扫描电子显微镜（SEM）的原理基于高能电子束与样品表面的相互作用，通过检测产生的信号来获取微观形貌和成分信息。其核心原理可概括为以下几个步骤：

一、电子束的生成与聚焦

电子枪发射电子：

通过加热钨灯丝等材料，使电子克服功函数形成电子云，再经聚光镜和物镜聚焦成束，形成直径约0.00025微米-25微米的细电子束。

束斑调节：

通过电磁透镜组（如韦氏圆筒）调节电子束的直径和形状，确保束斑尺寸适合成像。

二、电子束与样品的相互作用

信号产生：

当电子束扫描样品表面时，会产生多种物理信号：

- 二次电子：由样品表面原子的外层电子激发产生，分辨率高（约1-10 nm），反映表面形貌；

- 背散射电子：从样品内部散射回来，用于分析深层结构；

- 特征X射线：用于分析微区化学成分；

- 连续谱X射线：反映电子束能量损失信息；

- 俄歇电子：与二次电子同时产生，与表面化学状态相关。

信号传输：

信号被二次电子检测器或背散射检测器接收，转换为电信号。

三、信号处理与成像

同步扫描：

扫描线圈控制电子束逐行扫描样品，通过同步扫描发生器实现电子束与显像管光束的同步；

图像构建：

检测到的信号经放大器放大后，调制显像管对应位置的亮度，形成与样品表面形貌一致的二维图像；

分辨率与景深：

由于电子束直径极细（约0.00025微米），分辨率远超光学显微镜（可达纳米级），但景深较小，需通过调节物镜焦距优化。

四、应用与优势

主要应用：材料科学、生物学、半导体等领域，用于观察表面形貌、缺陷分析及成分检测；

优势：无需切片样品，可直接观察大尺寸（可达120mm×80mm×50mm）的复杂结构。

通过上述过程，SEM能够将微观形貌与物理化学信息转化为直观的图像，为科学研究和工业检测提供重要手段。