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涨知识!扫描电镜的类型竟有如此之多

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  目前,已经成功研制出的扫描电镜包括:典型的扫描电镜、扫描透射电镜(STEM)、场发射扫描电镜(FESEM)、冷冻扫描电镜(Cryo-SEM),低压扫描电镜( LVSEM)、环境扫描电镜( ESEM)、扫描隧道显微镜(STM )、扫描探针显微镜( SPM ),原子力显微镜(AFM)等,以下介绍几种常用的扫描电镜。
 
一、扫描隧道显微镜(STM)
 
  扫描隧道显微镜的工作原理是利用物理学上的隧道效应及隧道电流。隧道效应是指金属中部分能量低于表面势垒的自由电子能够穿透金属表面势垒,形成金属表面上的“电子云”的效应。隧道电流是指当两种金属靠得很近时(几纳米以下),两种金属的电子云将互相渗透,当加上适当的电压时,即使两种金属并未真正接触,也会有电流由一种金属流向另一种金属。
 
  扫描隧道显微镜利用电子隧道现象,将样品本身作为一个电极,另个电极是一根非常尖锐的探针,把探针移近样品,并在两者之间加上电压,当探针和样品表面相距只有数十埃时,由于睡道效应在探针与样品表面之间就会产生隧道电流并保持不受;若表面有微小起伏,哪怕只有原子大小的起伏,也将使穿透电流发生成千上万信的变化。
 
  这种携带原子结构的信息输入电子计算机,经过处理即可在荧光屏上显示出一幅物体的三维图像,其分率达到了原子水平,放大倍数可达3亿倍,最小可分的两点距离为原子直径的1/10,分辨率高达0.01nm。
 
  扫描隧道显微镜可以观察单个原子在物质表面的状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质,在表面科学,材料科学、生命科学、药学化学纳米技术等研究领域有广阔的应用前景,但STM要求样品表面与针尖具有导电性,这也是STM在应用方面最大的局限所在。
 
二、原子力显微镜(AFM)
 
  原子力显微镜的工作原理是利用对微弱力极其敏感、顶端带有针尖的做悬臂对样品表面进行逐行扫描,针尖最外层原子与样品表面原子之间的相互作用力使微悬臂发生形或改变运动状态,通过检测微悬臂的偏转获得样品形貌和作用力等相关信息供计算机成像。原子力显微镜成像的模式包括了接触模式和间歇接触模式。
 
  原子力显微镜是新一代的扫描探针显微镜,但是其不要求样品具有导电性,待测样品不需要特殊处理就可直接进行纳米尺度的观测,AFM在任何环境(包括液体)中都能成像,面且针尖对样品表面的作用力较小,能避免对样品造成损伤,所以AFM已成为生物学研究领域中进行纳来尺度的实时观测的一种重要工具。
 
三、环境扫描电镜(ESEM)
 
  环境扫描电镜的工作原理是采用多级真空压差技术,在保持电子枪和镜筒的高真空状态下,样品室内可以保持较高的气压(极差真空)及较高的湿度和压力,而且温度可调,气体二次电子探头接收不导电样品表面信号,便于观察新鲜活体生物样品,解决了生物样品失水变形问题。样品无须干燥及镀膜,能保持生物活体形态结构的真实性。
 
  环境扫描电镜既可以在高真空状态下工作,又可以在低直空状态下工作。在利用高真空功能的时候,对于非导电材料和湿润试样,必须经过固定、脱水,干燥,镀膜等系列处理后方可观察。利用低真空功能,样品可以省略预处理环节,直接观察试样,不存在化学固定所产生的各种问题,甚至可以观察活体生物样品。虽然样品室处在低真空状态下,但是其环境仍然与生物生存的环境相差甚远,未经固定的生物样品在这种环境中能保持不变的时间很短,经受不起电子束的轰击,只能作较短时间的观察。只适合于含水量较少的生物样品,对于含水量高的样品的观察还存在一些技术上的困难。环境扫描电镜广泛应用于石油陶瓷、建筑、印刷、化工催化剂、电讯、医药卫生、燃料、高温超导体、金属腐蚀与防护、材料科学、环境科学、生命科学等领域。
 
四、冷冻扫描电镜
 
  冷冻扫描电镜又称低温扫描电镜,是把冷冻样品制备技术与扫描电镜融为一体的种新型扫描电镜。简单来说,冷冻扫描电镜就是在扫描电镜中安装一个冷台,将新鲜样品冷冻固定,置于冷台上,在低加速电压下作短时间观察。
 
  这种冷台适用于观察那些不适于常规处理(如化学固定、脱水、干燥、导电等处理)的生物样品。生物样品经冷冻保护剂(甘油、二甲基亚砜等)作用后,在液氮中快速冷冻,然后将冷冻样品转移到扫描电镜的冷台上,在观察过程中,用液氮保持冷台处在低温的状态。在有些情况下,可稍提高样品的温度,使样品表面的冰在高真空中升华,暴露样品表面的微细结构。
 
  冷冻扫描电镜主要观察经快速冷冻固定的样品,特别适用于含水样品的观察,因此在生物学领域的应用日益增多。生物样品经冷冻固定后在冷冻扫描电镜中既能避免化学固定的缺点,保持样品的活体状态,又能适应扫描电镜的各种真空环境。此外,冷冻扫描电镜还具有冷冻断裂和通过控制样品升华来选择性地去除表面水(冰)分的功能,从面能观察样品的内部结构冷冻扫描电镜有一个预抽真空室,以保证冷冻样品的最佳状态。
 
  冷冻扫描电镜已广泛应用于生命科学,包括植物学、动物学、直菌学、生物技术、生物医学和农业科学,是药物学、化妆品和保健品的重要研究工具,而且是食品工业的标准检测方法,可应用于冰淇淋、糖果蜜钱和乳制品等产品的检测。
 
五、扫描透射电镜(STEM)
 
  20世纪70年代初,科学家研制出扫描透射电镜。这是一种成像方式与透射和扫描都相似并且兼有二者优点的新型电子显微镜。扫描透射电镜可分为两种型号:
 
  (1)高分辨型扫描透射电镜,这是一种专用的扫描透射电镜,分辨率可高达0.3~0.5 nm,能够直接观察单个重金属原子像,已经接近透射电镜的水平;
 
  (2)附件型扫描透射电镜,其是指在透射电镜上加装扫描附件和扫描透射电子检测器后组成的扫描透射电镜装置。这种扫描透射电镜的分辨率较低,一般为1.5~3.0 nm,但它增加了透射电镜的功能,为人们提供了一个新的研究手段。
 
  扫描透射电镜的基本原理是由于样品各处质量、厚度和品体学特性不尽相同,所以检测器的输出信号也在不断变化,于是在显像管上就得到一幅扫描透射电子像。

六、场发射扫描电镜(FESEM)
 
  场发射扫描电镜是一种高分辨率扫描电镜,其分辨率在加速电压 30 kV时达0.6nm,已接近透射电镜的水平。但试样必须浸没于物镜的强磁场中以减少球差的影响,所以试样的尺寸受到限制,最大为23mm×6 mm×3 mm。基于场发射扫描电镜的超高分率,其能作各种固态样品表面形貌的二次电子像、反射电子像及图像处理;配有高性能X射线能谱仪,能同时进行样品表层的微区成分的定性、半定量和定量分析,获得元素的分布图,最高成像分辨率1.5 nm,加速电压0~30 kV,放大倍数0~80万倍,工作距离1~50mm,倾斜角度7°~45°,X射线能谱分辨率130cV,元素分析范围为B~U。
 
  场发射扫描电镜广泛应用于材料分析中,尤其是其良好的低压高空间分析性能和低压下良好的扫描电子像相互结合使用,使扫电镜应用范围得到扩展。
 
  场发射扫描电镜的应用范围很广,比如利用其低压性能好的优点可以进行表面微细节观察与研究,从而能够得到原子序数衬度像;利用其二次电子成像观察与分析,可以对小于0.1 nm的细节进行成分的点,线和面分析;可以对试样在常规钨丝枪不能分辨开的区域进行分析;可以替代TEM的部分工作;也可以利用 FESEM进行半导体方面的研究,如半导体材料中晶体缺陷应变场的形状和尺寸缺陷的走向、表面层内的密度、单个缺陷的显微形态、缺陷间的相对取向以及相互作用等等。此外,场发射扫描电镜可以用于检验抛光硅表面氧、碳的玷污,直接观测集成电路中用电子束曝光蚀刻的二氧化硅、氮化硅的亚微米光栅的间距、蚀刻深度及边缘角度等。
 
七、扫描电声显微镜(SEAM)
 
  扫描电声显微镜是融现代电子光学技术,电声技术、压电传感技术、弱信号检测和脉冲图像处理以及计算机技术为一体的一种新型无报分析和显微成像工具。
 
  其主要结构由六个部分组成:电子束发生器,波束消隐装置、电场和温度可变的样品台及压电探测器、电声信号处理器、图像是示器、计算机信号采集和图像处理控制系统。基本工作原理是强度受调制的电子束入射在样品上时,试样因吸收电子束能量而在入射点上产生周期性的表面热,这种表面热是热波的波源。
 
  热波从受照区域开始传播,并与试样产生相互作用,热波传播过程中在试样内形成了快速变化的应力和应变场,当遇到热的边界时就会被反射和散射,并将一部分能量转换成声波,声波的幅度和相位与热波和试样的相互作用有关。当载有热波和试样相互作用信息的声波到达电声信号探测器时被转换成电信号,通过逐点扫描方式就能获得一副完整的电声图像。
 
  扫描电声显微镜可以在原位同时观察基于不同成像机理的二次电千像和电声像;也可以现察残余应力分布的精细结构,清楚地显示维氏压痕所留下的性区和弹性区交替变化的电声像;还可以观察未经预处理的样品,得到极性功能材料最基本的物理特性一铁电畴的实验结果。
 

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