环境扫描的三种主要模式

随着社会科学技术的不断发展进步，微区信息已经成为了现代物质信息研究的重要组成部分，环境扫描电子显微镜是近年发展起来的新型扫描电镜。它主要用于各种样品的表面形貌观察和成分分析，具有对试样必须干燥、洁净、导电的要求，广泛地应用于生命科学、医学、材料学等诸多学科。本文主要为大家介绍一下环境扫描电子显微镜的工作原理及应用范围。

环境扫描电子显微镜的工作原理

环境扫描电镜(environmental scanning electron microscopy,ESEM)采用多级真空系统、气体二次电子信号探测器等独特设计。观察不导电样品不需要镀导电膜.可以在控制温度、压力、相对湿度和低真空度的条件下进行观察分析含水的、含油的、已污染的、不导电的样品，减少了样品的干燥损伤和真空损伤。

环境扫描电镜有三种工作方式：A）高真空方式(常规方式)；B）低真空方式:0.1~1 Torr；C）环境方式:0.1~20 Torr。

在高真空的常规扫描电镜中，用标准的Everhart Thornley探测器来接受被高能入射电子激发的样品的信号电流(二次电子和部分背散射电子)，经放大后形成图像。

在低真空及环扫模式下，由电子枪发射的高能入射电子束穿过压差光阑进入样品室，射向被测定的样品，从样品表面激发出信号电子:二次电子一SE和背散射电子一BSE。由于样品室内有气体存在，入射电子和信号电子与气体分子碰撞，使之电离产生电子和离子。如果我们在样品和电极板之间加一个稳定电场，电离所产生的电子和离子会被分别引往与各自极性相反的电极方向，非导体表面积累的负电荷会与电离出来的正电荷中和而消除荷电。

图1环境扫描电镜中气体放大原理示意图

其中电子在途中被电场加速到足够高的能量时，会电离更多的气体分子，从而产生更多的电子，如此反复倍增。ESEM探测器正是利用此原理来增强信号的，这又称气体放大原理（如图1）。LFD(低真空度模式下使用的探测器)和GSED（环扫模式下使用的探测器）探头接收这些信号并将其直接传到电子放大器放大成电信号去调制显象管或其它成像系统。

ESEM通过不断地向样品室补充气体来维持样品室的低真空，同时也为气体二次电子探测器GSED提供工作气体，水蒸气是最常用的工作气体。但是样品室中气体分子的存在对于SEM的成像也有着副作用，由于气体分子对入射电子的散射使部分电子改变方向，不落在聚焦点上，从而产生图像的背底噪音同时入射电子使气体分子电离，产生电子和离子，也会加大图像的背底噪音.因而偏压电场的电压、方向及电极板的形状，气体状态(种类、压力等)和入射电子路径等因素都会对图像的分辨率产生影响，必须选择适当的参数才能使分辨率的降低保持在最小的限度。不同的探测器应有不同的工作参数。

环境扫描电子显微镜主要特点（以FEI Quanta为例）

1、FEI ESEM(环境扫描电镜)技术,可在高真空、低真空和环境真空条件下对各种样品进行观察和分析。

2、所有真空条件下的二次电子、背散射电子观察和微观分析。

3、先进的系统结构平台，全数字化系统。

4、可同时安装能谱仪、波谱仪和EBSP系统。

5、可安装低温冷台、加热台、拉伸台等进行样品的动态观察和分析。

环境扫描电子显微镜技术参数（以FEI Quanta 250/450/650为例）

1、分辨率:

二次电子:

高真空模式3.0nm 30kV,8nm 3kV

高真空减速模式7nm 3kV(可选项)

低真空模式3.0nm 30kV,10nm 3kV

环境真空模式3.0nm 30kV

背散射电子4.0nm 30kV

2、样品室压力最高达2600Pa

3、加速电压200V～30kV，连续调节

4、样品台移动范围

Quanta 250:X=Y=50mm

Quanta 450:X=Y=100mm

Quanta 650:X=Y=150mm

环境扫描电子显微镜代表性工作

        

图1杆菌(Bar=10μm)                         图2球菌(Bar=10μm)

        

  图3酵母菌(Bar=5μm)                          图4链霉菌(Bar=5μm)

        

图5真菌(桦南牛肝菌)(Bar=20μm)       图6污水处理中颗粒污泥表面微生物多样性(Bar=10μm)

        

图7水稻叶片表面腊质(野生型)(Bar=5μm)     图8水稻叶片表面腊质(突变体)(Bar=5μm)

EDAX公司能谱与EBSD一体化系统——Pegasus

主要指标和特点

设备用途

用在扫描电镜(SEM)上,对材料的微区成分及元素的分布状况进行定性和定量分析.通过对背散射电子衍射花样(EBSP)的测量和标定,分析研究晶体取向,取向分布,晶界特征以及微观织构等,并能进行鉴定物相.一体化的能谱和EBSD系统,同步测量EDS和EBSD数据,通过化学预过滤的相分析,提高指标化的速度和准确度.

GENESIS能谱部分

探头类型:液氮制冷Si(Li)探测器,晶体活区面积10mm2

不用时勿需加液氮,并且内置温度传感器,断液氮和重新加液氮无须运行特殊的保护程序

能量分辨率(Mn-Ka,@2,500CPS):优于132e(标准)

C-K分辨率优于60eV,F-K 优于65eV

可分析元素范围:Be4~U92

输出最大计数率:大于100,000CPS

可处理最大计数率:大于500,000CPS

计数率增加到10,000cps分辨率下降小于1eV10kcps以上,每增加10kcps分辨率下降99%成功率测试条件为金属Ni,电镜束流>2nA

注:相机扫描速度(帧/秒)肯定大于指标化速度(点/秒),不是重要的EBSD技术指标

高速度Hikari 数字CCD相机

1394火线(FireWire)接口,16位图像处理,12位图像输出

相机分辨率高达640 x 480 像素

指标化速度:≥200pps,并保证>99%成功率测试条件为金属Ni,电镜束流>2nA

EBSD 数据采集系统

能对所有对称性(从三斜到立方的所有7个晶系)的晶体材料的EBSP进行自动标定

与能谱一体化,能够同步采集EBSD和能谱数据,进行化学预过滤的指标化和相鉴定Chi-Scan (EDAX专利技术)

即可调用本公司认证的专用EBSD晶体学数据库,人工建立数据库,也可调用国际通用的晶体学数据库(如NIST,ICCD等).

随系统附带的EBSD专用晶体学数据库包含220以上个相结构(竞争对手只有50个)

一体化的材料文件编辑器,不仅能够与EBSD专用数据库连接,并可与ICDD等通用数据库链接

采用三元指标化(Triplet Indexing)和CI因子评级等先进技术(EDAX 专利技术),提高对变形材料和晶界附近衍射花样的指标化能力,提高EBSD的空间分辨率

具有Hough, HoughPlus及Progressive等多种自动标定方法,以及灵活的参数

系统能够对同一面扫描标定并鉴别多相组织,够标定所有的晶系和空间点阵结构

能够在数据采集期间进行自动漂移矫正

能够与能谱仪形成一体化并在花样标定与相鉴定中利用能谱数据.

EBSD分析软件

采用树状工程管理界面,可进行多重数据组的同时显示和处理,简单直接的数据比较,使繁杂的数据管理有条不紊.所有OIM分析功能全部集成在一个OIM Analysis软件中.

从EBSD扫描的数据(Scan Dataset),不仅可以得到与相(Phase),取向(Orientation)和化学成分(EDS)有关的面分布和图表,织构等,并在OIM系统数据库中包含了大部分材料的物理特性信息,可以得到材料的弹性刚量(Elastic Stiffness),Taylor因子,Schmid因子等

内含5个通用晶体学工具,包括对称取向(Symmetric Orientation),对称取向差(Symmetric Orientation),对称方向(Symmetric Direction),取向差计算器(Misorentation Calculator)和晶体旋转器(Crystal Rotator)等,方便对晶体学和对称性的理解和计算.

在涉及取向(Orientation)的所有场合,用户可以选择熟悉的任何表示方法,如欧拉空间的Bunge,Roe和Kocks表示,或轴/角对(Axis/angle)表示.

数据的分区:可以按照给定的条件或条件的逻辑组合对扫描数据进行分区,然后对分区的数据进行分析和处理.

功能强大的分析和显示工具:

面分布:20多种灰度(Gray Scale)图,30多种彩色(Color coded)图,以及它们的组合,并可以分析和叠加旋转晶界,孪晶(Twin)界,重位点阵(CSL)晶界等.

分布图表(Charts):30多种,包括花样质量,反极图,晶粒尺寸,取向和取向差,织构组成等.

离散绘图(Discrete plots):可以用6种表象中的任何一种绘制离散图,包括极图,反极图,4种欧拉空间.

功能强大的织构分析:可以用极图,反极图,ODF等来分析计算给定方向的织构,并绘制出黑白或彩色织构图.

常用的面分布(maps),绘图(plots),图表(charts)等,一键即得,方便地进行扫描数据的旋转和去伪处理.

交互地表征:可以将Maps, Plots和Charts中的共性数据或特征提出,进行单独作图,并与原出处对应

技术支持:EDAX连续5年在聘请专家在中国举办OIM应用培训班,并坚持每年举办该培训和讲座,为EDAX用于提供交流平台和技术支持.

EBSD是一种“结晶学”分析系统。

1996年美国TSL(TexSemLaboratories,Inc.)公司推出了TSLOIM系统，空间分辨本领已优于0.2μm，比原理相似的电子通道图样(ECP)提高了一个量级，在0.4秒钟内即能完成一张衍射图样的自动定标工作。英国牛津集团显微分析仪器Link-OPAL公司的EBSD结晶学分析系统，目前已用于Si片上Al连线的取向分析，以判断其质量的优劣及可行性。

以背散射电子衍射图样(EBSP)为基础的晶体学取向成像电子显微术(OIM)。在SEM上增加一个可将试样倾动约70度的装置，CCD探测器和数据处理计算机系统，扫描并接收记录块状试样表面的背散射电子衍射花样(背散射菊池花样)，按试样各部分不同的晶体取向分类成像来获得有关晶体结构的信息，可显示晶粒组织、晶界和裂纹等，也可用于测定织构和晶体取向。可望发展成SEM的一个标准附件。

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