扫描电镜（SEM）是利用聚焦电子束进行微区样品表面形貌和成分分析，电子从发射源（灯丝）经光路系统最终到达样品表面，电子束直径可到 10 nm 以下，场发射电镜的聚集电子束直径会更小。

聚焦电子束到达样品表面会激发出多种物理信号，包括二次电子（SE），背散射电子（BSE），俄歇电子（AE）、特征 X 射线（X-ray）、透射电子（TE）等。

• 二次电子 信号主要来自样品表面，其深度范围 10 nm ，成像具有较高分辨率，能够很好的反映样品形貌特征。

  
  

• 背散射电子 是入射电子被样品原子核反弹回来的部分电子，电子能量较高，信号深度范围可到 2 μm。

  
  

• X 射线 可以从样品较深的位置出射，其深度范围可到 5 μm。

图1 不同样品信号深度

聚焦电子束按一定方向入射到样品上，电子会受到材料中晶体位场和原子库仑场作用，其运动方向发生改变，称散射现象，且该过程是随机过程。

入射电子在样品内部的散射轨迹可以用 Monte Carlo 电子轨迹模型进行模拟。聚焦电子束与样品的作用区的形状类似水滴形状。根据 Monte Carlo 电子轨迹模型可以推导出入射电子最大穿透深度 H。

H = 0.0019 (A/Z) ^ 1.63 E0 ^ 1.71 / ρ

其中 A 为样品原子量，Z 为样品原子序数，E0 为入射电子能量（单位 KeV），ρ 为样品密度­。

图2 电子束与样品作用区域模拟图

聚焦电子束与样品作用区域的大小主要与样品原子序数、电镜加速电压和电子束入射角度有关。

1) 样品原子序数 随原子序数增大，最大穿透深度降低。

如下图所示，当扫描电镜加速电压固定，随着样品原子序数增加，其作用区域不断减小。随原子序数增大，入射电子越容易散射，更容易偏离起始方向，相互作用区域会减少，最大穿透深度也降低。

图3 原子序数对相互作用区域的影响

2) 电镜加速电压 随着加速电压增大，最大穿透深度增加。

如下图所示，对同一种材料，随着加速电压增加（5~25kV），其作用区域不断变大。分别采用 5kV、10kV、15kV，利用背散射探头观察碳材料，5kV 下样品表面细节更丰富，15kV 样品形貌有明显穿透感。

加速电压变大，入射电子的能量也增加，电子的穿透深度变深，电子轨迹在样品表面变化不大，随着电子穿透深度增加和多次散射发生，入射电子方向也发生变化，作用区域也变大。

图4 加速电压对相互作用区域的影响

图5 背散射图像，不同加速电压下的碳材料形貌

3) 电子束入射角度 入射角度增大，作用区域越小。

入射电子与样品作用区域形状类似水滴，当样品表面不平或发生倾斜时，电子束作用区域亦会受到影响。

图6 入射电子束角度