Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là thiết bị có khả năng chụp ảnh bề mặt với độ phân giải cao hơn so với kính hiển vi quang học. Với các mẫu có kích thước từ vài chục nm đến µm, thiết bị này là một lựa chọn hữu hiệu trong việc xác định hình thái bề mặt và kích thước hạt. Nguyên lí hoạt động của kính hiển vi điện tử quét được mô tả trên Hình 2.4. Cấu tạo của SEM bao gồm nguồn phát điện tử, các thấu kính điện từ, giá để mẫu, cuộn quét tia và các đầu dò được đặt trong buồng chân không. Nguyên lý làm việc của SEM tương tự như việc chiếu một chùm sáng lên bề mặt mẫu và quan sát bề mặt thông qua chùm sáng phản xạ. Các điện tử từ nguồn phát ra, được tăng tốc bởi hiệu điện thế 0,2-50 kV và hội tụ thành một chùm rất mảnh 0,4-5 nm, quét lần lượt từng ô nhỏ trên bề mặt mẫu theo các trục x và y thông qua điều khiển của các cuộn quét tĩnh điện. Khi chùm điện tử tương tác với các nguyên tử tại bề mặt hoặc gần bề mặt mẫu sẽ phát ra nhiều loại tín hiệu như: điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược, bức xạ tia X, huỳnh quang catốt. Mỗi loại tín hiệu phản ánh một đặc điểm của mẫu tại điểm chùm điện tử chiếu đến và được các đầu thu riêng biệt ghi nhận và phân tích.
Ảnh SEM tái hiện lại thông tin của tín hiệu mà đầu thu nhận được tại từng điểm mà chùm điện tử quét trên mẫu. Mỗi điểm ảnh của bộ nhớ hình ảnh máy tính được đồng bộ với các vị trí của chùm tia quét trên mẫu và sự thay đổi cường độ của tín hiệu khi chùm điện tử quét qua mẫu được sử dụng để tạo ra một bản đồ và là hình ảnh phóng đại của bề mặt mẫu vật. Thông thường, các phép phân tích được thực hiện chủ yếu thông qua điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược.
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons) có năng lượng thấp được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy, chúng phản ánh hình ảnh bề mặt mẫu. Số điện tử thứ cấp phát ra phụ thuộc độ lồi lõm ở bề mặt mẫu tương ứng với điểm sáng và tối trên ảnh thu được.
Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons) là chùm điện tử ban đầu tương tác với bề mặt mẫu bị tán xạ ngược trở lại, chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc nguyên tử số (Z) của mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học ở bề mặt mẫu. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể.
Độ phóng đại của ảnh SEM có thể lên đến 1000000 lần. Không giống như kính hiển vi quang học, SEM không dùng các thấu kính để phóng đại ảnh. Các thấu kính điện từ trong SEM chỉ được sử dụng để hội tụ chùm điện tử chiếu lên mẫu. Độ phóng đại của ảnh M = D/d là tỉ lệ kích thước quét trên màn hình hiển thị (D) và kích thước quét trên mẫu (d). Giả sử màn hình hiển thị có kích thước cố định, độ phóng đại cao hơn khi giảm kích thước quét trên mẫu vật, và ngược lại. Độ phóng đại được điều khiển bởi dòng điện hay điện áp cung cấp cho cuộn quét theo trục x và y, và không phải bởi vật kính.
Độ phân giải của SEM phụ thuộc vào kích thước của vết mà chùm điện tử chiếu lên mẫu, do đó phụ thuộc vào cả bước sóng của điện tử và các thấu kính điện từ điều khiển chùm tia quét (kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai). Độ phân giải còn bị giới hạn bởi thể tích tương tác của chùm điện tử với mẫu. Ảnh SEM phải được chụp trong môi trường chân không cao và mẫu phân tích phải dẫn điện. Đối với mẫu không dẫn điện thì phải phủ thêm một lớp dẫn điện mỏng (thường là Au hay Pt) để tránh sự tích điện trên bề mặt mẫu.
Các hạt cầu silica, tinh thể opal và cấu trúc nano được chụp ảnh bề mặt mẫu trên kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường S - 4800 (Hitachi) tại Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.