扫描电子显微镜（SEM）在表面形貌分析中的应用与三维重构技术

在微观世界的探索中，扫描电子显微镜（SEM）因其卓越的可视化能力，已成为定性表面形貌分析不可或缺的工具。就形貌学研究而言，SEM所整合的一系列独特属性，是其他任何显微技术都无法比拟的。

它的放大倍数范围极广，可以从低于100×的宏观概览无缝衔接到高达100000×的精细观察。这意味着分析视野既可以覆盖近1 mm²的区域，也能聚焦于仅1 μm²的微区。这种跨越多个数量级的尺度伸缩性，使得SEM成为一种真正的多尺度分析技术，其灵活性远超其他显微方法。

图1 左图：扫描策略；右图：由49个单次扫描拼接而成的AFM图像三维图

在高倍率下，SEM在导电样品表面的极限分辨率可达约2 nm，其计量学性能不受光学衍射极限的制约。如此高的分辨能力，只有扫描探针显微镜（SPM）能够企及，但后者在可测范围上又存在局限。SEM的另一大优势是其巨大的景深，能够让处于不同深度的特征同时保持清晰对焦。同时，它还具备很长的工作距离，即使在1000×或更高倍率下，依然可以在数毫米甚至十余毫米的工作距离下轻松成像。这一特性为开发基于多重定位的测量策略提供了可能。此外，市售的SEM通常配备了具有多个自由度的样品台，允许从不同视角对特征进行观察。

从二维图像到三维数据的跨越

尽管通过二次电子探测器获得的SEM图像因其阴影效应而具有引人注目的三维立体感，但其本质上仍是二维的。高度信息无法从单张图像中直接提取，而图像在x和y维度上的测量也仅在单一焦平面上是准确的。

为了重构表面特征的第三维度，可以采用摄影测量学（Photogrammetry）方法。其核心思路是对同一样品从两个不同的视角进行成像，形成所谓的“立体像对”。样品表面的高低起伏，会导致其在两张图像中的横向位移有所不同。通过计算这些投影差异，便可以推导出定量的表面形貌数据。该计算能否成功的根本前提，是在两张图像中对单个表面特征进行精确的匹配。在大多数SEM设备中，通过绕水平轴倾斜样品台，即可方便地获取这两个不同视角的立体图像。

三维重构的局限与前沿进展

利用立体像对或像组重构出的三维数据虽然可用于评估表面形貌，但其应用受到多种因素的制约。

首先，SEM测量要求样品材料本身具有导电性，或是在表面沉积一层金等导电薄膜进行制备。一个主要的限制在于，粗糙度等参数的计算通常需要在一个相对较大的面积上进行，而当使用高倍率时，SEM的视场面积又相对很小，这构成了一对矛盾。另一个限制是，对于非常光滑的表面，三维重构结果会存在较高的不确定性。因此，要获得可靠的定量三维数据，对样品制备、参数优化和数据处理都提出了极高要求。

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为了推动该技术的发展，丹麦技术大学（DTU）的研究人员针对立体像对SEM的表面织构测量可溯源性展开了深入研究。他们开发了一种实现伪同心倾转（pseudo-eucentric tilting）的定位程序，并基于现有理论，结合同心倾转假说，给出了一个计算形貌测量精度的模型。此外，为了有效测试高倍率下三维SEM的性能，一项新颖的校准样件设计也被提了出来。这些工作为提升SEM三维测量的准确性和可靠性铺平了道路。