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       扫描电镜作为科研人必备“神器”，是迄今为止在物质结构研究中能给出的信息多、分辨本领高的大型分析仪器，通过入射电子轰击样品，激发和收集二次电子获得样品表面形貌像，以及通过特征X射线进行样品成分分析。在医学、材料学、生命科学等领域拥有广泛应用。其中，低电压高分辨力扫描电镜凭借快速、高质量、无畸变的大范围成像成为扫描电镜高端化的发展方向。

       传统扫描电镜在观察非导电样品时，需要在样品表面镀导电膜，从而对其进行观察，但导电膜会对样品表面形貌造成一定程度的掩盖，造成成像不清晰、偏差大、分析错误。降低电压，进而不通过镀导电膜层直接观察非导电样品，是减缓荷电效应的有效手段之一。但当电压降低到3kV以下后，会导致电子枪的亮度降低、色差增大，原来细聚焦的电子束“探针”的直径就会大幅增加，再一次造成图像分辨率严重降低。因此，低电压的同时具备高分辨力成为扫描电镜亟需突破的一道难题。

       在仪器测试使用时，加速电压（HV/ETH）为常用参数中调节最为普遍的一个。那么加速电压是如何影响成像的效果？本文将以常见样品的成像图结合简短的原理与大家共同分享扫描电镜成像中应如何调整加速电压。

入射电子影响范围

       加速电压越高，入射电子的能量能越高，在样品中可穿透和散射的范围越大，伴随着产生的信号范围也越大。如下图模拟，入射电子在1kV加速电压时，在硅中散射范围主要在20nm区域内；在5kV时，散射的主要范围扩大到300nm区域，因此5kV时二次电子可产生的范围从入射点扩大到数百纳米。

样品表面细节分辨

       由于加速电压增加，入射电子散射的范围增加，使得二次电子区域扩大，样品表面细节分辨率降低。如下图，在1kV条件下颗粒表面附着的碳纳米管比5kV条件下更加显著。因此对追求纳米级的表面细节分辨建议选择低电压比较合适。

辐射损伤

       有些样品易受辐射损伤，如有机高分子，金属有机框架，生物组织等。在实践发现，采用较低的加速电压（如5kV）拍一张图后，原地再拍一张即可，对比前后两张图有没有裂纹、收缩等。如下图，原地再拍一张后的样品前后图明显出现收缩，说明在此加速电压下样品受到了损伤，应当降低入射电子能量。 

       加速电压越高，携带能量越高，轰击损伤和热损伤都会增加。因此对于易受辐射损伤的样品建议使用较低电压。如下图，在1kV加速电压下，PMMA球体表面圆润饱满，在2kV球体出现了收缩的凹陷；在1kV下，MOF表面平滑，在2kV条件表面出现收缩。

非导电样品的荷电

       为避免非导电样品出现荷电影响成像效果，对于此类样品一般会在表面溅射一层几纳米厚的导电薄膜，如C，Au，Pt等，但对于有的样品效果也有限。出现荷电的直接体现为成像时明暗度明显失调或者出现条纹，根本原因在于电子输入和逸出的数量不平衡。如下图所示，在1kV时图像明暗度较均匀，在5kV时存在明显异常亮的荷电影响区域。

成像信噪比

       加速电压越高，入射电子携带的能量越高，因此轰击到样品产生的二次电子越多，信号越强，信噪比得到提高，成像直观感觉图像更清晰。如下图，5kV加速电压相对1kV成像视觉效果更为清楚。对于微米级的较大颗粒，在不追求表面细节时，提高加速电压有利于提高信噪比，获得成像效果更为清楚的图片。

FE-1050系列场发射电镜

       纳克微束场发射扫描电镜FE-1050系列得益于新一代电子光学镜筒，具备1.5nm（1kV）低电压高分辨的优越性能，即在1kV的低电压下实现快速、高质量、无畸变的大范围成像。

       FE-1050系列成像速度在同等条件下相比同类机型至少提高一个数量级，使扫描电镜从低像素“照相机”变成纳米“摄像机”。创新设计的高分辨率电子枪 模式，可对磁性样品、不导电样品以及电子束敏感样品的低电压成像量身订制解决方案；在样品导电性不佳的情况下，低电压能减缓样品的荷电效应，减轻图像上异常变亮、畸变、位移、模糊等情况，在观测生物样品时也可减少对样品造成的损伤。

       该机型硬件的高通量设计以及软件的集成性开发，开创了国产扫描电镜新设计、新用途、新采集模式，实现了扫描电镜变革性发展。

        作为70年央企钢研纳克（股票代码300797）的控股子公司，纳克微束潜心研发，主攻显微成像，为材料、半导体、生物医疗等研究和应用科学等领域提供综合显微成像解决方案。团队研发人员占比超过60%，通过十余年成熟的技术积淀及团队创新能力，在设计理念、关键环节、核心技术等方面超前布局，成为国内仪器公司中第 一梯队。

       本文部分内容转载自：中国科大理化科学实验中心

扫描电镜（SEM）用途广泛，几乎不需要样品制备就可提供各种样品的纳米级信息。然而有时候，必须先对样品进行溅射镀膜才能使用扫描电镜获取高质量图像。

扫描电镜可以对各种样品成像，例如陶瓷、金属、合金、半导体、高分子以及生物样品等。然而，有些类型的样品并没那么容易成像，需要额外进行样品制备以获得高质量图像，包括给样品镀上一层约10纳米(nm)厚的导电材料，如金、银、铂或铬。

何时需要溅射镀膜

镀膜材料的高导电性可以提高扫描电镜成像信噪比，使成像质量更高。需要溅射镀膜才能观察的样品通常对电子束敏感，不可导电。

束敏感样品

主要指生物样品，还包括塑料材料等其他类别。扫描电镜电子束能量很高，与样品相互作用时，部分能量主要以热能的形式作用在样品上。如果样品是由对电子束敏感的材料制成，那么这种相互作用会破坏部分甚至整个样品结构。在这种情况下，使用非电子束敏感材料进行溅射镀膜可以起到保护层作用，防止样品受损。

不导电材料

因其不导电的特性，其表面起到了电子陷阱的作用，导致电子在样品表面积聚，也就是“荷电”现象，因此在样品表面形成极白的区域，影响成像效果。使用溅射镀膜技术，将导电材料作为导电通道，可移除表面积聚的电子。

（左图）不导电样品上的荷电效应

（右图）该样品表面溅射10nm金膜后的背散射电子图像

溅射镀膜的缺点

样品的溅射镀膜也存在一些弊端。首先，需要额外的时间和精力来确定Z佳镀膜参数。Z重要的是，镀膜后样品表面不再是原始材料，而是镀膜材料，因此会丢失原子序数衬度信息。在某些极端情况下，该技术可能会造成样品表面形貌失真或呈现虚假成分信息。

然而大多数情况下，只要谨慎选择镀膜参数，就能避免这些问题，获得清晰高质的图像。

溅射镀膜使用材料

在过去，Z常用的溅射镀膜材料是金，因其导电率高、晶粒尺寸相对较小，利于形成高分辨率图像。进行能谱分析时，扫描电镜用户通常会对样品镀碳，因为碳的X射线峰值不会与其他元素的峰值发生冲突。

如今，钨、铱、铬等镀膜材料因粒度更细，可以满足超高分辨率成像要求，而铂、钯、银等镀膜材料则具有可逆性的优点。

为了获得扫描电镜的Z佳成像，某些类型的样品需要额外进行样品制备。处理束敏感样品和不导电样品时，溅射镀膜技术有利于获得高质量的扫描电镜图像。

初次使用扫描电镜（SEM）时，

您可能会疑惑到底能获取什么样的图像，您也可能会纠结怎样保证图像质量。其实，如果掌握了正确的样品制备技巧，您就可以轻松改善图像质量了。

首先，扫描电镜工作需要真空条件，而真空条件会对样品造成很大影响。例如，样品表面的松散颗粒会脱落，液体会即刻蒸发，易碎的材料会脱气。

图1. 苍蝇复眼的扫描电镜图像

您会发现对苍蝇很容易成像，但是要对苍蝇的幼虫成像，很可能会导致电镜中污渍飞溅。幼虫可以看作小的液体囊，如果内部水分蒸发，内部压力就会导致其皮肤崩塌甚至会发生爆炸。那么，气体和颗粒就会进入电子镜筒，并损害图像质量。

使用扫描电镜对水分含量高的样品成像，以下几点至关重要：

--在低真空下成像；

--冻结样品；

--烘干样品。

图2.-25°C 下苹果的扫描电镜图像

除了真空度，您还需要考虑样品表面电荷累积的影响，这会导致样品表面出现明亮的区域，从而掩盖所有细节，这种情况常常出现在聚合物和不导电材料中。

我们再强调一下，样品制备对于获得优质的图像十分关键。

使用扫描电镜对不导电样品成像时，我们应该：

--使用金属胶带使样品接地，并在胶带附近区域成像；

--使用金或其他导电镀膜材料在样品表面溅射镀膜；

--在低真空条件下成像。

图3.不导电羊毛样品的扫描电镜图像

要获得优质的扫描电镜图像，样品制备至关重要。花些时间学习不同类型样品的制备技巧，您就可以确保始终获得Z佳的图像结果。

如您希望了解更多有关使用扫描电子显微镜样品制备的信息，请填写表格与专家交谈。

表格地址：https://www.thermofisher.com/cn/zh/home/global/forms/questionnaire-2017-form-cn.html?cid=cn-ebz-soc-wec-camp-wechat2018-aMSD-pc-mkt-05282018

       提到扫描电子显微镜（SEM）的“景深”，可以用摄影来做类比，两者都可以获得高清图片，也都要确定需要聚焦的位置。

       拍照时，您感兴趣的物体应该总是处于焦点位置，并且尽可能清晰。从艺术的角度来说，聚焦可以将摄影师的关注点传达给观察者，而在实际应用中，聚焦良好的图片可以展示大量细节信息。

       但是待拍摄物体中有多大部分是真正处于聚焦状态，这部分占比又是如何调控的呢？对焦状态的图像部分始终是一个平面，这意味着我们只能对wan美的平面进行成像。幸运的是，只要物体中的各部分“足够接近”焦平面，我们的大脑就可以处理，这部分称为景深。

       影响景深的参数有几个，调整这些参数可以使图片中包含的信息变多或变少，其中，光阑直径和聚焦装置(摄像头和扫描电镜镜筒)至关重要。

       物体与成像设备之间的距离也是极其重要的因素。

• 通常，物体越远，景深越大，更多物体变得足够清晰，使得大脑能够处理和区分；

• 物体越近，景深越小，清晰度或分辨率会提高，可以看到物体太远时看不到的细节。

不同景深下的两张照片

（左图）花儿特写镜头-近距离拍摄，背景变得模糊。

（右图）风景照-远距离拍摄，景深从几厘米增加到几公里。

电子显微镜是如何聚焦的

       电子显微镜中，焦点是指入射电子束圆锥直径Z小时的位置。。电子源发出电子束，镜筒内的电磁透镜和末端光阑约束电子束并决定Z小束斑尺寸。

       当电子束直径接近Z小值时，分辨率提高。通常达到特定和Z优“工作距离”-(镜筒底部和样品之间的距离)时，可取得该值。

       焦平面是指电子束直径Z小处对应的水平面。电子束对焦时，所有处于焦平面的特征物都将非常清晰。校正焦点意味着改变焦平面高度，焦平面上下的所有特征将会逐渐模糊，直到无法识别。

工作距离如何影响景深

       景深是指工作距离的一定范围，在该范围内，图像的清晰度可以接受。理想的工作距离将在聚焦后呈现Z佳分辨率。

       然而，有些情况下，例如，在观察较高样品时，分辨率变得不太重要，反而景深对结果的影响更大。对昆虫进行成像时，关键是要让画面中的所有特征都清晰可辨，比如它的腿和头。对电子线路连接成像也是如此，完整观察样品需要在同一图像中聚焦整个电线和电路板。在这种情况下，较长的工作距离有助于获得更大的景深，得到更多细节清晰可见的图像。

       电子镜筒、电子束和焦平面图示。(左图)工作距离越长，α角越小，远离焦平面不会使图像变得太模糊。(右图)工作距离缩短, β角变大，远离焦平面使得电子束直径不断增大，因此图像变得更加模糊。反之，焦平面上的电子束直径越小，图像分辨率越高。

       样品越靠近镜筒，电子束角度越大。这意味着与焦平面的微小偏差将导致电子束直径不断增大，从而使得图像更加模糊。

       反之，样品距离镜筒越远，电子束角度越小，与焦平面高度的偏差所导致的电子束直径变化也就越小，因此，可以清晰地观察到不同高度处的所有特征物。

       通常，扫描电子显微镜的景深可以从几微米增加到几毫米，通过调整景深，可以对需要ZD关注的特征进行深入观察，获得高质量的图像从而取得Z佳的分析结果。

       如您希望了解更多有关扫描电镜的信息，请填写表单与专家交谈。（填写地址：https://www.thermofisher.com/cn/zh/home/global/forms/questionnaire-2017-form-cn.html?cid=cn-ebz-soc-wec-camp-wechat2018-aMSD-pc-mkt-05282018）