高學(xué)平　張愛敏　張?zhí)J元

摘? ?要：掃描電鏡是研究材料微觀結(jié)構(gòu)的有力工具，電子顯微技術(shù)與表征技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了掃描電鏡在材料各領(lǐng)域應(yīng)用。隨著各領(lǐng)域研究方向的細(xì)分化和應(yīng)用需求的差異化，掃描電子顯微技術(shù)與表征技術(shù)出現(xiàn)了差異化發(fā)展趨勢(shì)，這極大豐富了商品化SEM產(chǎn)品類別。掃描電子顯微技術(shù)的主要發(fā)展方向有高分辨率、低加速電壓、低真空工作環(huán)境、大樣品倉(cāng)、大探針電流、電鏡微型化等。電子顯微表征技術(shù)的主要發(fā)展方向有高通量快速表征、顯微表征原位化、樣品結(jié)構(gòu)信息采集三維化、電鏡功能集成一體化等。

關(guān)鍵詞： 電子顯微技術(shù)與表征技術(shù)? 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(hào)：TN16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(xué)推出第一臺(tái)商品化掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope SEM）以來(lái)，掃描電子顯微鏡備受世界各國(guó)家科學(xué)家的重視[1];在近60年電子光學(xué)和傳感器技術(shù)發(fā)展的支持下，掃描電子顯微技術(shù)、表征技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域得到極大的提高和擴(kuò)展。掃描電鏡及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，極大地推進(jìn)了冶金與新材料、物理與化學(xué)、生物與醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體與微電子等高科技行業(yè)的發(fā)展[2-6]。2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予三位冷凍電鏡科學(xué)家，這使電子顯微技術(shù)及表征技術(shù)受到世人空前關(guān)注。2018年商品化的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分辨率最高達(dá)到0.7nm，為獲得更微小空間尺寸的真實(shí)信息提供了支持。隨著各領(lǐng)域與研究方向的細(xì)分化和應(yīng)用需求的差異化，掃描電子顯微技術(shù)、表征技術(shù)以及樣品制備技術(shù)出現(xiàn)了差異化發(fā)展趨勢(shì)，這極大促進(jìn)了商品化SEM的差異化發(fā)展，豐富了產(chǎn)品類別。

1 掃描電子顯微技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 高分辨率

高分辨率是電子顯微鏡明顯優(yōu)于光學(xué)顯微鏡的一大特點(diǎn)，常規(guī)的熱鎢燈絲掃描電子顯微鏡，分辨率最高只能達(dá)到 3.0nm;常規(guī)場(chǎng)發(fā)射槍掃描電子顯微鏡，分辨率可以優(yōu)于1.0nm，新一代商品化大束流超高分辨率掃描電鏡達(dá)到0.7nm，見表1所示。目前超高分辨率掃描電鏡分辨率高達(dá)0.4nm，如日立高新超SU9000高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。掃描電鏡高分辨率基于以下技術(shù)。

（1）高性能場(chǎng)發(fā)射電子槍。

高性能場(chǎng)發(fā)射電子槍能夠?yàn)?SEM 提供高亮度、高相干性的電子光源，能夠獲得高亮度、高準(zhǔn)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(shù)。

在優(yōu)化電磁透鏡設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把一般應(yīng)用于透射電鏡上的電子束單色器和球差校正器應(yīng)用到場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上，可以進(jìn)一步降低電子槍光斑的能量發(fā)散度，提高光斑能量穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低透鏡球像差系數(shù)，從而提高圖像的分辨率。

（3）靜電透鏡技術(shù)。

掃描電鏡在物鏡極靴靠近樣品位置增加一級(jí)靜電透鏡，形成靜電-電磁復(fù)合物鏡，進(jìn)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(shù)

低加速電壓條件下觀察樣品有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，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(duì)不導(dǎo)電樣品進(jìn)行直接觀察而不產(chǎn)生核電現(xiàn)象，同時(shí)又避免了鍍膜掩蓋細(xì)節(jié)的問題，獲取樣品表面的真實(shí)形貌信息;優(yōu)異的低電壓技術(shù)成為近年來(lái)場(chǎng)發(fā)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(qiáng)度降低，光斑尺寸增加，物鏡的球像差效應(yīng)擴(kuò)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(yīng)用。針對(duì)低電壓電鏡存在的問題，各掃描電鏡廠商進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，主要手段如下[7，8]：

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

（2）在物鏡的上方增加光闌角度控制透鏡，自動(dòng)優(yōu)化物鏡光闌角，調(diào)整電子束的擴(kuò)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(qiáng)。

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

（4）改進(jìn)電子槍的結(jié)構(gòu)，將電子槍燈絲浸沒在低像差聚光鏡磁場(chǎng)中，能更高效地收集從電子槍發(fā)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(qiáng)度，日本JEOL公司擁有該項(xiàng)技術(shù)的專利，該公司JSM-7800F，JSM-7200F、JSM-7900F型號(hào)電鏡電子槍都采用了該項(xiàng)技術(shù)。

（5）增加像差矯正器，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)色差和球差的校正情況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，提高電鏡的分辨率。

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

如今，低加速電壓技術(shù)已經(jīng)成熟，也是場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的標(biāo)配技術(shù)之一，對(duì)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(huán)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(dá)2Torr;低真空掃描電鏡與常規(guī)掃描電鏡的主要技術(shù)差別是，在常規(guī)掃描電鏡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在物鏡極靴下方位置增加了一級(jí)壓差光欄配件及相關(guān)控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了樣品倉(cāng)真空度可調(diào)節(jié)，電子槍系統(tǒng)與光路系統(tǒng)仍保持高真空狀態(tài)。相比于高真空掃描電鏡，低真空掃描電鏡有兩大優(yōu)勢(shì)，一是可對(duì)對(duì)多孔材料以及巖土等含水樣品進(jìn)行直接觀察，不需要干燥處理;二是低真空掃描電鏡可對(duì)非導(dǎo)電樣品直接進(jìn)行觀察，不需要做導(dǎo)電處理[9，10]。樣品不做干燥處理，不做鍍膜導(dǎo)電處理，保留了樣品的原始狀態(tài)，體現(xiàn)了低真空掃描電鏡的極大優(yōu)勢(shì)，是電鏡發(fā)展的主要趨勢(shì)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(jí)壓差光柵和氣體二次電子探測(cè)器，可使樣品室的低真空壓力達(dá)到50Torr，這種掃描電鏡稱為環(huán)境掃描電鏡。環(huán)境掃描電鏡可在自然去年?duì)顟B(tài)下對(duì)生物樣品、含水樣品、含油樣品等樣品直接進(jìn)行觀察分析;也可結(jié)合原位樣品臺(tái)如高溫或低溫樣品臺(tái)聯(lián)合使用則可模擬樣品的周圍環(huán)境， 可研究環(huán)境條件下樣品結(jié)構(gòu)信息[11-13]。環(huán)境掃描電鏡為原位研究樣品微觀結(jié)構(gòu)變化信息提供了最好的平臺(tái)，市場(chǎng)需求越來(lái)越大。

1.4 大樣品倉(cāng)

隨著對(duì)材料結(jié)構(gòu)與性能的深入研究，研究者對(duì)材料結(jié)構(gòu)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(chǎng)需求。各大電鏡廠商為了擴(kuò)大電鏡的應(yīng)用范圍，優(yōu)化電鏡結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)大樣品倉(cāng)，配備更多的信號(hào)探測(cè)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(tái)、拉伸臺(tái)等）;同時(shí)，樣品倉(cāng)位置增加大插件接口，實(shí)現(xiàn)與其它檢測(cè)技術(shù)連用，滿足研究者對(duì)樣品結(jié)構(gòu)信息采集多元化的要求。設(shè)計(jì)大樣品倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)電鏡功能多元化，是電鏡技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

1.5 電鏡微型化

1997年首次提出臺(tái)式掃描電鏡的概念，2006年P(guān)henom公司發(fā)布了首臺(tái)臺(tái)式掃描電鏡。臺(tái)式掃描電鏡是一種全新的設(shè)計(jì)，其結(jié)合了光學(xué)顯微鏡與傳統(tǒng)掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)。臺(tái)式掃描電鏡不僅保留了傳統(tǒng)掃描電鏡較高的放大倍數(shù)和大景深特點(diǎn);而且其具有體積小，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格僅為幾十萬(wàn)元，快速抽真空等優(yōu)勢(shì);同時(shí)安裝簡(jiǎn)單、無(wú)需改造實(shí)驗(yàn)室，使用成本低，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。目前，各高校課題組、企業(yè)等單位購(gòu)置了大量的臺(tái)式微型掃描電鏡，這也促進(jìn)了掃描電鏡的普及與應(yīng)用，很大程度上緩解了國(guó)內(nèi)掃描電鏡機(jī)時(shí)緊張的問題。臺(tái)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(dá)到3.0nm;目前飛納公司推出場(chǎng)發(fā)射燈絲臺(tái)式電鏡，其分辨率從3.0nm 提升至2.5nm。隨著臺(tái)式電鏡技術(shù)的發(fā)展，性能逐漸提高，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，微型化電鏡的市場(chǎng)會(huì)越來(lái)越廣闊。

2? 掃描電子表征技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 電鏡高通量快速檢測(cè)技術(shù)

隨著科技的發(fā)展，研究者逐漸追求材料在時(shí)間、空間上的結(jié)構(gòu)變化信息，這就需要電鏡具有更高的信號(hào)強(qiáng)度、高的掃描速度，快的數(shù)據(jù)處理速度，配備高靈敏度探測(cè)器，高效率樣品加工附件等工作能力，實(shí)現(xiàn)在時(shí)間、空間上的高通量表征。高通量材料制備技術(shù)與高通量表征技術(shù)，大幅減少研發(fā)時(shí)間和成本，是材料設(shè)計(jì)、開發(fā)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(fā)展方向之一。電鏡高通量表征一方面是短時(shí)間內(nèi)獲得樣品大量的表面形貌、組織、成分等結(jié)構(gòu)信息，另一方面是短時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品不同位置或者不同的樣品進(jìn)行檢測(cè)。

電鏡高通量表征主要實(shí)現(xiàn)手段與技術(shù)有：

（1）大探針電流，提高電鏡電子束束流強(qiáng)度。目前商業(yè)化的電鏡束流強(qiáng)度規(guī)格主要有。5nA、20nA、100nA、200nA、500nA;束流強(qiáng)度越高，單位時(shí)間內(nèi)采集的信號(hào)數(shù)量就越大。日本HITACHI公司的SU7000熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，電鏡的束流強(qiáng)度達(dá)到200nA，同時(shí)配置了6通道顯示界面，進(jìn)一步升級(jí)SEM控制系統(tǒng)，大幅提高了信號(hào)獲取速度，由此可實(shí)現(xiàn)樣品的高通量觀察。

（2）提高探測(cè)器的靈敏度以及探頭的有效采集面積，大幅提高信號(hào)的獲取速度和數(shù)量。牛津公司新開發(fā)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電子圖像和動(dòng)態(tài)EDS面掃分布圖等技術(shù)要求，為高通量表征提供了技術(shù)支持。大幅增加信號(hào)的數(shù)量和提高信號(hào)獲取速度，是實(shí)現(xiàn)高通量快速檢測(cè)主要手段。德國(guó)蔡司最新開發(fā)的用于大腦神經(jīng)組織成像研究的MultiSEM506型電子顯微鏡采用91條平行射線，同時(shí)可獲取91組圖像，超高的網(wǎng)絡(luò)獲取速度和超過2萬(wàn)億的像素，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)，圖像采集時(shí)間也從數(shù)年減少到只需幾周，實(shí)現(xiàn)高通量表征。2018年，國(guó)內(nèi)的聚束科技公司自主研發(fā)的首臺(tái)高通量場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡NeuroSEM-100，專用于微觀尺度腦神經(jīng)連接圖譜的超高速成像;該電鏡采用同軸電子直接探測(cè)技術(shù)和高速FPGA采集模塊，高度的智能化結(jié)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(dòng)地超大區(qū)域（100mmX100mm）全息地圖集式成像，實(shí)現(xiàn)高通量表征。

2.2 設(shè)備平臺(tái)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(cè)器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，掃描電鏡逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)搭載平臺(tái)，集成多種樣品處理技術(shù)和多種探測(cè)器，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)樣品多元信息采集與綜合分析系統(tǒng)，滿足科學(xué)家對(duì)材料精細(xì)結(jié)構(gòu)與性能一體化表征的要求。設(shè)備平臺(tái)化，功能集成一體化是目前電子顯微表征技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)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(jié)晶取向等信息，可對(duì)材料的成分、工藝、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，該組合電鏡平臺(tái)可廣泛應(yīng)用于如金屬和合金、陶瓷、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、礦石等多晶體材料[17];SEM+EDS+CL組合電鏡可對(duì)礦物、鋯石、半導(dǎo)體發(fā)光材料結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行鑒別分析[18，19];SEM+EDS+XRF組合電鏡可對(duì)材料的組織形貌、成分，特別是對(duì)痕量元素進(jìn)行精細(xì)研究[20];SEM+EDS+LRS激光拉曼一體化電鏡具有有機(jī)結(jié)構(gòu)解析、碳結(jié)構(gòu)解析、無(wú)機(jī)相鑒定、同分異構(gòu)分析、結(jié)晶度分析等功能，在地質(zhì)、礦物、高分子材料、生命與醫(yī)學(xué)、寶玉石鑒定等領(lǐng)域均有了非常廣泛的應(yīng)用[21]。FIB+SEM+EDS雙束電鏡可對(duì)材料進(jìn)行可視微加工，并進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)分析[22];SEM+生物切片超高速電鏡三維影像系統(tǒng)（AutoCUTS-SEM）可對(duì)生物材料、有機(jī)高分子等進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)分析[23];SEM+超低溫冷凍制樣及傳輸技術(shù)與電鏡結(jié)合（冷凍電鏡Cryo-SEM）可對(duì)細(xì)胞組織進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)分析[24]。

2.3 顯微觀察與表征原位化

隨著研究的深入發(fā)展，離線樣品檢測(cè)已難以滿足科學(xué)家的要求，對(duì)樣品進(jìn)行原位條件下分析表征的需求日漸增強(qiáng)。原位表征能夠獲得樣品形貌、組織結(jié)構(gòu)以及性能隨環(huán)境場(chǎng)變化的規(guī)律性信息。目前，原位表征環(huán)境場(chǎng)主要有原位高/低溫?zé)釄?chǎng)、原位力學(xué)、原位電化學(xué)、原位液相和氣相、原位納米加工等技術(shù)。

（1）高溫/低溫樣品臺(tái)。

利用高/低溫臺(tái)在環(huán)境模式下對(duì)樣品進(jìn)行加熱/制冷，并采集信號(hào)可進(jìn)行原位動(dòng)態(tài)觀察，研究溫度對(duì)樣品結(jié)構(gòu)與性能的影響。高溫樣品臺(tái)一般配置在環(huán)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(huì)釋放出氣體或者可見光以及紅外熱輻射等現(xiàn)象，必須采用有抑制光、熱信號(hào)等噪音的專業(yè)探測(cè)器，普通的探測(cè)器在高溫下無(wú)法正常工作。低溫樣品臺(tái)可以在各種電鏡上加裝，普通的探測(cè)器就可正常工作。

（2）原位力學(xué)裝置。

原位力學(xué)裝置主要輔助研究材料在外立場(chǎng)作用下結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)等功能，并逐漸由單一功能向復(fù)合功能發(fā)展，可從材料表面觀察在動(dòng)態(tài)拉伸條件下材料的滑移、塑性形變、起裂、裂紋擴(kuò)展（ 路徑和方向） 直至斷裂的全過程等。

（3）人造環(huán)境模擬芯片技術(shù)。

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

（4）超低溫冷凍與傳輸技術(shù)。

2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給三位發(fā)明冷凍電鏡的學(xué)者，以表彰他們?cè)诶鋬鲭婄R領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，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(shù)主要是快速冷凍技術(shù)、冷凍傳輸技術(shù)和圖像采集與計(jì)算機(jī)合成技術(shù)?？焖倮鋬黾夹g(shù)可對(duì)含水樣品直接冷凍而不影響樣品本身結(jié)構(gòu);冷凍傳輸技術(shù)可保證電鏡觀察下的樣品處于低溫冷凍狀態(tài)。超低溫冷凍電鏡可直接觀察液體、半液體及對(duì)電子束敏感的樣品等，應(yīng)用范圍廣泛，已在生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)、高分子材料等領(lǐng)域得到極大應(yīng)用。

2.4 樣品結(jié)構(gòu)信息采集三維化

近年來(lái)，電鏡技術(shù)迅速發(fā)展，特別是樣品制備技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像三維重構(gòu)技術(shù)取得極大進(jìn)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(fā)展為樣品結(jié)構(gòu)三維（3D）立體表征[25]。實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)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(shù)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(tǒng)、生物連續(xù)超薄切片自動(dòng)化系統(tǒng)、納米機(jī)械手、納米劃痕儀等;計(jì)算機(jī)圖像三維重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使顯微鏡成為具有圖像采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能的數(shù)據(jù)成像工作平臺(tái);硬件和軟件兩方面的集成發(fā)展，是電子顯微鏡實(shí)現(xiàn)樣品結(jié)構(gòu)信息采集三維化的關(guān)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(jìn)行顯微切割，是電鏡對(duì)固體樣品進(jìn)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(shè)計(jì)的最強(qiáng)大工具。

為了研究納米材料微觀性能，研究者又開發(fā)出納米機(jī)械手;在電子顯微鏡上，借助納米機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)可視化微觀拉伸、壓縮、搭接、切割等操作，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能的相關(guān)性進(jìn)行研究;納米可視加工技術(shù)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(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛，比如DNA樣本的分子手術(shù)，基因樣本的剪輯與重組，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)注射，生物膜加工等，這些實(shí)驗(yàn)都需要在電鏡平臺(tái)上借助納米機(jī)械手才能夠進(jìn)行。2012年底，中科院生物所生物成像中心承擔(dān)的“連續(xù)超薄切片自動(dòng)化收集系統(tǒng)研制”項(xiàng)目順利驗(yàn)收，SEM+生物切片超高速電鏡三維影像系統(tǒng)（AutoCUTS-SEM）可對(duì)生物材料進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)觀察與分析。TESCAN型號(hào)為S9000X的FIB-SEM的雙束電鏡，搭載了可拆卸的鉆石刀;該設(shè)備擁有多能量電子成像功能，根據(jù)不同加速電壓的電子束進(jìn)入樣品的深度不同，獲取不同深度的樣品信息，從而實(shí)現(xiàn)樣品3D結(jié)構(gòu)表征。蔡司公司擁有多種型號(hào)鏡配制FIB系統(tǒng)的電子顯微鏡，F(xiàn)IB系統(tǒng)通過體積激發(fā)和切片厚度控制方法實(shí)現(xiàn)3D重構(gòu)，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(gòu)。

3? 展望

掃描電子顯微技術(shù)發(fā)展迅速，圖像分辨率越來(lái)越高，電子槍束流可選擇范圍越來(lái)越大，低真空技術(shù)與低電壓技術(shù)更加成熟，逐漸成為電鏡的主流配置。隨著研究領(lǐng)域的細(xì)分化，電子顯微表征技術(shù)呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢(shì);樣品結(jié)構(gòu)原位表征的需求、促進(jìn)了大樣品倉(cāng)、低真空、高通量表征電鏡的發(fā)展;樣品快速加工技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖像三維重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使電鏡實(shí)現(xiàn)了樣品3D結(jié)構(gòu)信息采集。電子顯微技術(shù)、表征技術(shù)與樣品快速加工技術(shù)三者結(jié)合，使掃描電鏡逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)綜合性平臺(tái)，具備組織形貌觀察、成分分析、可視加工與性能檢測(cè)等功能，成為材料研發(fā)的有力工具。

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