【表征】扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）——相似点和不同点！

从相似点开始, 这两种设备都使用电子来获取样品的图像。 他们的主要组成部分是相同的;

• 电子源;

• 电磁和静电透镜控制电子束的形状和轨迹;

• 光阑。

所有这些组件都存在于高真空中。

现在转向这两种设备的差异性。 扫描电镜（SEM）使用一组特定的线圈以光栅样式扫描样品并收集散射的电子。

而透射电镜（TEM）是使用透射电子，收集透过样品的电子。 因此，透射电镜（TEM）提供了样品的内部结构，如晶体结构，形态和应力状态信息，而扫描电镜（SEM）则提供了样品表面及其组成的信息。

而且，这两种设备最明显的差别之一是它们可以达到的最佳空间分辨率; 扫描电镜（SEM）的分辨率被限制在〜0.5nm，而随着最近在球差校正透射电镜（TEM）中的发展，已经报道了其空间分辨率甚至小于50pm。

这完全取决于操作员想要执行的分析类型。 例如，如果操作员想获取样品的表面信息，如粗糙度或污染物检测，则应选择扫描电镜（SEM）。 另一方面，如果操作员想知道样品的晶体结构是什么，或者想寻找可能存在的结构缺陷或杂质，那么使用透射电镜（TEM）是唯一的方法。

扫描电镜（SEM）提供样品表面的3D图像，而透射电镜（TEM）图像是样品的2D投影，这在某些情况下使操作员对结果的解释更加困难。

由于透射电子的要求，透射电镜（TEM）的样品必须非常薄，通常低于150nm，并且在需要高分辨率成像的情况下，甚至需要低于30nm，而对于扫描电镜（SEM）成像，没有这样的特定要求。

这揭示了这两种设备之间的另一个主要差别：样品制备。扫描电镜（ SEM）的样品很少需要或不需要进行样品制备，并且可以通过将它们安装在样品杯上直接成像。

相比之下，透射电镜（TEM）的样品制备是一个相当复杂和繁琐的过程，只有经过培训和有经验的用户才能成功完成。 样品需要非常薄，尽可能平坦，并且制备技术不应对样品产生任何伪像（例如沉淀或非晶化 ）。 目前已经开发了许多方法，包括电抛光，机械抛光和聚焦离子束刻蚀。 专用格栅和支架用于安装透射电镜（TEM）样品。

这两种电子显微镜系统在操作方式上也有所不同。 扫描电镜（SEM）通常使用15kV以上的加速电压，而透射电镜（TEM）可以将其设置在60-300kV的范围内。

与扫描电镜（SEM）相比，透射电镜（TEM）提供的放大倍数也相当高：透射电镜（TEM）可以将样品放大5000万倍以上，而对于扫描电镜（SEM）来说，限制在1-2百万倍之间。

然而，扫描电镜（SEM）可以实现的最大视场（FOV）远大于透射电镜（TEM），用户可以只对样品的一小部分进行成像。 同样，扫描电镜（SEM）系统的景深也远高于透射电镜（TEM）系统。

图1：硅的电子显微镜图像。 a）使用扫描电镜SEM成像的二次电子图像，提供关于表面形态的信息，而b）透射电镜（TEM）图像显示关于样品内部的结构信息。

另外，在两个系统中创建图像的方式也是不同的。 在扫描电镜中，样品位于电子光学系统的底部，散射电子（背散射或二次）被电子探测器捕获， 然后使用光电倍增管将该信号转换成电信号，该电信号被放大并在屏幕上产生图像。 

在透射电镜（TEM）中，样品位于电子光学系统的中部。 入射电子穿过它，并通过样品下方的透镜（中间透镜和投影透镜），图像直接显示在荧光屏上或通过电荷耦合器件（CCD）相机显示在PC屏幕上。

表I：扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）之间主要差异的总结

一般来说，透射电镜（TEM）的操作更为复杂。 透射电镜（TEM）的用户需要经过强化培训才能操作设备。 在每次使用之前需要执行特殊程序，包括几个步骤以确保电子束完美对中。 在表I中，您可以看到扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）之间主要区别的总结。

还有一种电子显微镜技术被提及，它是透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）的结合，即扫描透射电镜（STEM）。 如今，大多数透射电镜（TEM）可以切换到“STEM模式”，用户只需要改变其对准程序。 在扫描透射电镜（STEM）模式下，光束被精确聚焦并扫描样品区域（如SEM），而图像由透射电子产生（如TEM）。

在扫描透射电镜（STEM）模式下工作时，用户可以利用这两种技术的功能; 他们可以在高分辨率先看到样品的内部结构（甚至高于透射电镜TEM分辨率），但也可以使用其他信号，如X射线和电子能量损失谱。 这些信号可用于能量色散X射线光谱（EDX）和电子能量损失光谱（EELS）。

当然，EDX能谱分析在扫描电镜（SEM）系统中也是常见分析方法，并用于通过检测样品被电子撞击时发射的X射线来识别样品的成分。

电子能量损失光谱（EELS）只能在以扫描透射电镜（STEM）模式工作的透射电镜（TEM）系统中实现，并能够反应材料的原子和化学成分，电子性质以及局部厚度测量。

从所提到的一切来看，显然没有“更好”的技术；这完全取决于需要的分析类型。 当用户想要从样品内部结构获得信息时，透射电镜（TEM）是最佳的选择，而当需要样品表面信息时，扫描电镜（SEM）是首选。

当然，主要决定因素是两个系统之间的巨大价格差异，以及易用性。 透射电镜（TEM）可以为用户提供更多的分辨能力和多功能性，但是它们比扫描电镜（SEM）更昂贵且体型较大，需要更多操作技巧和复杂的前期制样准备才能获得满意的结果。