張慧蓉 于巧麗 田 鵬 王保民 徐倩倩 馬凌珂 吳斯洋＊ 張建偉

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所科研與產(chǎn)業(yè)管理處，鄭州450009；2.河南科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，新鄉(xiāng)453003）

20世紀(jì)60年代，掃描電子顯微鏡（Scanning electrical micorscope，簡(jiǎn)稱SEM）作為一種新型的電子光學(xué)儀器迅速發(fā)展起來。隨著電子顯微鏡逐步向復(fù)合型、多元化發(fā)展，第一臺(tái)環(huán)境掃描電子顯微鏡于1990年由美國(guó)Electro Scan公司研發(fā)面世，因其可以對(duì)非處理樣品進(jìn)行直接觀察，使顯微研究進(jìn)入到一個(gè)嶄新階段。目前，按照電子槍種類的不同，可分為鎢絲槍、六硼化鑭、場(chǎng)發(fā)射電子槍（熱場(chǎng)和冷場(chǎng)）［1］。其中，鎢絲槍環(huán)境掃描電子顯微鏡是一種最常見的類型，它不僅適合對(duì)導(dǎo)電性良好或噴鍍金、鉑、碳粉的固體材料進(jìn)行形貌觀察，而且可以直接觀察導(dǎo)電性差的樣品形貌、或在不破壞形貌的情況下結(jié)合能譜儀進(jìn)行樣品的元素定性定量分析等深入研究［2］。另外，環(huán)境掃描電子顯微鏡還具有普通掃描電子顯微鏡的顯著特點(diǎn)：放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬、圖像分辨率高和景深大等，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、冶金、材料、半導(dǎo)體制造等各個(gè)研究領(lǐng)域［3，4］。

1 掃描電子顯微鏡的基本原理［5］

電子顯微鏡的基本原理：當(dāng)高能電子束轟擊物質(zhì)表面，激發(fā)出一系列電子信號(hào)，如二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子等。這些信號(hào)可以反映出被測(cè)樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場(chǎng)或磁場(chǎng)等。掃描電子顯微鏡正是利用對(duì)二次電子、背散射電子的采集，得到樣品微觀形貌和樣品組分定性方面的信息；特征x射線的信號(hào)可以反映出樣品物質(zhì)化學(xué)成分的信息。

2007年7月，筆者曾經(jīng)所在單位——河南科技學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心購(gòu)置了一臺(tái)QUANTA 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，從多年的運(yùn)行情況來看，使用狀況良好。現(xiàn)以該型號(hào)為例，通過筆者幾年來的工作認(rèn)識(shí)“拋磚引玉”，對(duì)其原理、組成、使用方法和日常維護(hù)作一介紹。

2 環(huán)境掃描電子顯微鏡的組成和工作原理［6－8］

2.1 組成部分

環(huán)境掃描電子顯微鏡與普通掃描電子顯微鏡的構(gòu)造大體相同，是由真空系統(tǒng)、電子光學(xué)系統(tǒng)以及信號(hào)收集和成象系統(tǒng)等三部分組成（圖1）。

圖1 掃描電子顯微鏡結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)主要包括真空泵和鏡筒兩部分。因儀器工作時(shí)整個(gè)系統(tǒng)必須處于特定的真空環(huán)境中，這樣能保證燈絲不會(huì)迅速氧化，其次可以增加成象電子數(shù)目。

鏡筒是一個(gè)密封的柱形容器，真空泵用來在鏡筒內(nèi)產(chǎn)生真空。它由機(jī)械泵和渦輪分子泵兩部分組成，成象系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在鏡筒中。鏡筒底端為樣品室，用于放置樣品。

2.1.2 電子光學(xué)系統(tǒng)

電子束系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡和樣品室等部分組成，主要用于產(chǎn)生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成象。

電子槍：鎢燈作為燈源，其作用是產(chǎn)生電子，平均壽命約50～80小時(shí)左右，價(jià)格便宜，常作為掃描電鏡標(biāo)準(zhǔn)配置。

電磁透鏡：通常包含會(huì)聚透鏡和物鏡兩組。其作用為會(huì)聚電子束并聚焦到樣品上。它裝配在鏡筒中，位于電子槍之下。

2.1.3 信號(hào)收集和成象系統(tǒng)

高能電子束與樣品間作用產(chǎn)生的一系列電子信號(hào)，分別被相應(yīng)的探測(cè)器檢測(cè)，如二次電子探測(cè)器、背散射電子探測(cè)器和X射線能譜探頭，以區(qū)分并獲得樣品的形貌和成分等信息。

2.2 工作原理

環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）與傳統(tǒng)掃描電子顯微鏡（SEM）最顯著的不同在于，前者樣品室的真空度遠(yuǎn)比后者低（約2600pa），更接近于環(huán)境大氣壓，顧名思義為環(huán)境掃描電子顯微鏡。這一技術(shù)的應(yīng)用極大拓寬了樣品種類的觀察范圍，傳統(tǒng)掃描電子顯微鏡只適用于干燥且導(dǎo)電性好的樣品，而環(huán)境掃描電子顯微鏡是在傳統(tǒng)掃描電子顯微鏡基礎(chǔ)上，又新增了對(duì)含水量較多及不導(dǎo)電等樣品觀察的功能。實(shí)驗(yàn)中心配備的這臺(tái)QUANTA 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡，其真空模式除了常規(guī)的高真空外，還有低真空和環(huán)境真空兩種模式，本文分別對(duì)這3種模式逐一展開介紹。

2.2.1 高真空模式中樣品特征信號(hào)的產(chǎn)生和收集

整個(gè)系統(tǒng)處于高真空的工作狀態(tài)：由電子槍（鎢燈絲）發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚焦后，在高壓（一般為20kV）加速電壓作用下，經(jīng)過2～3個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成一根細(xì)的電子探針（直徑一般為10nm或更?。┚劢乖跇悠繁砻妗Ｔ撎结樤趻呙杈€圈的作用下在樣品表面做XY方向的掃描運(yùn)動(dòng)，與樣品物質(zhì)的交互作用產(chǎn)生的二次電子信號(hào)被網(wǎng)柵狀ED（electron detector）探測(cè)器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度。由于電子束的運(yùn)動(dòng)和熒光屏顯像管成像是由同一掃描線圈發(fā)生器控制的，即電子束打到樣品上的物點(diǎn)和熒光屏呈現(xiàn)的像點(diǎn)是實(shí)時(shí)一一對(duì)應(yīng)的。通過這樣逐點(diǎn)逐行成像的方法，就把樣品二次電子象轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，從而觀察到樣品實(shí)時(shí)的形貌圖像。

2.2.2 低真空模式中特征信號(hào)的產(chǎn)生和收集

低真空與高真空的不同之處在于，前者的樣品室處于低真空，而電子槍和鏡筒部分仍處于高真空。這是因?yàn)樵阽R筒和樣品室的連接點(diǎn)——極靴處增加了一個(gè)壓差光闌，它不僅起到隔絕鏡筒和樣品室間真空的作用，還具有保證電子束在高真空狀態(tài)下的質(zhì)量、保護(hù)電子槍和鏡筒等組成元件不受水蒸氣腐蝕的作用。電子槍和鏡筒的高真空依靠機(jī)械泵和分子渦輪泵控制，而樣品室的壓力則依靠調(diào)節(jié)外接水蒸氣的濃度，在10～130pa間自由切換。

低真空模式下所用的電子探頭是LFD（large field detector）探頭，它與高真空探頭ED的作用稍顯不同。具體工作原理：高能電子束轟擊樣品表面激發(fā)出的二次電子，與樣品室內(nèi)的水蒸氣發(fā)生碰撞后將其電離，這些被電離的離子繼續(xù)與其他水蒸氣發(fā)生碰撞，周而反復(fù)，由二次電子及繼發(fā)的環(huán)境離子數(shù)呈指數(shù)上升趨勢(shì)。這樣，在LFD探頭外加正電場(chǎng)的作用下，這些二次電子及被環(huán)境放大的負(fù)離子被探頭吸引，樣品表面形貌的特征信號(hào)隨即被收集。而被電離的正離子則飛向樣品表面中和堆積的一部分負(fù)電，這樣有效的降低了樣品表面觀察時(shí)電荷積累的放電現(xiàn)象。簡(jiǎn)而言之，高真空收集的信號(hào)是樣品表面被激發(fā)的二次電子，而低真空則主要是由二次電子及水蒸氣負(fù)離子，低真空模式狹縫示意圖見圖2。

圖2 低真空模式狹縫示意圖

2.2.3 環(huán)境真空模式中特征信號(hào)的產(chǎn)生和收集

環(huán)境真空相比于低真空，是在后者基礎(chǔ)上又增加了一級(jí)壓差光闌，即在物鏡下方和環(huán)掃探頭的插口連接處裝有類似紐扣狀的光闌，這一整體便是GSED探頭。該探頭作用有二：一是隔絕樣品室和鏡筒間的真空，二是收集樣品的電子信號(hào)。

使用該模式時(shí)，電鏡部分的真空可分為三段：電子槍和鏡筒處于高真空，物鏡下方和紐扣狀光闌間為低真空，樣品室內(nèi)為環(huán)境真空。環(huán)境真空信號(hào)的產(chǎn)生和收集與低真空模式相似，只是由于觀察對(duì)象的導(dǎo)電性更差或含水量較高，二次電子信號(hào)較弱，需要通過選擇更小的工作距離來增加信號(hào)強(qiáng)度，即需要縮短樣品和探頭間的距離，一般為8mm或更小。同時(shí)為了避免樣品表面積累電荷而導(dǎo)致放電現(xiàn)象、影響觀察效果，需要將高壓調(diào)整到10～15kV。另外，在觀察含水量較高的生物樣品時(shí)，失水變形嚴(yán)重，還需要使用冷臺(tái)（俗稱“金腰帶”）并結(jié)合調(diào)整樣品室壓力，使樣品水分處于臨界狀態(tài)（水既不融化也不揮發(fā)），這樣可以維持相對(duì)穩(wěn)定的樣品形貌，便于觀察（圖3、圖4）。

圖3 環(huán)境真空模式狹縫示意圖

圖4 環(huán)境真空模式探測(cè)頭示意圖

3 環(huán)境掃描電子顯微鏡的操作規(guī)程

QUANTA 200環(huán)境掃描電子顯微鏡具有3種真空模式：高真空（＜10－3pa）、低真空（10～130pa）和環(huán)境真空（130～2600pa），分別適用于導(dǎo)電材料（如金、銀、銅等）、半導(dǎo)體和較干燥不易變形的不導(dǎo)電材料（納米硅膠球、電池粉末、花粉和動(dòng)物內(nèi)臟等）和含水量較高的不導(dǎo)電材料（如植物幼嫩組織的根、莖尖和菌絲等）。

3.1 開機(jī)

依次打開穩(wěn)壓電源、電腦和儀器主機(jī)，輸入用戶名和密碼。

3.2 測(cè)試

打開樣品艙門，放入需測(cè)試的樣品，高度尺測(cè)量樣品高度，一般不要超過10mm刻度線；

關(guān)閉樣品艙門，推緊樣品室門，點(diǎn)擊“Pump”鍵開始抽真空；

當(dāng)真空信號(hào)指示燈變綠，加高壓，選擇合適的高壓及束斑；

倍數(shù)由小到大聚焦清晰后，點(diǎn)擊“Link Z to FWD”圖標(biāo)，將Z值改為10mm固定最佳工作距離（WD）；

選擇合適的對(duì)比度和亮度，反復(fù)聚焦及消像散（3000倍以上時(shí)），當(dāng)圖像調(diào)節(jié)清楚后，選擇適當(dāng)?shù)膾呙杷俣群头直媛?，按“Pause”將圖像保存；

3.3 關(guān)機(jī)

使用完畢，先關(guān)閉高壓，然后按“Vent”，待真空指示標(biāo)志變成灰色后打開樣品室取出樣品，并用洗耳球吹掃艙內(nèi)殘留粉末；

關(guān)閉艙門點(diǎn)擊“Pump”開始抽真空；

連續(xù)超過一周不用時(shí)，依次關(guān)閉軟件、儀器主機(jī)、電腦、穩(wěn)壓電源；

在使用低真空或環(huán)境真空時(shí)，只需安裝相應(yīng)的探測(cè)器即可。

4 操作和維護(hù)方面的注意事項(xiàng)

QUANTA 200型環(huán)境掃描電子顯微鏡是集電子、顯微和真空技術(shù)于一體的大型精密儀器，其價(jià)格昂貴，在使用過程中必須注重操作細(xì)節(jié)和日常維護(hù)管理等方面的工作。

4.1 操作的注意事項(xiàng)

每次觀察完畢，用干凈的洗耳球吹掃樣品腔體，防止粉塵污染探頭和物鏡；

放入樣品關(guān)閉艙門前，保證樣品高度不會(huì)觸及污染物鏡；

更換樣品時(shí)，必須待徹底放氣結(jié)束后，聽到“嗒”一聲，方可緩慢拉開艙門，切忌用力過猛；

長(zhǎng)時(shí)間觀察完畢，必須先將燈絲熄滅，2min冷卻后方可放氣，防止熱燈絲遇空氣急速氧化，影響壽命；

采用低真空和環(huán)境真空模式，務(wù)必確保EB閥門打開；

在高、低真空切換前，務(wù)必保證燈絲熄滅且冷卻，防止燈絲燒斷；

長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，最好保持開機(jī)抽高真空的狀態(tài)，保證整個(gè)系統(tǒng)潔凈，保證圖像質(zhì)量。

4.2 維護(hù)的注意事項(xiàng)

管理員必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程使用，避免因使用不當(dāng)造成損壞；普通用戶必須接受崗前培訓(xùn)，考核合格者后方可在管理人員的指導(dǎo)下上機(jī)操作；

為保持良好的工作狀態(tài)、延長(zhǎng)使用壽命，工作環(huán)境應(yīng)保持清潔、干燥、遠(yuǎn)離輻射源；操作人員必須穿拖鞋和工作服；每次使用完畢，及時(shí)清潔樣品臺(tái)等容易污染的部件；

大型儀器室要安裝空調(diào)、抽濕機(jī)和空氣凈化器。常年保持環(huán)境溫度恒定在22℃左右；

定期更換機(jī)械泵油、檢查外接水瓶和更換燈絲，保證儀器處于最佳工作狀態(tài)；

常用的說明書光盤、零配件及專用工具由專人負(fù)責(zé)保管。

5 結(jié)論

環(huán)境掃描電子顯微鏡這種大型高端精密儀器，只有在充分了解其組成和工作原理的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格操作規(guī)程，重視日常維護(hù)管理，加強(qiáng)不同類型樣品觀察條件的試驗(yàn)和摸索等途徑，才能不斷提高使用率和開發(fā)儀器潛在功能，從而有利于大型精密儀器運(yùn)轉(zhuǎn)的良性循環(huán)。

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