掃描電鏡和透射電鏡的區別

電子顯微鏡已經(jīng)成為表征各種材料的有力工具。 它的多功能性和較高的空間分辨率使其成為許多應用中非常有價(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。  

現在轉向這兩種設備的差異性。 掃描電鏡（SEM）使用一組特定的線(xiàn)圈以光柵樣式掃描樣品并收集散射的電子。

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）提供了樣品的內部結構，如晶體結構，形態(tài)和應力狀態(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，這兩種設備明顯的差別之一是它們可以達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(zhù)最近在球差校正透射電鏡（TEM）中的發(fā)展，已經(jīng)報道了其空間分辨率甚至小于 50pm。

哪種電子顯微鏡技術(shù)適合操作員進(jìn)行分析？

這取決于操作員想要執行的分析類(lèi)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，則應選擇掃描電鏡（SEM）。 另一方面，如果操作員想知道樣品的晶體結構是什么，或者想尋找可能存在的結構缺陷或雜質(zhì)，那么使用透射電鏡（TEM）是wei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結果的解釋更加困難。  

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)相當復雜和繁瑣的過(guò)程，只有經(jīng)過(guò)培訓和有經(jīng)驗的用戶(hù)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)不應對樣品產(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，機械拋光和聚焦離子束刻蝕。 專(zhuān)用格柵和支架用于安裝透射電鏡（TEM）樣品。

掃描電鏡（SEM） vs 透射電鏡（TEM）：操作上的差異

這兩種電子顯微鏡系統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）可以將其設置在 60-300kV 的范圍內。

與掃描電鏡（SEM）相比，透射電鏡（TEM）提供的放大倍數也相當高：透射電鏡（TEM）可以將樣品放大5000萬(wàn)倍以上，而對于掃描電鏡（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)現的最大視場(chǎng)（FOV）遠大于透射電鏡（TEM），用戶(hù)可以只對樣品的一小部分進(jìn)行成像。 同樣，掃描電鏡（SEM）系統的景深也遠高于透射電鏡（TEM）系統。

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)于樣品內部的結構信息。

另外，在兩個(gè)系統中創(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)系統的底部，散射電子（背散射或二次）被電子探測器捕獲， 然后使用光電倍增管將該信號轉換成電信號，該電信號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

一般來(lái)說(shuō)，透射電鏡（TEM）的操作更為復雜。 透射電鏡（TEM）的用戶(hù)需要經(jīng)過(guò)強化培訓才能操作設備。 在每次使用之前需要執行特殊程序，包括幾個(gè)步驟以確保電子束wan美對中。 在表 I 中，您可以看到掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）之間主要區別的總結。

結合 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）的結合，即掃描透射電鏡（STEM）。 

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

當然，EDX 能譜分析在掃描電鏡（SEM）系統中也是常見(jiàn)分析方法，并用于通過(guò)檢測樣品被電子撞擊時(shí)發(fā)射的 X 射線(xiàn)來(lái)識別樣品的成分。  

電子能量損失光譜（EELS）只能在以?huà)呙柰干潆婄R（STEM）模式工作的透射電鏡（TEM）系統中實(shí)現，并能夠反應材料的原子和化學(xué)成分，電子性質(zhì)以及局部厚度測量。

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); 這取決于需要的分析類(lèi)型。 當用戶(hù)想要從樣品內部結構獲得信息時(shí)，透射電鏡（TEM）是最佳的選擇，而當需要樣品表面信息時(shí)，掃描電鏡（SEM）是shou選。 當然，主要決定因素是兩個(gè)系統之間的巨大價(jià)格差異，以及易用性。 透射電鏡（TEM）可以為用戶(hù)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雜的前期制樣準備才能獲得滿(mǎn)意的結果。