環(huán)境掃描電子顯微鏡及其應(yīng)用

1、環(huán)境電子掃描顯微鏡及其應(yīng)用譚明洋(山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590)摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微區(qū)信息已成為現(xiàn)代物質(zhì)信息研究的重要組成部分，透射電鏡(TEM)、掃描 電鏡(SEM)、電子探針等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金學(xué)、礦物學(xué)等學(xué)科的領(lǐng)域中，促 進(jìn)了各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展。但普通電子顯微鏡的高真空的要求限制了其適用范圍，環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM) 應(yīng)運(yùn)而生，把人們引入了一個(gè)全新的形態(tài)學(xué)觀察的領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)，微區(qū)分析Environmental Scanning Electron Microscope and ItsApplic

2、ationTAN Mingyang(College of Chemistry and Environmental Engineering ,Shandong University of Science and Technology , Qingdao ,Shandong 266590)Abstract: With the development of science and technology, micro-zone information has become an important part of modern material and information studies, tra

3、nsmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), electron probe technology has been widely used in the field of Materials science, Biology, Medicine, Metallurgy, mineralogy etc, and promote the development of the respective disciplines. But the high-vacuum requirements of ord

4、inary electron microscopy limits its application scopes. Environmental scanning electron microscope (ESEM) came into being and have lead us into a new morphological observation areas.Keywords: Environmental scanning electron microscope (ESEM) ,Microanalysis環(huán)境掃描電鏡（environmental scanning electron micr

5、oscope, ESEM）是近年發(fā)展起來的新型掃 描電鏡。它克服了普通掃描電鏡對(duì)試樣必須干燥、潔凈、導(dǎo)電的要求，可以在高真空度（HV） 下作為普通掃描電鏡使用，也可以在低真空度（LV）和模擬試樣環(huán)境下對(duì)試樣進(jìn)行微區(qū)分 析。1環(huán)境掃描電鏡的工作原理環(huán)境掃描電鏡（environmental scanning electron microscopy , ESEM）采用多級(jí)真空系統(tǒng)、 氣體二次電子信號(hào)探測(cè)器等獨(dú)特設(shè)計(jì)。觀察不導(dǎo)電樣品不需要鍍導(dǎo)電膜.可以在控制溫度、 壓力、相對(duì)濕度和低真空度的條件下進(jìn)行觀察分析含水的、含油的、已污染的、不導(dǎo)電的樣 品，減少了樣品的干燥損傷和真空損傷。環(huán)境掃描電鏡有三種工

6、作方式：A）高真空方式（常規(guī)方式）；B）低真空方式：0.11 Torr； C）環(huán)境方式:0.120 Torr。在高真空的常規(guī)掃描電鏡中，用標(biāo)準(zhǔn)的Everhart Thornley探測(cè)器來接受被高能入射電子 激發(fā)的樣品的信號(hào)電流（二次電子和部分背散射電子），經(jīng)放大后形成圖像。在低真空及環(huán)掃模式下，由電子槍發(fā)射的高能入射電子束穿過壓差光闌進(jìn)入樣品室，射 向被測(cè)定的樣品，從樣品表面激發(fā)出信號(hào)電子:二次電子一 SE和背散射電子一 BSE。由于樣 品室內(nèi)有氣體存在，入射電子和信號(hào)電子與氣體分子碰撞，使之電離產(chǎn)生電子和離子。如果 我們?cè)跇悠泛碗姌O板之間加一個(gè)穩(wěn)定電場(chǎng)，電離所產(chǎn)生的電子和離子會(huì)被分別引往與各

7、自極性相反的電極方向，非導(dǎo)體表面積累的負(fù)電荷會(huì)與電離出來的正電荷中和而消除荷電。圖1環(huán)境掃描電鏡中氣體放大原理示意圖其中電子在途中被電場(chǎng)加速到足夠高的能量時(shí)，會(huì)電離更多的氣體分子，從而產(chǎn)生更多 的電子，如此反復(fù)倍增ESEM探測(cè)器正是利用此原理來增強(qiáng)信號(hào)的，這又稱氣體放大原理 （如圖1）。LFD（低真空度模式下使用的探測(cè)器）和GSED （環(huán)掃模式下使用的探測(cè)器）探頭 接收這些信號(hào)并將其直接傳到電子放大器放大成電信號(hào)去調(diào)制顯象管或其它成像系統(tǒng)。ESEM通過不斷地向樣品室補(bǔ)充氣體來維持樣品室的低真空，同時(shí)也為氣體二次電子探 測(cè)器GSED提供工作氣體，水蒸氣是最常用的工作氣體。但是樣品室中氣體分子的存

8、在對(duì) 于SEM的成像也有著副作用，由于氣體分子對(duì)入射電子的散射使部分電子改變方向，不落 在聚焦點(diǎn)上，從而產(chǎn)生圖像的背底噪音;同時(shí)入射電子使氣體分子電離，產(chǎn)生電子和離子， 也會(huì)加大圖像的背底噪音.因而偏壓電場(chǎng)的電壓、方向及電極板的形狀，氣體狀態(tài)（種類、壓 力等）和入射電子路徑等因素都會(huì)對(duì)圖像的分辨率產(chǎn)生影響，必須選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)才能使分 辨率的降低保持在最小的限度。不同的探測(cè)器應(yīng)有不同的工作參數(shù)。2環(huán)境掃描電鏡的結(jié)構(gòu)圖2普通掃描電鏡結(jié)構(gòu)2.1環(huán)境掃描電鏡的結(jié)構(gòu)如圖2、3所示，在普通掃描電鏡的基礎(chǔ)上環(huán)掃實(shí)現(xiàn)較高的低真空，其核心技術(shù)就是采 用兩級(jí)壓差光柵和氣體二次電子探測(cè)器，還有一些其它相關(guān)技術(shù)也相繼

9、得到完善。它是使用 1個(gè)分子泵和2個(gè)機(jī)械泵，2個(gè)壓差（壓力限制）光柵將主體分成3個(gè)抽氣區(qū)，鏡筒處于高真 空，樣品周圍為環(huán)境狀態(tài)，樣品室、光路和電子槍室的真空度P0, P1和P2分別相差一至兩 個(gè)數(shù)量級(jí)，允許樣品室內(nèi)有氣體流動(dòng)，最高達(dá)50Torr，一般1Torr-20Torr，樣品室的溫度、 氣壓和相對(duì)濕度可以調(diào)節(jié)，樣品室和鏡筒之間存在一個(gè)緩沖過渡狀態(tài)。附加一個(gè)環(huán)境預(yù)處理 室，把樣品進(jìn)行完全或部分處理后，通過門閥再轉(zhuǎn)置到顯微鏡的觀察室中。在觀察過程中， 還可以通過特殊的操作器系統(tǒng)，對(duì)樣品進(jìn)一步處理，并配有一個(gè)氣氛檢測(cè)裝置，對(duì)環(huán)境氣氛 的壓力大小進(jìn)行測(cè)量和控制使用時(shí)，高真空、低真空和環(huán)境3個(gè)模式可

10、根據(jù)情況任意選擇， 并且在3種情況下都配有二次電子探測(cè)器，都能達(dá)到3.5nm的二次電子圖像分辨率。圖3環(huán)境信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)2.2掃描電子顯微鏡兩個(gè)特殊功能：2.2.1高溫樣品臺(tái)的功能利用高溫臺(tái)在環(huán)境模式下對(duì)樣品進(jìn)行加熱并采集二次電子信號(hào)可進(jìn)行適時(shí)動(dòng)態(tài)觀察。 而在普通高真空掃描電鏡和低真空掃描電鏡中，只能對(duì)極少數(shù)特殊樣品在高溫狀態(tài)下進(jìn)行觀 察，并要求在加熱過程中不能產(chǎn)生氣體、不能發(fā)出可見光和紅外輻射，否則，會(huì)破壞電鏡的 真空，并且二次電子圖像噪音嚴(yán)重，乃至根本無法成像。高溫臺(tái)配有專用陶瓷GSED（氣體 二次電子探頭），可在環(huán)境模式下，在高達(dá)1 500C溫度下正常觀察樣品的二次電子像。加熱 溫度范圍從

11、室溫到1 500 C，升溫速度快。環(huán)境掃描電鏡的專利探測(cè)器可保證在足夠的成像 電子采集時(shí)抑制熱信號(hào)噪音，并對(duì)樣品在高溫加熱時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)不敏感。而這些信號(hào)足以 使其它型號(hào)掃描電鏡中使用的普通二次電子探頭和背散射電子探頭無法正常工作。2.2.2動(dòng)態(tài)拉伸裝置的功能最新的動(dòng)態(tài)拉伸裝置配有內(nèi)部馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)譯碼器、線性位移傳感器，由計(jì)算機(jī) 進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，配合視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)觀察和記錄?？蓮牟牧媳矶^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。該裝置還可附帶3點(diǎn)彎曲和4點(diǎn)彎曲裝置，具有彎曲功能，從而可以研究板材在彎曲狀 態(tài)下的形變、開裂

12、直至斷裂的情況。最大拉伸力為2 000 N, 3點(diǎn)彎曲最大壓力為660 N。動(dòng) 態(tài)拉伸裝置可配合多種掃描電鏡工作。3環(huán)境掃描電鏡的應(yīng)用3.1在礦物學(xué)的領(lǐng)域的應(yīng)用不同礦物在掃描電鏡中會(huì)呈現(xiàn)出其特征的形貌，這是在掃描電鏡中鑒定礦物的重要依 據(jù)。如高嶺石在掃描電鏡中常呈假六方片狀、假六方板狀、假六方似板狀埃洛石常呈管狀、 長(zhǎng)管狀、圓球狀;蒙脫石為卷曲的薄片狀;綠泥石單晶呈六角板狀，集合體呈葉片狀堆積或定 向排列等。王宗霞等在掃描電鏡下觀察了硅藻上的形貌，硅藻土多呈圓盤狀、板狀，根據(jù)這 一特征即可將它鑒定出來E。3.2在巖礦學(xué)中的應(yīng)用巖石經(jīng)過多次強(qiáng)烈的區(qū)域變質(zhì)作用后，其原巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造均已改變，常常很

13、難恢復(fù)其 原巖的狀況，掃描電鏡可對(duì)礦物的結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行分析，為推斷礦物的成巖環(huán)境和搬運(yùn)演化 歷史提供基礎(chǔ)資料。張希麟等運(yùn)用掃描電鏡及光譜儀觀察分析了云南天然彩色大理石斷口的 顯微形態(tài)和成分，研究表明大理石中的花紋記錄了地質(zhì)形成和變質(zhì)過程中微區(qū)范圍內(nèi)物理及 化學(xué)的變化，并發(fā)現(xiàn)大理石的顏色變化主要與Fe有關(guān)。3.3在礦物加工中的應(yīng)用掃描電鏡在礦物加工中的主要應(yīng)用是分析礦物表面形態(tài)、產(chǎn)狀、微觀性質(zhì)，配合X射 線能譜儀（EDS）對(duì)礦物成分進(jìn)行定性和定量分析研究礦物表面性質(zhì)及成分對(duì)選礦效果的影 響，提供元素賦存狀態(tài)、成礦信息等。朱紅等應(yīng)用掃描電鏡及X射線衍射分析了黃鐵礦的 表面氧化產(chǎn)物，研究了黃鐵礦表面

14、氧化機(jī)理及黃鐵礦表面狀態(tài)對(duì)煤浮選脫硫的影響刀。3.4在材料學(xué)上的應(yīng)用掃描電鏡的另一個(gè)重要特點(diǎn)是景深大，圖象富立體感，故所得掃描電子象富有立體感， 具有三維形態(tài)，能夠提供比其他顯微鏡多得多的信息，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)使用者很有價(jià)值，在材料 學(xué)上主要用于納米材料分析、材料斷面分析。掃描電鏡所顯示的斷口形貌從深層次，高景深 的角度呈現(xiàn)材料斷裂的本質(zhì)，在教學(xué)、科研和生產(chǎn)中，有不可替代的作用，在材料斷裂原因 的分析、事故原因的分析以及工藝合理性的判定等方面是一個(gè)強(qiáng)有力的手段。而環(huán)境掃描 電鏡的動(dòng)態(tài)觀察功能擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。德國(guó)F - ting等人（1994）對(duì)兩種碳纖維（C/ C及CFPC） 材料的斷裂來源及斷裂的

15、擴(kuò)展在ESEM中進(jìn)行了動(dòng)態(tài)觀察，為斷裂的機(jī)理研究提供了很好 的照片。3.5生物學(xué)上的應(yīng)用環(huán)境方式下最適宜觀察的生物樣品應(yīng)是那些表面有角質(zhì)層覆蓋的樣品和含水量很低的樣品， 比如植物的葉片、動(dòng)物中的昆蟲、作物的籽粒等，這類樣品易于保持新鮮度;環(huán)境方式下對(duì) 樣品的觀察和圖像的記錄等操作應(yīng)盡快完成，這樣可減少樣品內(nèi)水分蒸發(fā)而使樣品變形降至 最低。符波，廖瀟逸等人利用環(huán)境掃描電鏡分析顆粒污泥和懸浮填料一生物膜的微生物群落 形態(tài)，并與掃描電鏡觀察結(jié)果進(jìn)行比較，確定了對(duì)廢水生物樣品結(jié)構(gòu)觀察的最佳溫度、壓力 和濕度囹。4結(jié)束語綜上所述ESEM的主要特點(diǎn)是：（1）非導(dǎo)電材料不需噴鍍導(dǎo)電膜，可直接觀察，分析簡(jiǎn) 便

16、迅速，不破壞原始形貌；（2）可保證樣品在100%濕度下觀察，即可進(jìn)行含油含水樣品的觀 察，能夠觀察液體在樣品表而的蒸發(fā)和凝結(jié)以及化學(xué)腐蝕行為；（3）可進(jìn)行樣品熱模擬及力 學(xué)模擬的動(dòng)態(tài)變化實(shí)驗(yàn)研究，也可以研究微注入液體與樣品的相互作用等。因?yàn)檫@些過程中 有大量氣體釋放，只能在環(huán)掃狀態(tài)下進(jìn)行觀察。環(huán)境掃描電鏡技術(shù)拓展了電子顯微學(xué)的研究領(lǐng)域，是掃描電子顯微鏡領(lǐng)域的一次重大 技術(shù)革命，是研究材料熱模擬、力學(xué)模擬、氧化腐蝕等過程的有力工具，受到了國(guó)內(nèi)廣大科 研工作者的廣泛關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1于麗芳，楊志軍，周永章等.掃描電鏡和環(huán)境掃描電鏡在地學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用綜述J,中山大 學(xué)研究生學(xué)刊（自然科學(xué)、醫(yī)學(xué)版），2008, 29（1）： 54-60.邵曼君.環(huán)境掃描電鏡及其應(yīng)用J，1998，27（1）： 48-52.3袁利民，蔣蔚霞.對(duì)環(huán)境掃描電子