電子顯微鏡已經(jīng)成為表征各種材料的有力工具。 它的多功能性和極高的空間分辨率使其成為許多應(yīng)用中非常有價(jià)值的工具。 其中，兩種主要的電子顯微鏡是透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）。 在這篇博客中，將簡(jiǎn)要描述他們的相似點(diǎn)和不同點(diǎn)。  

掃描電鏡和透射電鏡的工作原理

從相似點(diǎn)開(kāi)始, 這兩種設(shè)備都使用電子來(lái)獲取樣品的圖像。他們的主要組成部分是相同的;  

· 電子源;

· 電磁和靜電透鏡控制電子束的形狀和軌跡;

· 光闌。

所有這些組件都存在于高真空中。  

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向這兩種設(shè)備的差異性。 掃描電鏡（SEM）使用一組特定的線圈以光柵樣式掃描樣品并收集散射的電子（ 詳細(xì)了解SEM中檢測(cè)到的不同類型的電子 ）。

而透射電鏡（TEM）是使用透射電子，收集透過(guò)樣品的電子。 因此，透射電鏡（TEM）提供了樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如晶體結(jié)構(gòu)，形態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)信息，而掃描電鏡（SEM）則提供了樣品表面及其組成的信息。  

而且，這兩種設(shè)備最明顯的差別之一是它們可以達(dá)到的最佳空間分辨率; 掃描電鏡（SEM）的分辨率被限制在?0.5nm，而隨著最近在球差校正透射電鏡（TEM）中的發(fā)展，已經(jīng)報(bào)道了其空間分辨率甚至小于50pm。

哪種電子顯微鏡技術(shù)最適合操作員進(jìn)行分析？

這完全取決于操作員想要執(zhí)行的分析類型。 例如，如果操作員想獲取樣品的表面信息，如粗糙度或污染物檢測(cè)，則應(yīng)選擇掃描電鏡（SEM）。 另一方面，如果操作員想知道樣品的晶體結(jié)構(gòu)是什么，或者想尋找可能存在的結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)，那么使用透射電鏡（TEM）是唯一的方法。

掃描電鏡（SEM）提供樣品表面的3D圖像，而透射電鏡（TEM）圖像是樣品的2D投影，這在某些情況下使操作員對(duì)結(jié)果的解釋更加困難。  

由于透射電子的要求，透射電鏡（TEM）的樣品必須非常薄，通常低于150nm，并且在需要高分辨率成像的情況下，甚至需要低于30nm，而對(duì)于掃描電鏡（SEM）成像，沒(méi)有這樣的特定要求。  

這揭示了這兩種設(shè)備之間的另一個(gè)主要差別：樣品制備。掃描電鏡（ SEM）的樣品很少需要或不需要進(jìn)行樣品制備，并且可以通過(guò)將它們安裝在樣品杯上直接成像。  

相比之下，透射電鏡（TEM）的樣品制備是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣的過(guò)程，只有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)和有經(jīng)驗(yàn)的用戶才能成功完成。 樣品需要非常薄，盡可能平坦，并且制備技術(shù)不應(yīng)對(duì)樣品產(chǎn)生任何偽像（例如沉淀或非晶化 ）。 目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多方法，包括電拋光，機(jī)械拋光和聚焦離子束刻蝕。 專用格柵和支架用于安裝透射電鏡（TEM）樣品。

SEM vs TEM：操作上的差異

這兩種電子顯微鏡系統(tǒng)在操作方式上也有所不同。 掃描電鏡（SEM）通常使用15kV以上的加速電壓，而透射電鏡（TEM）可以將其設(shè)置在60-300kV的范圍內(nèi)。  

與掃描電鏡（SEM）相比，透射電鏡（TEM）提供的放大倍數(shù)也相當(dāng)高：透射電鏡（TEM）可以將樣品放大5000萬(wàn)倍以上，而對(duì)于掃描電鏡（SEM）來(lái)說(shuō)，限制在1-2百萬(wàn)倍之間。

然而，掃描電鏡（SEM）可以實(shí)現(xiàn)的最大視場(chǎng)（FOV）遠(yuǎn)大于透射電鏡（TEM），用戶可以只對(duì)樣品的一小部分進(jìn)行成像。 同樣，掃描電鏡（SEM）系統(tǒng)的景深也遠(yuǎn)高于透射電鏡（TEM）系統(tǒng)。

圖1：硅的電子顯微鏡圖像。 a）使用掃描電鏡SEM成像的二次電子圖像，提供關(guān)于表面形態(tài)的信息，而b）透射電鏡（TEM）圖像顯示關(guān)于樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。

另外，在兩個(gè)系統(tǒng)中創(chuàng)建圖像的方式也是不同的。 在掃描電鏡中，樣品位于電子光學(xué)系統(tǒng)的底部，散射電子（背散射或二次）被電子探測(cè)器捕獲， 然后使用光電倍增管將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)被放大并在屏幕上產(chǎn)生圖像。  

在透射電鏡（TEM）中，樣品位于電子光學(xué)系統(tǒng)的中部。 入射電子穿過(guò)它，并通過(guò)樣品下方的透鏡（中間透鏡和投影透鏡），圖像直接顯示在熒光屏上或通過(guò)電荷耦合器件（CCD）相機(jī)顯示在PC屏幕上。

表I：掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）之間主要差異的總結(jié)

一般來(lái)說(shuō)，透射電鏡（TEM）的操作更為復(fù)雜。 透射電鏡（TEM）的用戶需要經(jīng)過(guò)強(qiáng)化培訓(xùn)才能操作設(shè)備。 在每次使用之前需要執(zhí)行特殊程序，包括幾個(gè)步驟以確保電子束完美對(duì)中。 在表I中，您可以看到掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）之間主要區(qū)別的總結(jié)。

結(jié)合SEM和TEM技術(shù)

還有一種電子顯微鏡技術(shù)被提及，它是透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）的結(jié)合，即掃描透射電鏡（STEM）。 如今，大多數(shù)透射電鏡（TEM）可以切換到“STEM模式”，用戶只需要改變其對(duì)準(zhǔn)程序。 在掃描透射電鏡（STEM）模式下，光束被精確聚焦并掃描樣品區(qū)域（如SEM），而圖像由透射電子產(chǎn)生（如TEM）。

在掃描透射電鏡（STEM）模式下工作時(shí)，用戶可以利用這兩種技術(shù)的功能; 他們可以在高分辨率先看到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（甚至高于透射電鏡TEM分辨率），但也可以使用其他信號(hào)，如X射線和電子能量損失譜。 這些信號(hào)可用于能量色散X射線光譜（EDX）和電子能量損失光譜（EELS）。 

當(dāng)然，EDX能譜分析在掃描電鏡（SEM）系統(tǒng)中也是常見(jiàn)分析方法，并用于通過(guò)檢測(cè)樣品被電子撞擊時(shí)發(fā)射的X射線來(lái)識(shí)別樣品的成分。  

電子能量損失光譜（EELS）只能在以掃描透射電鏡（STEM）模式工作的透射電鏡（TEM）系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并能夠反應(yīng)材料的原子和化學(xué)成分，電子性質(zhì)以及局部厚度測(cè)量。  

在SEM和TEM之間做出選擇

從所提到的一切來(lái)看，顯然沒(méi)有“更好”的技術(shù); 這完全取決于需要的分析類型。 當(dāng)用戶想要從樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲得信息時(shí)，透射電鏡（TEM）是最佳的選擇，而當(dāng)需要樣品表面信息時(shí)，掃描電鏡（SEM）是首選。 當(dāng)然，主要決定因素是兩個(gè)系統(tǒng)之間的巨大價(jià)格差異，以及易用性。 透射電鏡（TEM）可以為用戶提供更多的分辨能力和多功能性，但是它們比掃描電鏡（SEM）更昂貴且體型較大，需要更多操作技巧和復(fù)雜的前期制樣準(zhǔn)備才能獲得滿意的結(jié)果。