掃描電子顯微技術與表征技術的發展與應用

高學平　張愛敏　張蘆元

摘? ?要：掃描電鏡是研究材料微觀結構的有力工具，電子顯微技術與表征技術的發展，進一步推動了掃描電鏡在材料各領域應用。隨著各領域研究方向的細分化和應用需求的差異化，掃描電子顯微技術與表征技術出現了差異化發展趨勢，這極大豐富了商品化SEM產品類別。掃描電子顯微技術的主要發展方向有高分辨率、低加速電壓、低真空工作環境、大樣品倉、大探針電流、電鏡微型化等。電子顯微表征技術的主要發展方向有高通量快速表征、顯微表征原位化、樣品結構信息采集三維化、電鏡功能集成一體化等。

關鍵詞： 電子顯微技術與表征技術? 低加速電壓與高分辨率? 高通量快速表征? 表征原位化? 功能一體化

中圖分類號：TN16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0099-05

Abstract：Scanning electron microscopy （SEM） is a powerful tool for studying the microstructure of materials. The development of electron microscopy and characterization technology has further promoted the application of SEM in various fields of materials. With the differentiation of research directions in various fields and the differentiation of application demands， scanning electron microscopy and characterization technology have shown a trend of differentiated development， which greatly enriches the category of commercialized SEM products.The main development direction of scanning electron microscopy is miniaturization of high resolution， low acceleration voltage， low vacuum working environment， large sample chamber， large probe current electron and Electron microscopy miniaturization， etc. The main development directions of Electron microscopic characterization techniques include rapid characterization with high flux， in-situ characterization of microscopy， three-dimensional collection of sample structure information， and integration of electron microscopy functions.

Key Words：Electron microscopy and characterization techniques; Low acceleration voltage and high resolution; High throughput rapid characterization; In situ characterization; Functional integration

自1965年劍橋大學推出第一臺商品化掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope SEM）以來，掃描電子顯微鏡備受世界各國家科學家的重視[1];在近60年電子光學和傳感器技術發展的支持下，掃描電子顯微技術、表征技術及其應用領域得到極大的提高和擴展。掃描電鏡及相關技術的發展與應用，極大地推進了冶金與新材料、物理與化學、生物與醫學、半導體與微電子等高科技行業的發展[2-6]。2017年諾貝爾化學獎授予三位冷凍電鏡科學家，這使電子顯微技術及表征技術受到世人空前關注。2018年商品化的場發射掃描電鏡分辨率最高達到0.7nm，為獲得更微小空間尺寸的真實信息提供了支持。隨著各領域與研究方向的細分化和應用需求的差異化，掃描電子顯微技術、表征技術以及樣品制備技術出現了差異化發展趨勢，這極大促進了商品化SEM的差異化發展，豐富了產品類別。

1 掃描電子顯微技術發展趨勢

1.1 高分辨率

高分辨率是電子顯微鏡明顯優于光學顯微鏡的一大特點，常規的熱鎢燈絲掃描電子顯微鏡，分辨率最高只能達到 3.0nm;常規場發射槍掃描電子顯微鏡，分辨率可以優于1.0nm，新一代商品化大束流超高分辨率掃描電鏡達到0.7nm，見表1所示。目前超高分辨率掃描電鏡分辨率高達0.4nm，如日立高新超SU9000高分辨率場發射掃描電子顯微鏡。掃描電鏡高分辨率基于以下技術。

（1）高性能場發射電子槍。

高性能場發射電子槍能夠為 SEM 提供高亮度、高相干性的電子光源，能夠獲得高亮度、高準直性的電子束光斑。

（2）新一代電子束單色器和球差校正技術。

在優化電磁透鏡設計的基礎上，把一般應用于透射電鏡上的電子束單色器和球差校正器應用到場發射掃描電鏡上，可以進一步降低電子槍光斑的能量發散度，提高光斑能量穩定性，進一步降低透鏡球像差系數，從而提高圖像的分辨率。

（3）靜電透鏡技術。

掃描電鏡在物鏡極靴靠近樣品位置增加一級靜電透鏡，形成靜電-電磁復合物鏡，進一步縮小電子束的光斑直徑，提高分辨率。

1.2 低加速電壓技術

低加速電壓條件下觀察樣品有獨特的優勢，一是可解決熱敏材料高能照射下材料熱解問題;二是低加速電壓下可對不導電樣品進行直接觀察而不產生核電現象，同時又避免了鍍膜掩蓋細節的問題，獲取樣品表面的真實形貌信息;優異的低電壓技術成為近年來場發射掃描電鏡配置主要功能之一。但隨著加速電壓的降低， 電鏡束流強度降低，光斑尺寸增加，物鏡的球像差效應擴大， 難以獲得高分辨率的圖像， 這些問題限制了低電壓電鏡的應用。針對低電壓電鏡存在的問題，各掃描電鏡廠商進行了技術改進和創新，主要手段如下[7，8]：

（1）在樣品臺上增加一個偏電壓，降低電子束的著陸速度，降低電子束在加速過程產生的透鏡相差問題，以保證在樣品表面獲得足夠直徑小、穩定的光斑。該項技術是低電壓電鏡中的常用技術。美國FEI、日本 HITACHI、日本JEOL、德國ZEISS等主要電鏡廠家都采用了此項技術。

（2）在物鏡的上方增加光闌角度控制透鏡，自動優化物鏡光闌角，調整電子束的擴散程度，始終可以獲取最小的電子束斑，并保證光斑的束流足夠強。

（3）在電子槍中引入單色器，降低電子束的能量擴散，進一步減少色差，保證束斑的穩定性;

（4）改進電子槍的結構，將電子槍燈絲浸沒在低像差聚光鏡磁場中，能更高效地收集從電子槍發射出的電子，保證在低加速電壓下，也能獲得足夠大的束流強度，日本JEOL公司擁有該項技術的專利，該公司JSM-7800F，JSM-7200F、JSM-7900F型號電鏡電子槍都采用了該項技術。

（5）增加像差矯正器，同時利用計算機技術對色差和球差的校正情況進行控制和調節，提高電鏡的分辨率。

（6）采用各種過濾裝置來過濾荷電電子，比如日本 HITACHI的EXB技術、日本JEOL公司r過濾技術，都減少荷電現象，提高了低電壓觀察的圖像質量。

如今，低加速電壓技術已經成熟，也是場發射掃描電鏡的標配技術之一，對科研工作者研究生物材料、高分子材料等提供了極大的方便。

1.3 低真空/環境掃描電鏡

低真空掃描電鏡又可稱為掃描電鏡的低真空工作模式，掃描電鏡樣品室為低真空，低真空壓力可達2Torr;低真空掃描電鏡與常規掃描電鏡的主要技術差別是，在常規掃描電鏡結構基礎上，在物鏡極靴下方位置增加了一級壓差光欄配件及相關控制系統， 實現了樣品倉真空度可調節，電子槍系統與光路系統仍保持高真空狀態。相比于高真空掃描電鏡，低真空掃描電鏡有兩大優勢，一是可對對多孔材料以及巖土等含水樣品進行直接觀察，不需要干燥處理;二是低真空掃描電鏡可對非導電樣品直接進行觀察，不需要做導電處理[9，10]。樣品不做干燥處理，不做鍍膜導電處理，保留了樣品的原始狀態，體現了低真空掃描電鏡的極大優勢，是電鏡發展的主要趨勢之一;目前，低真空模式成為了電鏡主流選配功能之一。

采用兩級壓差光柵和氣體二次電子探測器，可使樣品室的低真空壓力達到50Torr，這種掃描電鏡稱為環境掃描電鏡。環境掃描電鏡可在自然去年狀態下對生物樣品、含水樣品、含油樣品等樣品直接進行觀察分析;也可結合原位樣品臺如高溫或低溫樣品臺聯合使用則可模擬樣品的周圍環境， 可研究環境條件下樣品結構信息[11-13]。環境掃描電鏡為原位研究樣品微觀結構變化信息提供了最好的平臺，市場需求越來越大。

1.4 大樣品倉

隨著對材料結構與性能的深入研究，研究者對材料結構采集信息逐漸多元化，掃描電鏡單一的材料微觀形貌采集已難以滿足市場需求。各大電鏡廠商為了擴大電鏡的應用范圍，優化電鏡結構，設計大樣品倉，配備更多的信號探測器（如能譜儀、波譜儀、 EBSD、高性能CCD等），加裝更多的原位裝置（高/低溫臺、拉伸臺等）;同時，樣品倉位置增加大插件接口，實現與其它檢測技術連用，滿足研究者對樣品結構信息采集多元化的要求。設計大樣品倉，實現電鏡功能多元化，是電鏡技術發展的趨勢之一。

1.5 電鏡微型化

1997年首次提出臺式掃描電鏡的概念，2006年Phenom公司發布了首臺臺式掃描電鏡。臺式掃描電鏡是一種全新的設計，其結合了光學顯微鏡與傳統掃描電鏡的優點。臺式掃描電鏡不僅保留了傳統掃描電鏡較高的放大倍數和大景深特點;而且其具有體積小，操作簡便，價格僅為幾十萬元，快速抽真空等優勢;同時安裝簡單、無需改造實驗室，使用成本低，應用領域廣泛。目前，各高校課題組、企業等單位購置了大量的臺式微型掃描電鏡，這也促進了掃描電鏡的普及與應用，很大程度上緩解了國內掃描電鏡機時緊張的問題。臺式掃描電鏡一般采用鎢燈絲、六硼化鑭或者六硼化鈰作為燈絲，最高分辨率達到3.0nm;目前飛納公司推出場發射燈絲臺式電鏡，其分辨率從3.0nm 提升至2.5nm。隨著臺式電鏡技術的發展，性能逐漸提高，應用范圍逐漸擴大，微型化電鏡的市場會越來越廣闊。

2? 掃描電子表征技術發展趨勢

2.1 電鏡高通量快速檢測技術

隨著科技的發展，研究者逐漸追求材料在時間、空間上的結構變化信息，這就需要電鏡具有更高的信號強度、高的掃描速度，快的數據處理速度，配備高靈敏度探測器，高效率樣品加工附件等工作能力，實現在時間、空間上的高通量表征。高通量材料制備技術與高通量表征技術，大幅減少研發時間和成本，是材料設計、開發者追求的方向[14-16]。高通量快速表征是掃描電子顯微鏡表證的發展方向之一。電鏡高通量表征一方面是短時間內獲得樣品大量的表面形貌、組織、成分等結構信息，另一方面是短時間內對樣品不同位置或者不同的樣品進行檢測。

電鏡高通量表征主要實現手段與技術有：

（1）大探針電流，提高電鏡電子束束流強度。目前商業化的電鏡束流強度規格主要有。5nA、20nA、100nA、200nA、500nA;束流強度越高，單位時間內采集的信號數量就越大。日本HITACHI公司的SU7000熱場發射掃描電鏡，電鏡的束流強度達到200nA，同時配置了6通道顯示界面，進一步升級SEM控制系統，大幅提高了信號獲取速度，由此可實現樣品的高通量觀察。

（2）提高探測器的靈敏度以及探頭的有效采集面積，大幅提高信號的獲取速度和數量。牛津公司新開發的能譜儀AZtecLive擁有更大的晶體面積，擁有高得處理速度、掃描速度，更高的靈敏度、空間分辨率，能夠同步實現動態電子圖像和動態EDS面掃分布圖等技術要求，為高通量表征提供了技術支持。大幅增加信號的數量和提高信號獲取速度，是實現高通量快速檢測主要手段。德國蔡司最新開發的用于大腦神經組織成像研究的MultiSEM506型電子顯微鏡采用91條平行射線，同時可獲取91組圖像，超高的網絡獲取速度和超過2萬億的像素，可以實現大規模的實驗，圖像采集時間也從數年減少到只需幾周，實現高通量表征。2018年，國內的聚束科技公司自主研發的首臺高通量場發射掃描電鏡NeuroSEM-100，專用于微觀尺度腦神經連接圖譜的超高速成像;該電鏡采用同軸電子直接探測技術和高速FPGA采集模塊，高度的智能化結合超高速成像能力（4TB/d），使之具備了3D/4D信息融合能力，可全自動地超大區域（100mmX100mm）全息地圖集式成像，實現高通量表征。

2.2 設備平臺化，功能集成一體化

掃描電鏡的基本功能是樣品微觀形貌觀察，但隨著各種探測器技術的發展與應用，掃描電鏡逐漸轉變為一個搭載平臺，集成多種樣品處理技術和多種探測器，轉變為一個樣品多元信息采集與綜合分析系統，滿足科學家對材料精細結構與性能一體化表征的要求。設備平臺化，功能集成一體化是目前電子顯微表征技術發展的主要趨勢之一，掃描電鏡功能不單一是樣品微觀形貌表征。電鏡功能集成一體化SEM+EDS+WDS+EBSD可以表征金屬、陶瓷的組織形貌、成分、結晶取向等信息，可對材料的成分、工藝、結構與性能之間的關聯性進行研究，該組合電鏡平臺可廣泛應用于如金屬和合金、陶瓷、半導體、超導體、礦石等多晶體材料[17];SEM+EDS+CL組合電鏡可對礦物、鋯石、半導體發光材料結構與性能進行鑒別分析[18，19];SEM+EDS+XRF組合電鏡可對材料的組織形貌、成分，特別是對痕量元素進行精細研究[20];SEM+EDS+LRS激光拉曼一體化電鏡具有有機結構解析、碳結構解析、無機相鑒定、同分異構分析、結晶度分析等功能，在地質、礦物、高分子材料、生命與醫學、寶玉石鑒定等領域均有了非常廣泛的應用[21]。FIB+SEM+EDS雙束電鏡可對材料進行可視微加工，并進行3D結構分析[22];SEM+生物切片超高速電鏡三維影像系統（AutoCUTS-SEM）可對生物材料、有機高分子等進行3D結構分析[23];SEM+超低溫冷凍制樣及傳輸技術與電鏡結合（冷凍電鏡Cryo-SEM）可對細胞組織進行3D結構分析[24]。

2.3 顯微觀察與表征原位化

隨著研究的深入發展，離線樣品檢測已難以滿足科學家的要求，對樣品進行原位條件下分析表征的需求日漸增強。原位表征能夠獲得樣品形貌、組織結構以及性能隨環境場變化的規律性信息。目前，原位表征環境場主要有原位高/低溫熱場、原位力學、原位電化學、原位液相和氣相、原位納米加工等技術。

（1）高溫/低溫樣品臺。

利用高/低溫臺在環境模式下對樣品進行加熱/制冷，并采集信號可進行原位動態觀察，研究溫度對樣品結構與性能的影響。高溫樣品臺一般配置在環境掃描電鏡或者低真空掃描電鏡上，在普通高真空掃描電鏡上少有配置;樣品在加熱的過程中會釋放出氣體或者可見光以及紅外熱輻射等現象，必須采用有抑制光、熱信號等噪音的專業探測器，普通的探測器在高溫下無法正常工作。低溫樣品臺可以在各種電鏡上加裝，普通的探測器就可正常工作。

（2）原位力學裝置。

原位力學裝置主要輔助研究材料在外立場作用下結構與性能的變化情況，目前電鏡用原位加載裝置主要有原位拉伸、壓縮、彎曲、扭轉等功能，并逐漸由單一功能向復合功能發展，可從材料表面觀察在動態拉伸條件下材料的滑移、塑性形變、起裂、裂紋擴展（ 路徑和方向） 直至斷裂的全過程等。

（3）人造環境模擬芯片技術。

基于微機電系統（Microelectro Mechanical Systems）技術，研發了用于模擬材料工作環境熱-電、氣-熱、液-電等一系列具有精確環境控制、高測量精度的一體化芯片器件。在電鏡中，此芯片器件可對樣品施加高溫、高電場，或者注入流動液體、大氣壓級別的氣氛等一系列環境模擬，為研究樣品材料在環境作用下結構與性能的變化研究提供了技術支持。

（4）超低溫冷凍與傳輸技術。

2017年諾貝爾化學獎頒給三位發明冷凍電鏡的學者，以表彰他們在冷凍電鏡領域的貢獻，使冷凍電鏡迅速走入普通大眾的視野。冷凍電鏡的核心技術主要是快速冷凍技術、冷凍傳輸技術和圖像采集與計算機合成技術?？焖倮鋬黾夹g可對含水樣品直接冷凍而不影響樣品本身結構;冷凍傳輸技術可保證電鏡觀察下的樣品處于低溫冷凍狀態。超低溫冷凍電鏡可直接觀察液體、半液體及對電子束敏感的樣品等，應用范圍廣泛，已在生物科學、醫學、高分子材料等領域得到極大應用。

2.4 樣品結構信息采集三維化

近年來，電鏡技術迅速發展，特別是樣品制備技術和計算機圖像三維重構技術取得極大進步，促使電子顯微鏡的功能不僅局限在樣品二維組織與成分的定性與定量分析，逐漸發展為樣品結構三維（3D）立體表征[25]。實現樣品結構電鏡三維立體表征，在硬件方面除需要電鏡的高通量表征技術外，還需要配制高精度快速樣品加工裝置。電鏡配制的高精度快速樣品加工裝置主要有聚焦離子束（FIB）系統、生物連續超薄切片自動化系統、納米機械手、納米劃痕儀等;計算機圖像三維重構技術的發展與應用，使顯微鏡成為具有圖像采集、數據處理和數據存儲等功能的數據成像工作平臺;硬件和軟件兩方面的集成發展，是電子顯微鏡實現樣品結構信息采集三維化的關鍵[26，27]。

聚焦離子束（FIB） 是一種利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的高能束斑，直接照射在樣品表面進行顯微切割，是電鏡對固體樣品進行微加工另一種手段;FIB+SEM雙束電鏡已成為3D納米表征、納米分析、納米加工、納米原型設計的最強大工具。

為了研究納米材料微觀性能，研究者又開發出納米機械手;在電子顯微鏡上，借助納米機械手可實現可視化微觀拉伸、壓縮、搭接、切割等操作，對材料的結構與性能的相關性進行研究;納米可視加工技術已成為研究納米材料微觀性能的主要表征手段。目前，納米可視加工技術在生物醫學研究領域中應用最為廣泛，比如DNA樣本的分子手術，基因樣本的剪輯與重組，神經元節點注射，生物膜加工等，這些實驗都需要在電鏡平臺上借助納米機械手才能夠進行。2012年底，中科院生物所生物成像中心承擔的“連續超薄切片自動化收集系統研制”項目順利驗收，SEM+生物切片超高速電鏡三維影像系統（AutoCUTS-SEM）可對生物材料進行3D結構觀察與分析。TESCAN型號為S9000X的FIB-SEM的雙束電鏡，搭載了可拆卸的鉆石刀;該設備擁有多能量電子成像功能，根據不同加速電壓的電子束進入樣品的深度不同，獲取不同深度的樣品信息，從而實現樣品3D結構表征。蔡司公司擁有多種型號鏡配制FIB系統的電子顯微鏡，FIB系統通過體積激發和切片厚度控制方法實現3D重構，該電鏡可用于成像分析和樣品制備、納米圖形加工和3D重構。

3? 展望

掃描電子顯微技術發展迅速，圖像分辨率越來越高，電子槍束流可選擇范圍越來越大，低真空技術與低電壓技術更加成熟，逐漸成為電鏡的主流配置。隨著研究領域的細分化，電子顯微表征技術呈現多樣化發展趨勢;樣品結構原位表征的需求、促進了大樣品倉、低真空、高通量表征電鏡的發展;樣品快速加工技術與計算機圖像三維重構技術的發展與應用，使電鏡實現了樣品3D結構信息采集。電子顯微技術、表征技術與樣品快速加工技術三者結合，使掃描電鏡逐漸轉變為一個綜合性平臺，具備組織形貌觀察、成分分析、可視加工與性能檢測等功能，成為材料研發的有力工具。

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