扫描电子显微镜(SEM)成像技术是探索微米、纳米材料微观结构时使用最广泛的一种方法。然而,由于电子-固体相互作用中成像信号产生机制所限,实验图像并不能够完全准确地揭示材料的结构和形貌信息。因此,利用扫描电镜进行准确的尺度测量还需要借助理论模拟,将模拟计算的图像衬度与实验图像的衬度进行对比分析。这种方法不仅有利于加深对扫描电镜成像机制的理解,而且可以建立实验参数与样品材料表征信息的平台,以进一步构建扫描电镜尺度计量的数据库。本文第一章首先介绍了扫描电镜基本原理,概述了电子与固体相互作用理论、扫描电镜用于样品三维重构、荷电效应的研究背景。其次,概述了蒙特卡洛方法在扫描电子显微成像模拟中的应用。电子在固体中输运过程的正确描述是扫描电镜成像模拟的基础。电子的输运过程可以描述为一系列弹性和非弹性的散射事件。第二章介绍了用Mott截面来描述电子弹性散射事件以及full Penn的介电函数模型来处理非弹性散射事件和级联电子的产生。基于这样一种精准的蒙特卡洛模拟物理模型,本论文主要进行了以下的研究工作：1、通过我们自主开发的扫描电镜成像模拟程序,模拟了复杂形貌的Au纳米颗粒样品在C衬底上的SEM图像。第三章详细介绍了建立纳米颗粒3D构件的有限元三角形网格法,以及为了加速计算采用的空间分割法和射线追踪技术。指出了准确测量该样品形貌尺寸的最佳方法。2、第四章中我们研究了电子束聚焦束斑和聚焦条件对线宽测量的影响。我们建立了兼有简易和可快速计算的电子束聚焦模型,它可以方便地应用于电子轨迹的蒙特卡洛中。通过模拟结果给出了精确测量线宽的聚焦条件,同时指明了传统的高斯线型并不足以准确地描述电子探测束斑,应该采用“有效电子束形状”来分析。3、第五章中采用蒙特卡洛模拟研究了有效电子束形状(EEBS)对SEM成像的影响。研究发现,EEBS强烈地依赖于电子束着落点处局域的样品形貌以及聚焦条件,因此它独立于入射点位置的传统高斯线型很不一样。对于图像卷积来说,EEBS要比高斯线型更适用。第6-7章是关于荷电效应的研究,它是本论文的主要研究目标。我们建立了电荷沉积和动力学输运模型。4、第六章中我们研究了等离子体刻蚀过程中掩膜表面的荷电效应。利用粒子模拟方法解释了实验中发现的圆形掩膜洞口在等离子体刻蚀过程中转变成六边形的机制。5、电子束辐照绝缘材料引起的电荷积累对SEM成像有重要的影响。第七章中我们发展了一种自洽的蒙特卡洛模拟以研究荷电效应的基本机制。该模拟方法基于有效的电荷沉积和动力学模型,同时也包含级联二次电子产生过程。我们对Si02块材计算了电子产额和表面电势随辐照时间的变化,电荷沉积分布等情况也以多种形式进行了研究。更加重要的是,我们在粗糙面线宽的扫描电镜成像模拟中考虑了荷电效应。6、第八章中我们模拟了Au纳米棒的扫描电镜图像,对Au纳米棒进行成像模拟研究有助于建立纳米棒长径比测量方法。我们构建了有机分子包裹层的Au纳米棒结构模型,但模拟得到的扫描电镜图像衬度与实验图像尚不能完全,其原因有待进一步研究。第九章对本论文的研究内容作详细总结。