专栏名称: 老千和他的朋友们
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1955年:论扫描电子显微镜及其应用(Smith/Oatley)

老千和他的朋友们  · 公众号  ·  · 2025-05-27 08:40

正文

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度的入射角同样能获得满意的成像效果。实验中使用的入射电子能量约为 20 kev ,这一能量水平足以穿透样品表面可能存在的薄污染膜,因此在实际观察过程中,污染问题并未构成严重障碍。

由于从物体散射的电子数量会随着 入射 电子束的局部入射角度发生变化,阴极射线管上最终形成的图像将直接反映这种变化,但这种变化是否能够形成样品表面的可识别图像并非显而易见。

然而,实验结果证实确实如此,如图 1 所展示的电视摄像管网格局部图像清晰地表明了这一点。特别值得注意的是图像中明显的三维立体效果,这一特性在后文讨论的其他实例中也有所体现。

1. 电视摄像管中铝化铜网格的一部分


在当前的仪器设计中,散射电子的收集机制相对简单而有效。电子倍增器的第一个 极被放置在尽可能靠近样品的位置,并相对于样品维持约 500 伏的正电位 。从样品表面离开的电子中,部分电子几乎保留了 入射 电子束的全部能量,而其他电子则相对较慢。

由于第一 极在高能 入射 电子轰击下的二次电子发射系数会降至较低值,低能电子在图像形成过程中可能发挥不成比例的重要作用。这一推断可从以下现象得到佐证:当第一 极的电位与样品电位相等时,信号强度会显著减弱。这种变化不太可能显著改变被收集的高能电子数量,但可能会大幅减少低能电子的收集效率。

迄今为止,对这些影响因素的系统研究相对有限,现有的收集器设计可能距离最优配置仍有改进空间。然而,当前的设计已足以提供非常令人满意的成像结果。

随着技术的不断进步,闪烁计数器已发展至高效率状态,这类装置在 SEM 中检测散射电子方面可能具有诸多优势。相关研究正在积极推进,以充分评估这种技术可能性。图 2( McMullan 博士获得 ) 展示了这一技术的特殊应用实例,其中样品本身由银活化的硫化锌荧光粉颗粒构成,传统的电子倍增器被光电倍增管所取代。在这种特殊的荧光材料中,大部分 发光现象来源于仅占颗粒很小部分的活性区域 ,从而呈现出独特的成像特征。

2. 银激活的硫化锌荧光体颗粒


SEM 的优势应用领域

SEM 最显著的应用价值在于检查那些不适用于复制技术的不透明样品。例如,某些物体表面可能存在机械加工形成的复杂凹痕结构,这会导致复制膜在取出过程中受损或无法完全分离;或者研究需要在可能破坏复制膜的高温条件下检查材料表面;又或者需要 实时观察材料表面在温度变化过程中的微观结构演变

尽管这些研究方向的工作相对有限,但显然存在众多情况下只能依靠扫描或反射电子显微镜才能获得有效观察结果。

另一类典型应用场景存在于生物样本研究中,许多生物样本因厚度过大而无法通过透射方式观察,但又因尺寸过小而难以制备高质量的复制品。图 3 和图 4(a,b) 展示了两个利用 SEM 在这类情况下获得的典型研究成果:它们分别呈现了一个变形虫和一条米虫幼虫表皮的微观结构。类似的应用优势也体现在纤维材料显微分析领域,如图 5 所示的奥纶纤维微观结构观察结果。

3. 用锇酸固定在镍表面上的变形虫(无金属涂层)

4. (a) 黄粉虫 (Tenebrio molitor) 幼虫表面 ( 镀银 ) (b) 黄粉虫幼虫上的刚毛。

5. 奥纶纤维(镀金钯)


对于上述绝缘体样品,表面充电效应可能会引起成像困难。这些问题通常可以通过在样品表面涂覆一层超薄的金属蒸镀层来有效克服,确保电子能够顺利导出而不影响观察结果。

尽管上述图像均通过 SEM 获得,但这些样品同属于可考虑使用反射电子显微镜观察的类别。因此,有必要评估 SEM 是否具备足够的技术优势,以证明其相对较高的系统复杂性是值得的。从这一角度分析,这两类显微镜之间的根本区别在于电子束击中样品及从样品表面收集散射电子的角度配置。







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