境中，另一个是在真空环境中。
探索微观世界的奥秘是人类几千年来的愿望和追求，更何况随着科学技术的发展，人们也越来越需要深入探测和了解微观结构的仪器。光学显微镜是能提供这种需求的主要仪器之一，它突破了人类的视觉极限而延伸到肉眼无法看清的微观世界之中。光学显微镜是利用可见光的光学原理，把原来人眼所不能分辨出来的微小物体放大成像，使人们能够看到微观结构和了解其内部信息的光学仪器。
自从有了显微镜，人们看到了之前未曾看到过的许多微小生物和构成这些微小生物的基本单元——细胞。光学显微镜是继17世纪费马（Fermat）确立了光线传播的最短光程原理，荷兰人列文．虎克（A．V．Leeuwenhoek）在最简单的放大镜基础上设计出单透镜的显微镜之后开始，发展成为当今结构复杂的复式显微镜。从1800年第一台光学显微镜诞生到1900年，经过一百年的不断研究、改进和发展，光学显微镜的结构已比较完善，分辨力也基本接近于理论值。特别是最近这几十年来，各种测量、相差、荧光、偏光和共焦等用于相应专业观察的显微镜先后诞生，它们被广泛地应用于医学、生物、材料等各种科研、教学和生产领域。1.1.1 光学显微镜的发展简史[1]
早在两千多年前，人们就已发现通过球形的透明物体去观察微小物体可以使物体放大成像。后来逐渐对球形的玻璃透镜能使物体放大成像的规律有了初步认识。在1590年前后，荷兰密得尔堡一个眼镜店的老板詹森已经能造出类似显微镜的放大工具，在1605年前后已做出雏形的显微镜。在1610年前后，意大利的伽利略和德国的开普勒等物理学家们在研究望远镜的原理时，通过改变物镜和目镜之间的距离，得出合理的显微镜光路结构，致使当时的一些光学专家和爱好者们先后投入研制和改进显微镜的工作中去。17世纪中叶，荷兰的列文．虎克和英国的罗伯特．虎克（Robert ．Hooke）都对显微镜的发展作出了卓越贡献。17世纪60年代，列文．虎克在这之前不仅磨制出了第一个放大镜，而且在之后的显微镜研制中，加入了粗、细调焦机构，照明系统和承载试样的载物台，这些部件和结构经过后来专家们的不断优化和改进，都成为现代显微镜中不可缺少的组成部分。列文．虎克用自制的显微镜把物体放大到了300倍，使人类看到了之前从未看到过的微观世界。罗伯特．虎克用自制的复合显微镜首次看到细胞的内部微观结构。
17世纪70年代，列文．虎克制成单组元放大镜式的高倍显微镜，据说其中有9台保存至今。列文．虎克和罗伯特．虎克各自利用自制的显微镜，在动/植物机体微观结构的研究方面都取得了杰出的成就，这对后来的生物和医学学科的发展起到了直接的推动作用。图1.1.1为列文．虎克的肖像和他早期研制的几台典型的光学显微镜外形图。
19世纪，高质量消色差浸没物镜的出现，使显微镜观察微细结构的能力大为提高。1827年阿米奇第一个采用了浸没物镜。1873年德国人阿贝（Abbe）和赫尔姆霍茨（Helmholfz）分别提出了分辨力与照射光的波长成反比的理论，奠定了光学显微镜的经典理论基础。这些都促进了显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，并为19世纪后半叶包括科赫、巴斯德等在内的生物学家和医学专家们发现细菌等微生物提供了不可缺少的观察工具。图1.1.1 列文．虎克（Leeuwen hooke 1632.10.24—1723.08.26）和他早期研制的光学显微镜
在显微镜本身结构得到发展的同时，显微观察技术也在不断创新，1850年出现了偏光显微术，1893年出现了干涉显微术，1935年荷兰物理学家泽尔尼克研制出了相衬显微术，泽尔尼克获1953年的诺贝尔奖。1988年共焦（Confocal）显微镜开始推向市场。
我国大连理工大学吴世法教授等研制的原子力与光子扫描隧道组合显微镜，在2002年9月23日通过了国家教育部组织的鉴定。这是在拥有两个国家发明专利的基础上，成功地研制出具有我国自主知识产权的新一代纳米分辨的AF/PSTM型多功能光学显微镜，其中有些功能和图像分解方法尤为先进，属国内外首创，已达到国际领先水平。
古典的光学显微镜只是光学元件和精密机械部件的组合，早期只能以人眼作为基本的接收器来观察放大了的像，后来在显微镜中加入了摄像装置，以感光胶卷（负片）作为可以记录的媒介，而现代显微镜都采用光电元件、电视摄像管、电荷耦合器和半导体芯片等作为显微镜的微观图像的存储接收器，若再加配微型计算机，便能构成完整的图像采集、信息处理、储存和转发系统。图1.1.2～图1.1.5分别为现代金相显微镜、红外显微镜、偏光显微镜、体视显微镜的外形图。图1.1.2 现代的金相显微镜图1.1.3 现代的红外显微镜图1.1.5 三台不同型号的现代图1.1.4 现代偏光显微镜体视显微镜1.1.2 光学透镜的特性
1．光的折射
光线在均匀的各向同性介质中，两点之间以直线传播，当通过不同密度介质的透明物体时，会发生折射现象。这是由于光在不同介质的传播速度不同而造成的。当与透明物面不垂直的光线（如由空气）射入透明物体（如玻璃）时，光线会在其界面改变方向，并和法线构成折射角。
2．玻璃透镜的性能
透镜是组成显微镜光学系统最基本且是最重要的光学元件。物镜、目镜及聚光镜等部件均由单个和多个透镜组成，依其外形的不同，可分为凸透镜、平面镜和凹透镜三大类，其中常用的组合是凸透镜和凹透镜。
当一束平行于光轴的光线通过凸透镜后会汇聚相交于一点，该点称为“焦点”。通过焦点并垂直于光轴的平面，称为“焦平面”。焦点有两个，在物方空间的焦点称为“物方焦点”，该处的焦平面称为“物方焦平面”；反之，在像方空间的焦点称为“像方焦点”，该处的焦平面称为“像方焦平面”。光线通过凹透镜后，成正立虚像；而通过凸透镜则成倒立实像。实像可在屏幕上显现出来，而虚像则不能显现出来。
3．影响成像的关键因素——像差
由于客观条件，任何光学系统都不可能形成理论上理想的像，因各种像差的存在影响了成像质量，下面简要介绍各种光学像差的概念。
1）色差
色差（Chromatic Aberration）是由于透镜使用白（多）色可见光作为光源成像的一种缺陷。色差发生在照射光源为多色光混杂的情况下，若用单色光成像在理论上是不会产生色差的。因一般的可见光（白光）是由红、橙、黄、绿、青、蓝和紫7种颜色的光组成的，由于各种颜色光的波长不同，所以在通过透镜时它们的折射率也不同，从而当物方是一个点时，在像方则会形成一个小圆斑。色差一般由位置色差和放大率色差两种组成。位置色差使像在任何位置观察时，都会带有色斑或晕环，使所成的像模糊不清，而放大率色差会使所成的像带有彩色的边缘。
2）球差
球差（Spherical Aberration）是轴上点的单色像差，是由于透镜的球形表面造成的。球差造成的结果是一个圆点成像后，像方对应的不再是一个边缘清晰的圆亮点，而是一个中间亮边缘逐渐模糊的亮斑，从而影响所成像的清晰度。由于凸、凹透镜的球差是相反的，所以在光学显微镜中，球差的矫正可通过选配不同的凸、凹透镜组合的办法给予消除或矫正。在早期老式的显微镜中，其物镜的球差有的未能完全矫正好，其分辨力就难于提高。它应与相应的补偿目镜配合才能达到好的补偿矫正效果，而现在新型高级显微镜的球差是通过物镜的适当组合的方法来消除或减小的。
3）慧差
慧差（Coma）属于轴外点的单色相差。轴外物点以大孔径光束成像时，所发出的光束通过透镜后不再相交于一点，即原为一个圆点的物，通过透镜后在像方焦平面便会得到一个像逗点状的像，其形如夜空中在天上运行的慧星，故称“慧差”。
4）像散
像散（Astigmatism）也是影响清晰度的轴外点单色像差。当视场较大时，边缘上的物点离光轴较远，光束倾斜大，经透镜聚焦后则会引起像散。像散使原来的物点在成像后变成两个分离并且相互垂直的短线，在理想的像平面上合成后，形成一个椭圆形的斑点。在可见光仪器中的像散是可以借助于复杂的透镜组合来消除的。
5）场曲
场曲（Curvature of Field）是“像场弯曲”的简称。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定的点上都能得到清晰的像点，但整个像面不是在一个平面上，而是在一个弧形的曲面上，从而在像平面上不能同时看清整个像面，给图像的观察和拍摄造成困难。因此，现代研究用的高级显微镜的物镜一般都是平场物镜，这种物镜已经把场曲矫正过来了。
6）畸变
前面所说的几种像差除场曲外，都会影响像的清晰度。畸变（Distortion）是另一种性质的像差，光束的同心性不受到破坏，因此不影响像的清晰度，但若把它所成的像与原物体比较，可能在某个方向上的放大不完全成比例或在形状上造成扭曲、失真，即在同一视场中各处的放大比例不相等。
上述介绍的几种像差都是在显微镜、照相机和摄像机等光学仪器中最常见和最主要的像差。1.1.3 可见光的衍射
光学仪器中的小光栏相当于一个透光的小圆孔。从几何光学的观点来说，物体通过光学仪器成像时，每一个物点都会有一对应的像点，但由于光的衍射，所产生的像点已不是一个理想的对应几何点，而会变成一个有一定大小的艾里（Airy）亮斑，测量结果表明对于微小的圆孔光栏艾里斑的强度大约84％集中在中心亮斑上，其余分布在外围的亮环上。由于外围亮环的强度比较低，一般肉眼不易分辨和识别，只能看到中心亮斑。要想提高显微镜的分辨力，关键是要降低照明光源的波长，因此，对相邻很近的两个小物点，其相对应的两个艾里斑就会发生相互重叠，甚至无法分辨出两个物点的像。可见由于光的衍射现象，使光学仪器的分辨力受到限制。什么情况下两个像斑刚好能被分辨呢？瑞利提出了一个判据：当一个艾里斑的边缘与另一个艾里斑的中心正好重合时，此时对应的两个物点刚好能被人眼或光学仪器所分辨，这个判据称为瑞利判据。
在图1.1.6中，从上到下，依次表示为物点、透镜、像平面、像平面上的光强度分布和像点。（1）物点O1和O2经透镜衍射成两个艾里斑，实线为无衍射边界，虚线为衍射边界。（2）物点O1和O2在像平面上的光强度分布。（3）图1.1.6（a）的物点O1和O2在像平面上完全可分辨出来两个艾里斑。（4）图1.1.6（b）物点O1和O2在像平面上刚好可分辨出来两个艾里斑。（5）图1.1.6（b）的物点O1和O2若靠得再近一些，即其光强度相差若小于26.5％（狭缝形的衍射为19％），则在像平面上就无法分辨出两个艾里斑，也就是说两个艾里斑对于多数光学仪器用的圆孔光栏的中心光强度为最大光强度的73.5％（狭缝形的衍射为81％）作为分辨力的临界判据[2、3]。图1.1.6 光的波动性所造成的衍射现象
光学显微镜一般都是利用波长在380～760nm之间的可见光来照射物体的，但由于光的波动性所造成的衍射现象，使得光学显微镜的实际分辨力只有接近于入射光波长的1/2。这是在19世纪由德国科学家阿贝（Ernest Abbe）根据衍射理论推导出的。由于衍射效应使得传统的光学显微镜能够检测到的物体最小间距略大于照射光波长的一半，显微镜物像是否清楚不是取决于放大率，而是取决于显微镜的分辨能力（resolution也称为分辨本领），分辨能力是指显微镜的物像能分辨物体最小间距的能力，通常简称为分辨力。一个正常人的眼睛在距离目标25cm处时能分辨物体的最小间距约0.2mm。英国著名的物理学家——瑞利（Rayleigh）将阿贝的衍射理论归纳为一个公式，这是由物理学家瑞利最先提出来而得名的，所以也称为瑞利公式，即分辨力d用瑞利公式表示为式中，λ是入射光的波长；n是透镜介质的折射率；α是透镜孔径半角，在光学透镜中，α≈70°；nsinα称为数值孔径，在空气中其值≤1，在油浸透镜中其值约为1.5～1.6。
光学显微镜的分辨力取决于入射光的波长，而可见光的波长较长，即使采用蓝绿光做照明源，其波长约为450～570nm，其分辨力也很有限，d≈250nm；若采用紫光做照明源，其分辨力d≈200nm。这就是光学显微镜的分辨力不能再提高的主要原因。增大数值孔径是很困难的，而且是很有限的，唯有寻找比可见光波长更短的照射光源才能从根本上解决这个问题。提高这个极限的方法是改用波长更短的“光源”，这就只能采用电子束来替代可见光作照明源，才能显著提高分辨力，其他解决办法只能是稍微改善分辨力，于是用短波长的电子束作为照明源的电子显微镜应运而生。1.2 电子显微镜综述
发明光学显微镜的先辈们为我们打开了一扇认识微观世界的重要之门，但随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的分辨力而无法满足更加细微的观测需要。电子光学理论正是在光学和力学取得丰硕成果的基础上逐步发展建立起来的。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）的构想都是在20世纪30年代初提出的。1931年，德国的卡诺尔（M．Knoll）和鲁斯卡（E．Ruska）用冷阴极放电电子源和三个电子透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大12倍的图像，该发明就是透射电镜。这个发明用事实证实了用电子显微镜来放大成像是可行的。1934年，经过波尼斯（Ven Borries）和鲁斯卡的改进，透射电镜的分辨力达到50nm，突破了光学显微镜的分辨极限，于是透射电镜开始受到科学界的重视。到了20世纪40年代美国的希尔发明了消像散器，解决了由于电镜中电磁透镜的不完全旋转对称而造成的束斑不够圆的问题，使电子显微镜分辨力的提高有了新的突破。随着电镜的设计能力和机械加工水平的逐年提高，又经科学家们的不断努力改进，电子显微镜才达到现在的高分辨水平。但是它的发展主要还是起始于20世纪六、七十年代，这是因为刚好搭上了电视、微电子和计算机技术高速发展的时代快车。1965年，继英国剑桥（Cambridge）科学仪器公司推出第一台商品扫描电镜之后，多个国家也纷纷投入研制、生产，产品经不断地改进、创新和提高，使得扫描电镜迅速普及开来。现在世界上使用的各种电镜已达数万台，其中扫描电镜的普及率已远远超过透射电镜。早期扫描电镜的体积有透射电镜那么大，那是因为当时使用的电子元器件的体积大。当年用作放大器的电子管的体积比现在晶体管的体积大几十倍，比现在集成电路的体积大几十个数量级。这些年来，随着电子技术的快速发展，电镜的检测精度和功能也在不断提高和增多，同功能的机型，其体积越来越小，应用范围越来越广，性价比在不断提高，普及也在日益加快。
扫描电镜是继透射电镜之后，发展起来的又一种大型电子光学设备。扫描电镜的成像过程与光学显微镜不同，与透射电镜也不完全相同。它与透射电镜虽然都是用电子束来作为照明源的，但扫描电镜是把聚焦得很细的电子束通过光栅状扫描方式照射到试样表面上，即用经聚焦后极细微的电子束扫描试样，激发出试样表面的各种有关信息，即高能的入射电子轰击到试样表面时，受激发的区域会发射出俄歇电子、二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、特征X射线和连续X射线等多种信息，若试样表面存有势垒能带时，还会产生电子-空穴对。当把这些产生的信息分别进行收集，经检测后就可以获取被测试样的多种物理和化学性质的表征量，如试样的微观几何形貌、所组成的化学成分、晶体结构和表面电位的分布等。其中，最常用的信息主要是试样发出的二次电子，二次电子能够产生与试样表面细节相关的最清晰的形貌放大像。这种像是在试样被扫描时按时序建立起来的，即使用逐行扫描、逐点成像的方法获得的图像。当对背散射电子进行采集时，不仅可得到有关试样的纯形貌微观像，同时也可以得到不同原子序数组成的信息分布图像；当对特征X射线进行采集、检测时，还可得到组成试样的化学成分信息。正因如此，可按不同的需求，研制出功能不同的探测器来用于扫描电镜，然后分别对不同的信息进行检测。
扫描电镜的放大倍率范围可从普通光学的体视显微镜、金相显微镜，一直覆盖到透射电镜之间的放大区域，如图1.2.1～图1.2.4所示的照片是一组从低倍到高倍、景深深、清晰度高，又有不同放大倍率的扫描电镜照片。日常工作中扫描电镜最经常使用的放大倍率多数在几百至几万倍之间，但是由于它所得到的视场景深深和分辨力高，所以在光学显微镜中常用的几十至几百倍的倍率范围中，扫描电镜也能充分发挥其特有的成像优越性。图1.2.1 电子线路中的微型接图1.2.2 混合电路中外引线框插件上的键合引线图1.2.3 陶瓷电容端头长出的图1.2.4 太阳能硅电池表面的硫化银氧化锌
电子显微镜的分辨力定义与光学显微镜一样，都是以它所能分辨的相邻两点间的最小间距来表示的。20世纪70年代透射电镜的最佳分辨力能达到0.3nm，而今天透射电镜的最佳分辨力可达0.07nm，约为光学显微镜最高分辨力的3000倍，所以通过透射电镜就能直接观察到某些重金属的原子和晶体中排列整齐的原子点阵。在最近30多年的时间里，随着计算机技术的快速发展，扫描电镜的发展更是迅速，而扫描电镜又结合了X射线能谱仪、波谱仪，以及背散射电子衍射（EBSD）、聚焦离子束（FIB）等许多技术发展成为综合分析型的扫描电镜。现在场发射扫描电镜的分辨力都能优于1.0nm，约为光学显微镜分辨力的250倍；个别热场发射扫描电镜的分辨力能达到0.6nm，约为光学显微镜最高分辨力的400倍；个别冷场发射扫描电镜的分辨力能达到0.4nm，约为光学显微镜最高分辨力的600倍。最近十几年来，不仅电镜的分辨力在快速提高，且其检测功能也在不断增多和完善，有的生产厂家把这种有多功能组合的扫描电镜称为微观研究和分析实验室。
现代商品扫描电镜的主要特点有：（1）分辨力高，多数扫描电镜的二次像分辨力都能分别优于1.0nm（FEG）、2.0nm（LaB6）、3.0nm（W）。（2）放大倍率范围广、倍率调节方便，一般能从10倍到20万倍，而且连续或分档可调。（3）视场的景深深、立体感强，可观察起伏较大的粗糙面，如金属、陶瓷和塑料的断口等。（4）电子束对试样的损伤与污染的程度较小，可做到无损检测，而且试样的制备比透射电镜简单、方便，获得的图像更能反映试样表面的真实情况。（5）样品仓中可放入大块试样，而且试样可以在样品仓中做X、Y、Z，以及倾斜和旋转等5维空间的移动，即可以从各种角度对试样进行观察和分析。其样品仓可容纳的试样体积和运行的空间距离比透射电镜至少要大几十倍。（6）在观察形貌的同时，还可利用从试样发出的特征X射线信号进行微区的化学组分分析。1.3 国外研制和发展电子显微镜的相关进程和成就[4、5、6]
17世纪，费马（Fermat）确立了光线传播的最短光程原理。
1834年，哈密顿揭示了力学和光学的相似性，提出了哈密顿原理。
1873年，阿贝（Abbe）和赫尔姆茨（Helmholfz）分别提出分辨力与照射光源的波长成反比的理论原理，奠定了光学显微镜的理论基础。
1897年，英国物理学家汤姆孙（J．J．Thomson）发现电子并测定了电子的电荷量与质量之比，指出阴极射线管是物质粒子流，获1906年诺贝尔物理学奖。
1897年，布劳恩（Braun）做出了第一只示波管，它是电子束管的雏形，为电子显微镜的发展准备了关键性的技术条件。
1907年，斯托莫（Stormer）发表论文，得出旋转对称磁场中电子运动的轨迹方程。
1923年，法国物理学家德波罗意（L．de Broglie）发现了粒子的波动性，表明电子运动与光波的传播相似，获1929年诺贝尔物理学奖。
1926年，德国物理学家布什（H．Brus）提出了关于电子在磁场中的运动理论，发现电子像可见光经过玻璃透镜会产生折射一样，电子也会因电磁场的改变而产生偏折。他还指出，具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用。
1926—1927年，美国的戴维逊（Davission）、革莫（Germer）和英国的汤姆孙用电子衍射现象验证了电子的波动性，才使后人联想到可用电子束替代可见光来照明试样以制作电子显微镜，从而克服了由于可见光的波长相对较长而使光学显微镜的分辨力受限的主要难题。
1931年5月28日，德国西门子公司的卢登堡（M．Rüdenberg）向德、法、美等国的专利局提出用电磁透镜或静电透镜制造电子显微镜的专利申请，并分别于1932年12月和1936年10月获得法、美专利局的批准。德国的专利局虽在1931年5月30日收到申请，但由于德国通用电气公司（AEG）于1930年在布鲁奇（Brüche）的主导下开始研究静电透镜成像，并在1931年11月获得了涂上氧化物的灯丝发射电子像。在AEG公司的反对下，卢登堡的两个电镜专利申请一直拖到二战后的1953年和1954年才得到当年西德专利局的批准。若从法律的角度来看，按照专利优先的原则，卢登堡应是电镜的发明人。
1932年，德国柏林工业大学高压实验室的卡诺尔和鲁斯卡（图1.3.1）试制成功第一台实验室用的电子显微镜。这是世界上第一台透射电镜，如图1.3.2所示。它也是现在透射电子显微镜的雏形，其加速电压为70kV，放大倍率虽然只有12倍，但这为后来电子显微镜的研制奠定了坚实的基础。图1.3.2 鲁斯卡研制的第一台透射电图1.3.1 鲁斯卡（1906镜（左图是原机，中图是设计手稿，—1988），1986年获诺贝右图是复制品，收藏在德国慕尼黑博尔奖（图片来自互联网）物馆）（图片来自互联网）
1932—1937年，Glasser和Scherzer发表了一系列电子光学论文，为电子光学学科的建立奠定了理论基础，同期D．Gabor完成了带铁轭的磁透镜的研制。
1933年，鲁斯卡将高压示波器改装成电子显微镜，获得了金箔的边缘和棉花纤维1万倍的放大像。此时，电镜的放大倍率虽超过了光学显微镜，但是对电镜有着决定意义的分辨力还未能超越光学显微镜。
1934年，Marton发表了第一张生物电子照片，同年波尼斯和鲁斯卡开始研制实用透射电镜，并把透射电镜的分辨力提高到50nm，引起了当时科学界的很大注意。
1935年，卡诺尔在设计透射电镜的同时就提出扫描电镜的原理及设计思路。同年Driest和Muller发表了苍蝇翅膀和腿的电子照片。
1937年，德国柏林工业大学的Klaus和Mill继承了鲁斯卡的工作，首台商业样机（Metropolitan Vickers牌）的雏形研制成功，拍出了第1张细菌和胶体的照片，获得了25nm的分辨力，从而使电子显微镜的性能全面超越光学显微镜，这是影响和震惊当时科学界的一件大事。
1937年，鲁斯卡和波尼斯应西门子公司的邀请，到西门子公司建立了超显微镜学实验室。
1938年，阿登尼（Von Ardenne，图1.3.3）在透射电镜中加上扫描线圈制成了最早的扫描透射电子显微镜，并描述了扫描电镜的结构[7]。图1.3.3 1938年阿登尼试制透射扫描电镜并描述了扫描电镜的结构
1939年，鲁斯卡在德国西门子公司以第一台实用透射电镜为样机，量产了第一批商品透射电镜约40台，如图1.3.4所示。其加速电压为50～100kV，分辨力达到10nm。由于他在电子光学领域及设计第1台透射电镜方面做出了开拓性的贡献，被誉为“20世纪最重要的发现之一”，获得1986年诺贝尔物理学奖。1957年，鲁斯卡应中国科学院的邀请到访我国。图1.3.4 1939年安装在加拿大多伦多大学的第一台商品电镜
1939—1941年，荷兰的Philips公司、美国的无线电（RCA）公司和日本电子（JEOL）等公司也都先后投入人力、物力，开始研制电子显微镜。
1940—1942年，美国RCA实验室的Zworykinetal成功建造了美国第一台RCA-EMB-1型的透射电子显微镜，分辨力为50nm。
1942年，英国Zworykin和Hillier等发表了一篇新的扫描电镜的设计文章，第一次阐明可用这种仪器来观察对电子束不透明的试样。这篇文章在扫描电镜的设计构思上有了很大进步，但其发展前景并没有得到当时科学界的肯定和重视，导致该项研制工作中途停顿。
1944年，荷兰Philips公司设计了加速电压为150kV的透射电镜，并首次引入中间镜。
1947年，美国的希尔发明了消像散器，并将它用于解决磁透镜的旋转不对称性问题，使透射电镜的分辨力取得突破性的提高，即能达到1nm，同年法国设计出400kV的透射电镜。
1948年，英国剑桥大学工程系的麦哲．马伦（Mc．Mullan）和奥拓莱（C．W．Oatley）等几位专家进行了实用扫描电镜的创造性研制。
1949年，荷兰Philips公司电子光学部开始向全球正式推出并量产系列的商用透射电镜，从那时开始先后推出EM75、EM200、EM300、EM301和EM400等型号的透射电镜。
1953年，英国剑桥大学的麦哲．马伦和奥拓莱等人研制成功第一台实用型扫描电镜，分辨力达到50nm。
1954年，德国西门子公司推出了Elmiskop I型透射电镜，采用了两个聚光镜和三个成像透镜，分辨力达到1nm，共生产了几百台，成为当时最常见的电子显微镜。
1956年，英国的史密斯（Smith）在扫描电镜中首先采用光电倍增管的组合来探测二次电子。后来Everhart和Thornley对这种探测器进行了改进和完善，他们采取先让二次电子加速到约10kV的能量，再打到闪烁体上，并将闪烁体直接贴放到光导管前端的方式，使信噪比得到显著改善。这种探测器即成为今天所有型号的扫描电镜都必备的传统二次电子探测器（简称E-T探测器）。
1958年，根据史密斯等人的设计，英国剑桥大学工程系为加拿大纸浆和造纸研究所专门研制了一台实用扫描电镜。这台电镜对现代扫描电镜的发展做出很大贡献，该电镜现存放在加拿大渥太华的国家科学博物馆里[8]。
1960年，法国制造出1500kV的超高压透射电镜。
1965年，英国剑桥科学仪器公司制成了第一台商品扫描电镜MarkⅠ，如图1.3.5所示。从此，在世界各地掀开了扫描电镜研发、制造和应用的新开端。图1.3.5 1965年剑桥公司生产的第一台商用扫描电镜
1966年，日本JEOL公司研制出该国第一台商用扫描电镜JSM-1。
1967年，Broers研制出了LaB6阴极。
1968年，Crewe研制出了场发射电子枪的透射扫描电镜。
1969年，研制出电镜用的LaB6阴极电子枪。
1970年，法国CEMES、日本JEOL公司又分别研制出3000kV的超高压电镜，如图1.3.6所示。图1.3.6 1970年JEOL研制的3MV超高压透射电镜
1975年，位于荷兰AMSTERDAM的国际权威杂志《超显微学（Ultramicroscopy）》成功创刊。
1978年，日本日立（HITACHI）公司完成世界上第一台冷场发射
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