導語：電子顯微鏡（SEM）的發展開始時更多的是嗚咽而不是砰的一聲。當該技術於1935年首次亮相時，一群營銷專業人員被要求評估新儀器在市場中的潛力。在對科學界進行投票後，營銷專家並不太樂觀。他們估計全世界最多需要10臺設備。事實證明，專家們大大低估了SEM的潛力，值得慶幸的是，他們的前景未能阻止該技術的進一步發展。因此，超過50,000個SEM填補了全球的實驗室和企業。那麼，SEM是如何從近乎陳舊到現在的基本研究工具？
首先，科學家將光學顯微鏡推向了極限。光學顯微鏡已經存在了幾個世紀，雖然你仍然可以在全國各地的教室裡找到它們，但它們對光線的依賴已經成為一個問題。光在光學透鏡邊緣衍射或彎曲的趨勢限制了光學顯微鏡的放大能力和解析度。因此，科學家開始研究新的方法來檢查它們周圍的微觀世界，並於1932年生產出世界上第一臺透射電子顯微鏡（TEM））。該儀器將一束電子引導通過觀察下的樣品，然後將得到的圖像投影在螢光屏上。正如您可能猜到的那樣，TEM與SEM共享很多共同點，而SEM的開發只需要幾年時間。
由於SEM出現的時候TEM的發展正在順利進行，後者最初被認為是不必要的。劍橋大學工程學教授CW Oatley堅定不移地決定推動新型顯微鏡向前發展。與他的幾位同事和研究生密切合作，Oatley能夠展示SEM的放大潛力和它產生的令人驚訝的3-D圖像質量。如今，SEM常常用於檢查半導體缺陷或探索昆蟲如何工作等任務。掃描電子顯微鏡與光學顯微鏡相比具有許多優點，但它們仍然無法產生彩色圖像（更多關於為什麼以後）。添加顏色的一種方法是使用照片處理軟體。然而，最近，科學家開發出一種電子顯微鏡，能夠檢測放大過程中發出的能量特徵。該信息允許顯微鏡根據它們發出的能量特徵為不同的元素（如鈦和錳）分配顏色。
我們已經開始了解SEM的功能。現在我們已經準備好了解一個組件的各個組件以及它們如何協同工作以形成圖像。雖然從一個模型到下一個模型的變化看似無窮無盡，但所有SEM都具有相同的基本部分。電子槍：電子槍不是最新的Vin Diesel電影中使用的一些未來武器。相反，它們產生了SEM運行所需的穩定電子流。電子槍通常是兩種類型中的一種。熱電子槍是最常見的類型，它將熱能施加到燈絲（通常由鎢製成，具有高熔點），以使電子從槍中射出並朝向被檢測的樣品。另一方面，場發射槍產生強電場以將電子拉離原子他們與...有聯繫。電子槍位於SEM的最頂部或最底部，並在被檢查物體上發射一束電子。然而，這些電子並不會自然地到達他們需要的地方，這使我們進入了SEM的下一個組成部分。
鏡頭：就像光學顯微鏡一樣，SEM使用鏡頭來產生清晰細緻的圖像。然而，這些裝置中的鏡頭的工作方式不同。首先，它們不是由玻璃製成的。相反，透鏡由能夠彎曲電子路徑的磁體製成。通過這樣做，鏡頭聚焦並控制電子束，確保電子精確地到達需要去的地方。樣品室： SEM的樣品室是研究人員放置他們正在檢查的樣品的地方。由於樣品必須保持極其靜止以使顯微鏡產生清晰的圖像，因此樣品室必須非常堅固並且不受振動影響。實際上，SEM對振動非常敏感，因此它們通常安裝在建築物的底層。SEM的樣品室不僅能保持樣品靜止。他們還操縱樣本，將其放置在不同的角度並移動它，以便研究人員不必經常重新安裝物體以拍攝不同的圖像。
探測器：您可能會將SEM的各種類型的探測器視為顯微鏡的眼睛。這些裝置檢測電子束與樣品物體相互作用的各種方式。例如，Everhart-Thornley探測器記錄二次電子，二次電子是從樣本外表面移出的電子。這些探測器能夠產生物體表面最詳細的圖像。其他探測器，如背散射電子探測器和X射線探測器，可以告訴研究人員物質的成分。真空室： SEM需要真空操作。沒有真空，由電子槍產生的電子束將遇到來自大氣中的空氣粒子的恆定幹擾。這些粒子不僅會阻擋電子束的路徑，而且還會被撞出空氣並撞擊到樣品上，這會使樣品表面變形。與許多事情一樣，SEM不僅僅是其各個部分的總和。繼續閱讀以了解所有這些組件如何協同工作，以創建非常非常小的東西的驚人圖像。
在某些方面，SEM的工作方式與密鑰複製機的工作方式相同。當您在本地硬體商店中複製密鑰時，計算機會跟蹤原始密鑰的縮進，同時將精確副本剪切為空白密鑰。副本不是一次完成的，而是從一端追溯到另一端。您可能會將被檢查的樣本視為原始密鑰。SEM的工作是使用電子束跟蹤物體，在顯示器上創建原始物體的精確複製品。因此，SEM不僅僅是描繪出一個平面的一維關鍵輪廓，而是為觀眾提供了更多的生動，呼吸的三維圖像，還有凹槽和雕刻。
當電子束在物體上方追蹤時，它與物體的表面相互作用，以獨特的圖案從樣品表面上去除二次電子。二次電子探測器吸引那些散射的電子，並且根據到達探測器的電子數量，在監視器上記錄不同的亮度水平。附加傳感器檢測反向散射電子（從樣品表面反射的電子）和X射線（從樣品表面下方發射）。逐點，逐行，原始對象的圖像被掃描到監視器上以供查看（因此是機器名稱的「掃描」部分）。當然，如果顯微鏡無法控制電子束的運動，則整個過程是不可能的。SEM使用掃描線圈，其利用波動電壓產生磁場，以操縱電子束。掃描線圈能夠在物體的限定部分上精確地來回移動光束。如果研究人員想要增加圖像的放大率，他或她只需設置電子束以掃描樣本的較小區域。
雖然很高興知道SEM在理論上是如何工作的，但操作一個甚至更好。在研究人員拍攝他們的第一張掃描電影（如蚊子）之前，他們必須準備好標本。由於SEM與光學顯微鏡不同，它在真空中工作並依靠電場工作，因此樣品製備可能是一個複雜的過程。研究人員首先清除任何灰塵或碎屑。一旦清潔，如果樣品相當導電，它就可以安裝在SEM中。否則，在準備好觀看之前，它通過一種稱為濺射塗層的工藝塗覆在金或鉑等導電材料中。濺射塗層允許樣品接地，防止其被電子束損壞。由於放置在顯微鏡中的樣品也經受真空，它們有時會進行額外的準備以確保它們在如此極端的條件下保持。例如，生物樣品通常在放入SEM之前脫水。否則，真空的低氣壓將導致生物樣品中的水快速蒸發，從而破壞過程中的樣品。其他樣品在檢查之前被冷凍，還有一些樣品經過化學處理，以便它們在放大過程中存活。
像攝影師一樣，研究人員對他們製作的圖像進行各種控制。圖像的放大倍數，焦距，對比度和亮度都在SEM操作員的指尖。雖然某些型號具有用於這些設置的專用硬體，但是最近的計算機控制集成既降低了SEM的成本又簡化了其操作。最後，確保在操作儀器時遵守一些安全預防措施。在掃描樣本的過程中，SEM 以X射線的形式產生小水平的輻射，因為樣本表面下方的電子被移位並被其他電子取代。雖然X射線本身對人類有危險，但您不應過於擔心操作SEM。大多數儀器都有一個高度隔離的樣品室，旨在防止電磁幹擾，因此在放大過程中產生的任何X射線都不應對操作者構成威脅。儘管如此，研究人員仍應確保遵守有關其所在機構的SEM操作的任何安全預防措施。
總結：由於SEM在真空中運行，研究人員總是假設使用SEM觀察的樣品需要不含水分。這一要求使他們無法觀察生物細胞等生物標本。幸運的是，最新一代的SEM已經克服了這些局限性。例如，一些SEM現在僅需要適度強度的真空來進行操作。雖然這些顯微鏡在此過程中犧牲了解析度，但就它們可以觀察的樣品而言，它們更加靈活。其他公司已經設計出一種在溶液中觀察樣品的方法。通過使用高強度薄膜將樣品與真空室分離，這些SEM可以觀察到從未經受如此高放大率的物體。