掃描電子顯微鏡，簡稱掃描電鏡，英文名為Scanning Electron Microscope，縮寫為SEM，是利用高能量的電子束在固體樣品表面掃描，激發出二次電子、背散射電子、X射線等物理信號，從而獲得樣品表面圖像及測定元素成分的壹種電子光學儀器。
掃描電鏡，按其功能劃分，由電子光學系統、信號檢測和放大系統、掃描系統、圖像顯示和記錄系統、真空系統以及電源系統等六個部分組成（圖5-1）。由電子槍發出，經電磁透鏡會聚的電子束，由掃描線圈控制在固體樣品表面作光柵式掃描，入射至樣品中數微米深的範圍內。這些高能電子與樣品中原子相互作用後，使樣品內產生二次電子、背散射電子、X射線等物理信號。
在入射電子的作用下從固體樣品中射出的，能量小於50e V的電子都稱為二次電子（Secondary Electron，常以縮寫SE表示）。大部分二次電子的能量在3～5e V之間。背散射電子（Backscattered Electron，常以縮寫BE表示）是被固體樣品原子反射回來的入射電子，所以有時又稱為反射電子（reflected electron，請勿稱作背反射電子），其能量與入射電子的能量相等或接近相等。
圖5-1 掃描電子顯微鏡的結構（未顯示電源系統）
掃描電鏡中的成像與閉路電視的成像相似。樣品中產生的二次電子、背散射電子等物理信號可分別由檢測器逐點逐行采集，並按順序和成比例地將物理信號進行處理後輸送到陰極射線管的柵極調制其亮度，顯示出樣品的圖像。掃描電鏡鏡筒中的電子束在樣品表面的掃描與陰極射線管中電子束在成像平面上的掃描是同步的。因此，陰極射線管上的圖像與樣品實物是逐點逐行壹壹對應的。由於樣品表面各部位的形貌、成分和結構等的差異，被激發的二次電子、背散射電子數量有所不同，從而在陰極射線管上形成反映樣品表面特征的明暗不同的圖像。因此，掃描電鏡的圖像是壹種襯度圖像，並不是彩色圖像。早期的掃描電鏡圖像是模擬圖像，由照相底片記錄。近年來圖像均已數字化，可由計算機儲存和顯示。
由於二次電子能量較低，在距離表面10nm以上的樣品內部產生的二次電子幾乎全被鄰近的原子吸收而無法逸出樣品被檢測器檢測到。因此，二次電子像所反映的信息完全是樣品表面的特征，是掃描電鏡中使用最多的圖像（圖5-2）。
掃描電鏡圖像的特點是：① 放大倍數範圍大，其有效放大倍數可從數十倍至十萬倍，基本上概括了放大鏡、光學顯微鏡至透射電鏡的放大倍數範圍。②分辨率高，景深大，立體感強。其二次電子圖像的分辨率已達3nm，比光學顯微鏡約高5個數量級。在同壹放大倍數下掃描電鏡圖像的景深比光學顯微鏡的景深大10～100倍。
圖5-2 草莓狀黃鐵礦的掃描電子圖像
掃描電鏡對樣品的基本要求是：①樣品必須是幹燥、清潔的固體，在高能電子束的轟擊下不變形，不變質，並能經受住真空的壓力。②樣品必須導電。不導電的樣品可在表面噴鍍壹層導電膜。近幾年有些不導電的樣品在數百伏的低加速電壓下也能進行觀察。因此，光片、沒有蓋玻璃的薄片以及斷面等都能在掃描電鏡中進行觀察。對樣品的大小也沒有嚴格的要求，觀察面積約1cm2，樣品高度小於1cm較為適中。
近年來絕大多數掃描電鏡都配備X射線能譜儀，有時還可配備電子背散射衍射部件，在觀察圖像的同時還可在原地進行微區的成分和結構分析。詳情請見本章第三節和第四節的相關部分。