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扫描电镜相比普通显微镜的优点

   扫描电镜的特点

  (1)分辨率高、放大倍数宽

  扫描电镜的激发源是电子束,可以超越光子的衍射极限在样品表面形成极细的探针。成像信号是二次电子和背散射电子,其信号强度随样品表面的形貌和成分而变化。

  相对于声音、热量、力等信号,这些电子信号的作用范围被限制在微区,可以实现比较高的分辨率。依电镜性能和样品的性质,可以实现小于1 nm的分辨率。有关高分辨的内容详见第11章。

蔡司扫描电镜

蔡司扫描电镜

  光镜的有效放大倍率范围通常在几倍到上百倍,放大倍数调节时需要转换物镜镜头。扫描电镜的放大倍数在几十倍到几十万倍,观察范围从纳米级到毫米级,尺度范围更宽且放大倍率调节非常便捷,这非常方便在低倍时观察大视野的样品全貌,在高倍率时观察样品的微观细节。关于扫描范围的相关内容详见4.5节。

  (2)景深大、立体感强

  因为景深不足,光镜对表面起伏较大样品的成像会出现模糊。为了扩大景深,体式显微镜又牺牲了放大倍数和分辨率。而扫描电镜使用电子束成像,会聚角相对光镜较小,可以同时在一定范围内满足分辨率和景深的成像要求。甚至还可以由二维生成立体感更强的三维电镜图像,以更全面地展现样品轮廓特征。相关内容详见3.7节。

  (3)直观、易解释

  生活中的光线以反射光线为主,二次电子和背散射电子类似“反射”的电子,使得扫描电镜图像跟生活直觉一致。但是直观、易解释不是无需解释,有时也会产生假象。通过对扫描电镜的了解使用者可以从图像中挖掘更多有用信息。相关内容详见8.1节。

  (4)信号类型多、微区分析能力强

  扫描电镜样品仓较大且有很多接口,可以加装许多附件。扫描电镜使电子束在样品表面形成极细的探针,探针激发出的信号除了用于成像的电子外,还有X射线和光子信号,于是出现了EDS和CL技术;还有衍射信息,于是有了ECCI和EBSD技术;还有电流信息,于是有了样品电流测量和EBIC技术。这些技术提供了相互印证和补充的可能。相对于扫描电镜的成像,这些技术也会被称为“分析”功能,被纳入显微分析的范畴。

  在这些显微分析技术中, EDS和EBSD最为常用,它们作为扫描电镜的附件,使得扫描电镜技术在显微成像之外,还能得到样品的成分和结构信息,同时建立空间位置与成分的对应(EDS面分布,15.3节),位置与取向的对应(EBSD取向图,16.2.4小节)。本书第6章讲述电子与样品的相互作用,在14~16章重点讲述EDS和EBSD技术。

  此外,扫描电镜样品仓和样品台较大,可以安装其他附件,非常便于实现联用功能,比如光电联用、与拉曼联用、与原子力显微镜的联用等。于是扫描电镜成为一个显微成像和显微分析的通用平台,微观表征不可或缺的通用设备。

  (5)样品制备要求低

  透射电镜要求样品能透过电子,这对样品制备要求较为苛刻。金相显微镜要求样品平,这样反射光才能清晰成像。在材料科学领域,对于许多样品,除了固定牢靠外,扫描电镜没有特殊的要求。对于磁性材料、液体、不导电样品等则需要特殊处理,但也相对容易实现。基于扫描电镜的衍射方法(如EBSD和ECCI技术),对于样品表面的要求较高,但是相对于透射电镜的制样也要容易得多。关于制样的指导详见本书13.5节。

  (6)数字化并日趋智能

  扫描电镜的图片、EDS的谱图和EBSD的衍射花样是数字化的,即可以在线处理,也可以线下处理。配合各种图像处理和测量工具,使得扫描电镜的功能更为强大。硬件与软件结合,也可以实现更高通量、更高速度的表征。

  更不用说,伴随软件和算法的进步,使得如今的扫描电镜越发智能和易用,如自动消像散、自动聚焦等功能。随着硬件的进步,借助信息科学(包括人工智能(AI)和其他统计数学方法),成像和显微分析上也迈入了新的阶段,本文也简要介绍一些算法上的进展,详见10.6节、11.4节、15.5.3小节和16.9节。

  扫描电镜的易操作性、图像的易解释性让人印象深刻,用户友好降低了对操作培训的要求。但更易使人们自满,并潜意识地认为:扫描电镜只是一种昂贵的相机,且获取真实数据有关的所有问题均已得到解决。

  因此,人们相信自己在照片上看到的一切都是正确的。另一方面,普通的使用者,以为操作扫描电镜只是聚焦和拍照,这样很难发挥出电镜更好的性能。

  因此,学习扫描电镜的原理,领会技术在原理上的实现,感悟原理在技术上的表达,以及深入理解原理与技术的联系,有其必要性。对于新电镜的使用者或者寻购新电镜的用户,了解扫描电镜领域的新进展也十分重要。