显微镜

摘要:电子显微技术是材料表征的重要技术手段之一，其中扫描电子显微镜（简称SEM）由于具有应用范围广、样品制备简单、图像景深大等优点，因而在材料表征中发挥着越来越重要的作用。本文在介绍扫描电子电镜的发展历史、电子光学原理、扫描电镜样品的物理信号、扫描电镜的结构及工作原理的基础上，通过在不同操作条件下对不同类型样品的观察，系统研究了仪器条件如扫描电镜电子枪类型、操作条件如灯丝电压和工作距离、样品制备方法如生物样品和非导电样品的预处理方法等因素对SEM图像质量的影响。研究表明，要获得高质量的SEM形貌像，必须做以下几点：（1）选择合适的仪器是前提。对于观察纳米尺度的样品必须选择场发射电镜，因为只有场发射电镜才具有纳米分辨率。（2）采取有针对性的制样方法是关键。对于生物样品，必须进行冷冻干燥，对于导电性差的样品则必须镀导电膜。（3）选择适当的观察条件是核心。应根据样品类型和特点调整灯丝电压、工作距离、对比度和亮度等参数。（4）细心操作是保证。只有仪器操作者耐心细致的操作才能最终获得清晰简洁、信息丰富和富有美感的图像。?关键词：扫描电镜；材料表征；图像


第一章?绪论?
1.1电子显微镜发展史?
从20世纪30年代开始，人们利用工业技术的发展，成功地研制了电子显微镜，它的出现使人们能在超微结构或原子尺度上观察物体的形貌与结构，人们的观察从宏观世界进入了超微结构或原子级的微观世界。与许多伟大的发明一样，电子显微镜的发明也经历了艰苦的历程，在光学显微镜发明长达300年的时间里，由于光波波长的限制，直接限制了光学显微镜的分辨能力，始终难以突破1000倍的放大倍数，寻找更短波长的光源成为了科学家们呕心沥血的漫长征程。??
1923年，法国科学家Louis?de?Broglie猜测，微观粒子本身除具有粒子特性以外还具有波动性。他指出不仅光具有波粒二像性，一切电磁波和微观运动物质(电子、质子等)也都具有波粒二像性。电磁波在空间的传播是一个电场与磁场交替转换向前传递的过程。电子在高速运动时，其波长远比光波要短得多，于是人们就想到是不是可以用电子束代替光波来实现成像。??
1926年，德国物理学家H.?Busch提出了关于电子在磁场中的运动理论。他指出：具有轴对称性的磁场对电子束来说起着透镜的作用，从理论上设想了可利用磁场作为电子透镜，达到使电子束会聚或发散的目的。??
有了上述两方面的理论，1932年，德国柏林工科大学高压实验室的M.Knoll和E.Rusk研制成功了第1台实验室电子显微镜，这是后来透射式电子显微

镜的雏形。其加速电压为70kV，放大率仅12倍。尽管这样的放大率还微不足道，但它有力地证明了使用电子束和电磁透镜可形成与光学影像相似的电子影像。这为以后电子显微镜的制造研究和提高奠定了基础。??
1933年，E.?Rusk用电镜获得了金箔和纤维的1万倍的放大像。至此，电镜的放大率已超过了光镜，但是对显微镜有着决定意义的分辨率，这时还只刚刚达到光镜的水平。1937年，柏林工业大学的Klaus和Mill继承了Rusk的工作，拍出了第1张细菌和胶体的照片，获得了25nm的分辨率，从而使电镜完成了超越光镜性能的这一丰功伟绩。?
用电子束进行扫描获得图像的SEM原型于1935年由德国的克诺尔（Knoll）研制而成。克诺尔曾参与了鲁斯卡最初TEM的开发，因为研究电视摄像机显像管的靶材，开发了此装置。电子枪和样品装在密封在真空的玻璃管中，用直径大约为100μm径的电子束照射样品，用样品的吸收电流成像。?
1938年同是德国的冯.阿尔顿（von?Arden）使用缩小透镜系统制作了SEM，此装置的镜筒近2米高，使用了二级静电透镜的缩小透镜系统，获得了直径为4nm的电子探针，它实际上是以观察薄膜状样品为目的的扫描透射电子显微镜（Scanning?Transmission?Electron?Microscope：STEM）的专用机，图像直接记录在安装在样品下方的胶片上，当时还没有用显像管观察图像的方法，是首次通过胶片冲洗获得的结果

·阿尔顿没有进行块状样品的观察，但在发表的论文中提出了使用电子增幅器的二次电子检测器的设想[1]。?
1939年，E.?Rusk在德国的Siemens公同制成了分辨率优于10nm的第1台商品电镜。由于E.?Rusk在电子光学和设计第1台透射电镜方面的开拓性工作被誉为“本世纪最重要的发现之一”，而荣获1986年诺贝尔物理学奖。?
1942年美国RCA实验室的Zworykin为了观察块状样品制作了SEM，此装置组合了场发射电子枪和四级的缩小透镜系统，使用了闪烁体检测二次电子，使用传真记录图像。由于获得的二次电子像与TEM的复型法获得的相比要差很多，RCA实验室的SEM开发被中止。此外由于许多科研人员的研发重点转移到电视的开发，此后的SEM的开发与研究暂时停止，直到英国剑桥大学的研发重新启动。剑桥大学研究室进行了有关SEM的很多基础研究。1953年MCMULLAN研制成功了加速电圧在15～20kV下，分辨率为50nm的SEM，到1965年制作了5台SEM。在此期间还开发了现在的二次电子检测器的原型—E-T检测器、各种观察方法及其它的应用技术，1961年加拿大的纸浆公司安装了这个研究室制作的SEM。?
扫描电镜(scanning?electron?microscope,?SEM)作为商品出现则较晚，早在1935年Knoll在设计透射电镜的同时，就提出了扫描

电镜的原理及设计思想。1940年英国剑桥大学首次试制成功扫描电镜。但由于分辨率很差、照相时间过长，因此没有立即进入实用阶段，至1965年英国剑桥科学仪器有限公司开始生产商品扫描电镜。80年代后扫描电镜的制造技术和成像性能提高很快，目前高分辨型扫描电镜（如日立公司的S-5000型）使用冷场发射电子枪，分辨率已达0.6nm，放大率达80万倍。?
1.2扫描电子显微镜电子光学原理?
1.2.1瑞利公式?
利用光学显微系统将细节放大，满足人眼分辨率可以接受的程度，最大分辨率可达到200nm(放大倍数1000倍)。根据瑞利公式：?
Δr0=0.61λ/?(Nsinα)?
其中：Δr0为辨率；λ为光源的波长；N为介质的折射率；α为孔径半角，即透镜对物点的张角的一半；N?sinα称为数值孔径，常用N.A表示。?
根据瑞利公式，提高分辩率的途径有：?
(1)增大数值孔径(N?sinα)?，即增大介质折射率N和数值孔径α；?
(2)减小照明光源波长λ。?
在以空气为介质的情况下，光学透镜系统的N.A<1，采用油侵透镜，?N.A?max=1.35。因此得：Δrmin=λ／2。所以提高显微镜分辨率的根本途径是寻求一种波长更短的光源[2]！?
既然是光源限制了显微镜的放大倍数和分辨率的发展，人们自然会想到：要想提高显微镜的放大倍数和分辨率，就应该更换波长更短的光源。随着人们对电磁波的认识，人们了解到：在一定的电压下电子束的波长可以达到零点几个纳米，使用电子束做为光源，显微镜的分辨率就可能提高几个数量级。?1.2.2电磁透镜?
研究发现：静电磁场可以使电子的运动方向发生改变，对称的静电磁场可以像玻璃聚焦光线那样把电子束汇聚成一点，这使得用电子束聚焦成像成为可能，这样就产生了电磁透镜。由于电磁透镜能把电子束像光一样地聚焦成像，所以使用电子束做为光源的显微镜就应运而生了。这就是电子显微镜。?
扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是像闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。?
由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、特征X射线、俄歇电子等[3]。