SEM - 扫描电子显微镜
今天高考了，我又想起了2015年安徽作文题提到的“……让同学们亲手操作扫描式电子显微镜，观察蝴蝶的翅膀。通过这台可以看清纳米尺度物体三维结构的显微镜，同学们惊奇地发现：原本色彩斑斓的蝴蝶翅膀竟然失去了色彩，显现出奇妙的凹凸不平的结构。”
这段材料前后有好几处科学事实混乱，本嘟嘟就只解释一下扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）是怎么回事。这次是比较基础的知识，应该不少朋友都知道，如果我说得不对麻烦大家指正。
在说电子显微镜之前，我们不妨回顾一下光学显微镜：白光光源通过几组玻璃镜片聚焦到样品上，一些波段的光被吸收，一些被反射，反射光回到我们的眼睛里或者照相机数码底片上，就成像为样品图像。那么我们可以看到样品上不同色彩明暗的对比，就是因为不同区域对光的吸收和反射不同。
如此想来，是不是只要有一束“光”照射到样品上，我们又有探测器可以接收“反射光”，就能根据不同区域吸收反射程度不同构成图像啦？是的。所以除了白光，我们还可以用电子束探测样品表面的微小形态，用的就是扫描电子显微镜。
SEM的“光路”和光学显微镜非常相似（图1）不同的是用来聚焦的不是玻璃镜片而是几组电磁铁；电子束和样品表面原子的相互作用也不仅仅是吸收和反射这么简单（图2），因此我们可以从SEM中获得更丰富的信息。高速入射电子会击出样品原子的外层电子（secondary electrons, SE）这些电子通常被探测器接收，构成样品的表面结构图像。而如果电子束击出了较内层的电子，样品表面原子的最外层电子就会移到内层补上这个缺口，在此过程中会辐射的x射线，通常我们也会收集，用于分析元素构成。
那为什么光学图像有颜色，SEM图像是黑白的呢？因为人类的视神经可以分离红绿蓝三个波段，分别探测三种颜色的强度，然后在脑子里合成一张彩色照片。而SEM里的电子探测器只知道强度，当然只能合成灰度照片，图3[1]就是一张蝴蝶翅膀的SEM照片。
根据同样的原理，我们也可以把其他粒子束当作“光”来探测样品表面形态，制造“显微镜”。有一些已经广泛被科研工作应用了，比如利用氦离子的HIM和利用镓离子的FIB。
- Sun, Gang, et al. Journal of Bionic Engineering 6.1 (2009): 71-76.
- 果壳网当时关于蝴蝶翅膀颜色的一篇科普，讲的是结构色。编辑是ent https://m.guokr.com/article/440386