扫描电子显微技术与表征技术的发展与应用

高学平　张爱敏　张芦元

摘   要：掃描电镜是研究材料微观结构的有力工具，电子显微技术与表征技术的发展，进一步推动了扫描电镜在材料各领域应用。随着各领域研究方向的细分化和应用需求的差异化，扫描电子显微技术与表征技术出现了差异化发展趋势，这极大丰富了商品化SEM产品类别。扫描电子显微技术的主要发展方向有高分辨率、低加速电压、低真空工作环境、大样品仓、大探针电流、电镜微型化等。电子显微表征技术的主要发展方向有高通量快速表征、显微表征原位化、样品结构信息采集三维化、电镜功能集成一体化等。

关键词： 电子显微技术与表征技术  低加速电压与高分辨率  高通量快速表征  表征原位化  功能一体化

中图分类号：TN16                                  文献标识码：A                         文章编号：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年剑桥大学推出第一台商品化扫描电子显微镜（scanning electron microscope SEM）以来，扫描电子显微镜备受世界各国家科学家的重视[1];在近60年电子光学和传感器技术发展的支持下，扫描电子显微技术、表征技术及其应用领域得到极大的提高和扩展。扫描电镜及相关技术的发展与应用，极大地推进了冶金与新材料、物理与化学、生物与医学、半导体与微电子等高科技行业的发展[2-6]。2017年诺贝尔化学奖授予三位冷冻电镜科学家，这使电子显微技术及表征技术受到世人空前关注。2018年商品化的场发射扫描电镜分辨率最高达到0.7nm，为获得更微小空间尺寸的真实信息提供了支持。随着各领域与研究方向的细分化和应用需求的差异化，扫描电子显微技术、表征技术以及样品制备技术出现了差异化发展趋势，这极大促进了商品化SEM的差异化发展，丰富了产品类别。

1 扫描电子显微技术发展趋势

1.1 高分辨率

高分辨率是电子显微镜明显优于光学显微镜的一大特点，常规的热钨灯丝扫描电子显微镜，分辨率最高只能达到 3.0nm;常规场发射枪扫描电子显微镜，分辨率可以优于1.0nm，新一代商品化大束流超高分辨率扫描电镜达到0.7nm，见表1所示。目前超高分辨率扫描电镜分辨率高达0.4nm，如日立高新超SU9000高分辨率场发射扫描电子显微镜。扫描电镜高分辨率基于以下技术。

（1）高性能场发射电子枪。

高性能场发射电子枪能够为 SEM 提供高亮度、高相干性的电子光源，能够获得高亮度、高准直性的电子束光斑。

（2）新一代电子束单色器和球差校正技术。

在优化电磁透镜设计的基础上，把一般应用于透射电镜上的电子束单色器和球差校正器应用到场发射扫描电镜上，可以进一步降低电子枪光斑的能量发散度，提高光斑能量稳定性，进一步降低透镜球像差系数，从而提高图像的分辨率。

（3）静电透镜技术。

扫描电镜在物镜极靴靠近样品位置增加一级静电透镜，形成静电-电磁复合物镜，进一步缩小电子束的光斑直径，提高分辨率。

1.2 低加速电压技术

低加速电压条件下观察样品有独特的优势，一是可解决热敏材料高能照射下材料热解问题;二是低加速电压下可对不导电样品进行直接观察而不产生核电现象，同时又避免了镀膜掩盖细节的问题，获取样品表面的真实形貌信息;优异的低电压技术成为近年来场发射扫描电镜配置主要功能之一。但随着加速电压的降低， 电镜束流强度降低，光斑尺寸增加，物镜的球像差效应扩大， 难以获得高分辨率的图像， 这些问题限制了低电压电镜的应用。针对低电压电镜存在的问题，各扫描电镜厂商进行了技术改进和创新，主要手段如下[7，8]：

（1）在样品台上增加一个偏电压，降低电子束的着陆速度，降低电子束在加速过程产生的透镜相差问题，以保证在样品表面获得足够直径小、稳定的光斑。该项技术是低电压电镜中的常用技术。美国FEI、日本 HITACHI、日本JEOL、德国ZEISS等主要电镜厂家都采用了此项技术。

（2）在物镜的上方增加光阑角度控制透镜，自动优化物镜光阑角，调整电子束的扩散程度，始终可以获取最小的电子束斑，并保证光斑的束流足够强。

（3）在电子枪中引入单色器，降低电子束的能量扩散，进一步减少色差，保证束斑的稳定性;

（4）改进电子枪的结构，将电子枪灯丝浸没在低像差聚光镜磁场中，能更高效地收集从电子枪发射出的电子，保证在低加速电压下，也能获得足够大的束流强度，日本JEOL公司拥有该项技术的专利，该公司JSM-7800F，JSM-7200F、JSM-7900F型号电镜电子枪都采用了该项技术。

（5）增加像差矫正器，同时利用计算机技术对色差和球差的校正情况进行控制和调节，提高电镜的分辨率。

（6）采用各种过滤装置来过滤荷电电子，比如日本 HITACHI的EXB技术、日本JEOL公司r过滤技术，都减少荷电现象，提高了低电压观察的图像质量。

如今，低加速电压技术已经成熟，也是场发射扫描电镜的标配技术之一，对科研工作者研究生物材料、高分子材料等提供了极大的方便。

1.3 低真空/环境扫描电镜

低真空扫描电镜又可称为扫描电镜的低真空工作模式，扫描电镜样品室为低真空，低真空压力可达2Torr;低真空扫描电镜与常规扫描电镜的主要技术差别是，在常规扫描电镜结构基础上，在物镜极靴下方位置增加了一级压差光栏配件及相关控制系统， 实现了样品仓真空度可调节，电子枪系统与光路系统仍保持高真空状态。相比于高真空扫描电镜，低真空扫描电镜有两大优势，一是可对对多孔材料以及岩土等含水样品进行直接观察，不需要干燥处理;二是低真空扫描电镜可对非导电样品直接进行观察，不需要做导电处理[9，10]。样品不做干燥处理，不做镀膜导电处理，保留了样品的原始状态，体现了低真空扫描电镜的极大优势，是电镜发展的主要趋势之一;目前，低真空模式成为了电镜主流选配功能之一。

采用两级压差光栅和气体二次电子探测器，可使样品室的低真空压力达到50Torr，这种扫描电镜称为环境扫描电镜。环境扫描电镜可在自然去年状态下对生物样品、含水样品、含油样品等样品直接进行观察分析;也可结合原位样品台如高温或低温样品台联合使用则可模拟样品的周围环境， 可研究环境条件下样品结构信息[11-13]。环境扫描电镜为原位研究样品微观结构变化信息提供了最好的平台，市场需求越来越大。

1.4 大样品仓

随着对材料结构与性能的深入研究，研究者对材料结构采集信息逐渐多元化，扫描电镜单一的材料微观形貌采集已难以满足市场需求。各大电镜厂商为了扩大电镜的应用范围，优化电镜结构，设计大样品仓，配备更多的信号探测器（如能谱仪、波谱仪、 EBSD、高性能CCD等），加装更多的原位装置（高/低温台、拉伸台等）;同时，样品仓位置增加大插件接口，实现与其它检测技术连用，满足研究者对样品结构信息采集多元化的要求。设计大样品仓，实现电镜功能多元化，是电镜技术发展的趋势之一。

1.5 电镜微型化

1997年首次提出台式扫描电镜的概念，2006年Phenom公司发布了首台台式扫描电镜。台式扫描电镜是一种全新的设计，其结合了光学显微镜与传统扫描电镜的优点。台式扫描电镜不仅保留了传统扫描电镜较高的放大倍数和大景深特点;而且其具有体积小，操作简便，价格仅为几十万元，快速抽真空等优势;同时安装简单、无需改造实验室，使用成本低，应用领域广泛。目前，各高校课题组、企业等单位购置了大量的台式微型扫描电镜，这也促进了扫描电镜的普及与应用，很大程度上缓解了国内扫描电镜机时紧张的问题。台式扫描电镜一般采用钨灯丝、六硼化鑭或者六硼化铈作为灯丝，最高分辨率达到3.0nm;目前飞纳公司推出场发射灯丝台式电镜，其分辨率从3.0nm 提升至2.5nm。随着台式电镜技术的发展，性能逐渐提高，应用范围逐渐扩大，微型化电镜的市场会越来越广阔。

2  扫描电子表征技术发展趋势

2.1 电镜高通量快速检测技术

随着科技的发展，研究者逐渐追求材料在时间、空间上的结构变化信息，这就需要电镜具有更高的信号强度、高的扫描速度，快的数据处理速度，配备高灵敏度探测器，高效率样品加工附件等工作能力，实现在时间、空间上的高通量表征。高通量材料制备技术与高通量表征技术，大幅减少研发时间和成本，是材料设计、开发者追求的方向[14-16]。高通量快速表征是扫描电子显微镜表证的发展方向之一。电镜高通量表征一方面是短时间内获得样品大量的表面形貌、组织、成分等结构信息，另一方面是短时间内对样品不同位置或者不同的样品进行检测。

电镜高通量表征主要实现手段与技术有：

（1）大探针电流，提高电镜电子束束流强度。目前商业化的电镜束流强度规格主要有。5nA、20nA、100nA、200nA、500nA;束流强度越高，单位时间内采集的信号数量就越大。日本HITACHI公司的SU7000热场发射扫描电镜，电镜的束流强度达到200nA，同时配置了6通道显示界面，进一步升级SEM控制系统，大幅提高了信号获取速度，由此可实现样品的高通量观察。

（2）提高探测器的灵敏度以及探头的有效采集面积，大幅提高信号的获取速度和数量。牛津公司新开发的能谱仪AZtecLive拥有更大的晶体面积，拥有高得处理速度、扫描速度，更高的灵敏度、空间分辨率，能够同步实现动态电子图像和动态EDS面扫分布图等技术要求，为高通量表征提供了技术支持。大幅增加信号的数量和提高信号获取速度，是实现高通量快速检测主要手段。德国蔡司最新开发的用于大脑神经组织成像研究的MultiSEM506型电子显微镜采用91条平行射线，同时可获取91组图像，超高的网络获取速度和超过2万亿的像素，可以实现大规模的实验，图像采集时间也从数年减少到只需几周，实现高通量表征。2018年，国内的聚束科技公司自主研发的首台高通量场发射扫描电镜NeuroSEM-100，專用于微观尺度脑神经连接图谱的超高速成像;该电镜采用同轴电子直接探测技术和高速FPGA采集模块，高度的智能化结合超高速成像能力（4TB/d），使之具备了3D/4D信息融合能力，可全自动地超大区域（100mmX100mm）全息地图集式成像，实现高通量表征。

2.2 设备平台化，功能集成一体化

扫描电镜的基本功能是样品微观形貌观察，但随着各种探测器技术的发展与应用，扫描电镜逐渐转变为一个搭载平台，集成多种样品处理技术和多种探测器，转变为一个样品多元信息采集与综合分析系统，满足科学家对材料精细结构与性能一体化表征的要求。设备平台化，功能集成一体化是目前电子显微表征技术发展的主要趋势之一，扫描电镜功能不单一是样品微观形貌表征。电镜功能集成一体化SEM+EDS+WDS+EBSD可以表征金属、陶瓷的组织形貌、成分、结晶取向等信息，可对材料的成分、工艺、结构与性能之间的关联性进行研究，该组合电镜平台可广泛应用于如金属和合金、陶瓷、半导体、超导体、矿石等多晶体材料[17];SEM+EDS+CL组合电镜可对矿物、锆石、半导体发光材料结构与性能进行鉴别分析[18，19];SEM+EDS+XRF组合电镜可对材料的组织形貌、成分，特别是对痕量元素进行精细研究[20];SEM+EDS+LRS激光拉曼一体化电镜具有有机结构解析、碳结构解析、无机相鉴定、同分异构分析、结晶度分析等功能，在地质、矿物、高分子材料、生命与医学、宝玉石鉴定等领域均有了非常广泛的应用[21]。FIB+SEM+EDS双束电镜可对材料进行可视微加工，并进行3D结构分析[22];SEM+生物切片超高速电镜三维影像系统（AutoCUTS-SEM）可对生物材料、有机高分子等进行3D结构分析[23];SEM+超低温冷冻制样及传输技术与电镜结合（冷冻电镜Cryo-SEM）可对细胞组织进行3D结构分析[24]。

2.3 显微观察与表征原位化

随着研究的深入发展，离线样品检测已难以满足科学家的要求，对样品进行原位条件下分析表征的需求日渐增强。原位表征能够获得样品形貌、组织结构以及性能随环境场变化的规律性信息。目前，原位表征环境场主要有原位高/低温热场、原位力学、原位电化学、原位液相和气相、原位纳米加工等技术。

（1）高温/低温样品台。

利用高/低温台在环境模式下对样品进行加热/制冷，并采集信号可进行原位动态观察，研究温度对样品结构与性能的影响。高温样品台一般配置在环境扫描电镜或者低真空扫描电镜上，在普通高真空扫描电镜上少有配置;样品在加热的过程中会释放出气体或者可见光以及红外热辐射等现象，必须采用有抑制光、热信号等噪音的专业探测器，普通的探测器在高温下无法正常工作。低温样品台可以在各种电镜上加装，普通的探测器就可正常工作。

（2）原位力学装置。

原位力学装置主要辅助研究材料在外立场作用下结构与性能的变化情况，目前电镜用原位加载装置主要有原位拉伸、压缩、弯曲、扭转等功能，并逐渐由单一功能向复合功能发展，可从材料表面观察在动态拉伸条件下材料的滑移、塑性形变、起裂、裂纹扩展（ 路径和方向） 直至断裂的全过程等。

（3）人造环境模拟芯片技术。

基于微机电系统（Microelectro Mechanical Systems）技术，研发了用于模拟材料工作环境热-电、气-热、液-电等一系列具有精确环境控制、高测量精度的一体化芯片器件。在电镜中，此芯片器件可对样品施加高温、高电场，或者注入流动液体、大气压级别的气氛等一系列环境模拟，为研究样品材料在环境作用下结构与性能的变化研究提供了技术支持。

（4）超低温冷冻与传输技术。

2017年诺贝尔化学奖颁给三位发明冷冻电镜的学者，以表彰他们在冷冻电镜领域的贡献，使冷冻电镜迅速走入普通大众的视野。冷冻电镜的核心技术主要是快速冷冻技术、冷冻传输技术和图像采集与计算机合成技术。快速冷冻技术可对含水样品直接冷冻而不影响样品本身结构;冷冻传输技术可保证电镜观察下的样品处于低温冷冻状态。超低温冷冻电镜可直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品等，应用范围广泛，已在生物科学、医学、高分子材料等领域得到极大应用。

2.4 样品结构信息采集三维化

近年来，电镜技术迅速发展，特别是样品制备技术和计算机图像三维重构技术取得极大进步，促使电子显微镜的功能不仅局限在样品二维组织与成分的定性与定量分析，逐渐发展为样品结构三维（3D）立体表征[25]。实现样品结构电镜三维立体表征，在硬件方面除需要电镜的高通量表征技术外，还需要配制高精度快速样品加工装置。电镜配制的高精度快速样品加工装置主要有聚焦离子束（FIB）系统、生物连续超薄切片自动化系统、纳米机械手、纳米划痕仪等;计算机图像三维重构技术的发展与应用，使显微镜成为具有图像采集、数据处理和数据存储等功能的数据成像工作平台;硬件和软件两方面的集成发展，是电子显微镜实现样品结构信息采集三维化的关键[26，27]。

聚焦离子束（FIB） 是一种利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的高能束斑，直接照射在样品表面进行显微切割，是电镜对固体样品进行微加工另一种手段;FIB+SEM双束电镜已成为3D纳米表征、纳米分析、纳米加工、纳米原型设计的最强大工具。

为了研究纳米材料微观性能，研究者又开发出纳米机械手;在电子显微镜上，借助纳米机械手可实现可视化微观拉伸、压缩、搭接、切割等操作，对材料的结构与性能的相关性进行研究;纳米可视加工技术已成为研究纳米材料微观性能的主要表征手段。目前，纳米可视加工技术在生物医学研究领域中应用最为广泛，比如DNA样本的分子手术，基因样本的剪辑与重组，神经元节点注射，生物膜加工等，这些实验都需要在电镜平台上借助纳米机械手才能够进行。2012年底，中科院生物所生物成像中心承担的“连续超薄切片自动化收集系统研制”项目顺利验收，SEM+生物切片超高速电镜三维影像系统（AutoCUTS-SEM）可对生物材料进行3D结构观察与分析。TESCAN型号为S9000X的FIB-SEM的双束电镜，搭载了可拆卸的钻石刀;该设备拥有多能量电子成像功能，根据不同加速电压的电子束进入样品的深度不同，获取不同深度的样品信息，从而實现样品3D结构表征。蔡司公司拥有多种型号镜配制FIB系统的电子显微镜，FIB系统通过体积激发和切片厚度控制方法实现3D重构，该电镜可用于成像分析和样品制备、纳米图形加工和3D重构。

3  展望

扫描电子显微技术发展迅速，图像分辨率越来越高，电子枪束流可选择范围越来越大，低真空技术与低电压技术更加成熟，逐渐成为电镜的主流配置。随着研究领域的细分化，电子显微表征技术呈现多样化发展趋势;样品结构原位表征的需求、促进了大样品仓、低真空、高通量表征电镜的发展;样品快速加工技术与计算机图像三维重构技术的发展与应用，使电镜实现了样品3D结构信息采集。电子显微技术、表征技术与样品快速加工技术三者结合，使扫描电镜逐渐转变为一个综合性平台，具备组织形貌观察、成分分析、可视加工与性能检测等功能，成为材料研发的有力工具。

参考文献

[1] 高德禄. 扫描电子显微镜飞速发展的25年[J]. 现代科学仪器，1990（2）：1-4.

[2] Hoyberg K， Kruza K G. Application of environmental scanning electron microscopy in the development of detergents and personal products[J]. Microsc Res Tech， 1993， 25（5‐6）：424-428.

[3] Gtaranova T， Mgrigorenko G， Akostin V， et al. Application of scanning electron microscopy in modern material science， welding and related technologies[J]. Welding International， 2000， 14（9）：745-748.

[4] Wergin W P， Yaklich R W， Erbe E F. Advantages and Application of Low Temperature Scanning Electron Microscopy[J]. All Publications， 1999.

[5] Jones D， Wilson M J， Mchardy W J. Lichen weathering of rock-forming minerals; application of scanning electron microscopy and microprobe analysis[J]. Journal of Microscopy， 2011， 124（1）：95-104.

[6] Goldberg M W. Immunolabeling for scanning electron microscopy （SEM） and field emission SEM[J]. Methods in Cell Biology， 2008， 88（8）：109.

[7] 曾毅，吴伟，刘紫微.低电压扫描电镜应用技术研究[M].上海：上海科学技术出版社，2015.

[8] 陈文雄，徐军，张会珍.扫描电镜的最新发展——低电压扫描电镜（LVSEM）和扫描低能电镜（SLEEM）[J].电子显微学报，2001，20（4）.

[9] 佚名.场发射扫描电镜荷电现象的研究及参数优化[J]. 真空科学与技术学报， 2018， 38（11）：90-94.

[10]周广荣.低真空扫描电镜技术在材料研究中的应用[J].   分析仪器，2012（6）：25-28.

[11]付景永.环境扫描电镜环境研究及原位观察分析[D].北京工业大学，2007.

[12]李春艳，杜海燕，董向红，等.环境扫描电子显微镜中的电子传输[J].电子显微学报，2001，20（4）：287-288.

[13]郑春明，周巧琴， 蔡传荣.环境扫描电子显微镜的成像特点[J].福建分析测试，2003， 12（1）：1719-1721.

[14]王海舟，汪洪，丁洪，等.材料的高通量制备与表征技术[J]. 科技导报， 2015， 33（10）：31-49.

[15]张学习， 郑忠， 高莹，等. 金属基复合材料高通量制备及表征技术研究进展[J]. 金属学报，2019，55（1）.

[16]黄晓旭， 吴桂林， 钟虓，等. 先进材料多维多尺度高通量表征技术[J]. 电子显微学报， 2016， 35（6）：567-568.