电子显微镜的现状及其发展趋势

电子显微镜的现状与展望

摘要: 本文扼要介绍了电子显微镜的现状与展望。透射电子显微镜方面主要有：高分辨电子显微学及原子像的观察，像差校正电子显微镜，原子尺度电子全息学，表面的高分辨电子显微正面成像，超高压电子显微镜，中等电压电镜，120kV,100kV分析电镜，场发射枪扫描透射电镜及能量选择电镜等，透射电镜将又一次面临新的重大突破；扫描电子显微镜方面主要有：分析扫描电镜和X射线能谱仪、X射线波谱仪和电子探针仪、场发射枪扫描电镜和低压扫描电镜、超大试样室扫描电镜、环境扫描电镜、扫描电声显微镜、测长／缺陷检测扫描电镜、晶体学取向成像扫描电子显微术和计算机控制扫描电镜等。扫描电镜的分辨本领可望达到0.2—0.3nm并观察到原子像。

关键词：透射电子显微镜 扫描电子显微镜 仪器制造与发展

电子显微镜(简称电镜，EM)经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具。我国的电子显微学也有了长足的进展。电子显微镜的创制者鲁斯卡(E.Ruska)教授因而获得了1986年诺贝尔奖的物理奖。

电子与物质相互作用会产生透射电子，弹性散射电子，能量损失电子，二次电子，背反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子，阴极发光和电动力等等。电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观察、成分分析和结构测定的。电子显微镜有很多类型，主要有透射电子显微镜(简称透射电镜，TEM)和扫描电子显微镜(简称扫描电镜，SEM)两大类。扫描透射电子显微镜(简称扫描透射电镜，STEM)则兼有两者的性能。为了进一步表征仪器的特点，有以加速电压区分的，如：超高压(1MV)和中等电压(200—500kV)透射电镜、低电压(～1kV)扫描电镜；有以电子枪类型区分的，如场发射枪电镜；有以用途区分的，如高分辨电镜，分析电镜、能量选择电镜、生物电镜、环境电镜、原位电镜、测长CD-扫描电镜；有以激发的信息命名的，如电子探针X射线微区分析仪(简称电子探针，EPMA)等。

半个多世纪以来电子显微学的奋斗目标主要是力求观察更微小的物体结构、更细小的实体、甚至单个原子，并获得有关试样的更多的信息，如标征非晶和微晶，成分分布，晶粒形状和尺寸，晶体的相、晶体的取向、晶界和晶体缺陷等特征，以便对材料的显微结构进行综合分析及标征研究〔3〕。近来，电子显微镜(电子显微学)，包括扫描隧道显微镜等，又有了长足的发展。本文仅讨论使用广泛的透射电镜和扫描电镜，并就上列几个方面作一简要介绍。部分透射电镜和扫描电镜的主要性能可参阅文献。

透射电子显微镜

1、高分辨电子显微学及原子像的观察

材料的宏观性能往往与其本身的成分、结构以及晶体缺陷中原子的位置等密切相关。观察试样中单个原子像是科学界长期追求的目标。一个原子的直径约为1千万分之2—3mm。因此，要分辨出每个原子的位置需要0.1nm左右的分辨本领，并把它放大约1千万倍。70年代初形成的高分辨电子显微学(HREM)是在原子尺度上直接观察分析物质微观结构的学科。计算机图像处理的引入使其进一步向超高分辨率和定量化方向发展，同时也开辟了一些崭新的应用领域。例如，英国医学研究委员会分子生物实验室的A.Klug博士等发展了一套重构物体三维结构的高分辨图像处理技术，为分子生物学开拓了一个崭新的领域。因而获得了1982年诺贝尔奖的化学奖，以表彰他在发展晶体电子显微学及核酸—蛋白质复合体的晶体学结构方面的卓越贡献。

用HREM使单个原子成像的一个严重困难是信号／噪声比太小。电子经过试样后，对成像有贡献的弹性散射电子(不损失能量、只改变运动方向)所占的百分比太低，而非弹性散射电子(既损失能量又改变运动方向)不相干，对成像无贡献且形成亮的背底(亮场)，因而非周期结构试样中的单个原子像的反差极小。在档去了未散射的直透电子的暗场像中，由于提高了反差，才能观察到其中的重原子，例如铀和钍—BTCA中的铀(Z＝92)和钍(Z＝90)原子。对于晶体试样，原子阵列会加强成像信息。采用超高压电子显微镜和中等加速电压的高亮度、高相干度的场发射电子枪透射电镜在特定的离焦条件(Scherzer欠焦)下拍摄的薄晶体高分辨像可以获得直接与晶体原子结构相对应的结构像。再用图像处理技术，例如电子晶体学处理方法，已能从一张200kV的JEM-2010F场发射电镜(点分辨本领0.194nm)拍摄的分辨率约0.2nm的照片上获取超高分辨率结构信息，成功地测定出分辨率约0.1nm的晶体结构。

2.像差校正电子显微镜

电子显微镜的分辨本领由于受到电子透镜球差的限制，人们力图像光学透镜那样来减少或消除球差。但是，早在1936年Scherzer就指出，对于常用的无空间电荷且不随时间变化的旋转对称电子透镜，球差恒为正值。在40年代由于兼顾电子物镜的衍射和球差，电子显微镜的理论分辨本领约为0.5nm。校正电子透镜的主要像差是人们长期追求的目标。经过50多年的努力，1990年Rose提出用六极校正器校正透镜像差得到无像差电子光学系统的方法。最近在CM200ST场发射枪200kV透射电镜上增加了这种六极校正器，研制成世界上第一台像差校正电子显微镜。电镜的高度仅提高了24cm，而并不影响其它性能。分辨本领由0.24nm提高到0.14nm。在这台像差校正电子显微镜上球差系数减少至0.05mm(50μm)时拍摄到了GaAs〈110〉取向的哑铃状结构像，点间距为0.14nm。

3、原子尺度电子全息学

Gabor在1948年当时难以校正电子透镜球差的情况下提出了电子全息的基本原理和方法。论证了如果用电子束制作全息图，记录电子波的振幅和位相，然后用光波进行重现，只要光线光学的像差精确地与电子光学的像差相匹配，就能得到无像差的、分辨率更高的像。由于那时没有相干性很好的电子源，电子全息术的发展相当缓慢。后来，这种光波全息思想应用到激光领域，获得了极大的成功。Gabor也因此而获得了诺贝尔物理奖。随着Mollenstedt静电双棱镜的发明以及点状灯丝，特别是场发射电子枪的发展，电子全息的理论和实验研究也有了很大的进展，在电磁场测量和高分辨电子显微像的重构等方面取得了丰硕的成果〔9〕。Lichte等用电子全息术在CM30

FEG/ST型电子显微镜(球差系数Cs＝1.2mm)上以1k×1k的慢扫描CCD相机，获得了0.13nm的分辨本领。目前，使用刚刚安装好的CM30

FEG/UT型电子显微镜(球差系数Cs＝0.65mm)和2k×2k的CCD相机，已达到0.1nm的信息极限分辨本领。

4、表面的高分辨电子显微正面成像

如何区分表面和体点阵周期从而得到试样的表面信息是电子显微学界一个长期关心的问题。目前表面的高分辨电子显微正面成像及其图像处理已得到了长足的进展，成功地揭示了Si〔111〕表面(7×7)重构的细节，不仅看到了扫描隧道显微镜STM能够看到的处于表面第一层的吸附原子(adatoms)，而且看到了顶部三层的所有原子，包括STM目前还难以看到的处于第三层的二聚物(dimers)，说明正面成像法与目前认为最强有力的，在原子水平上直接观察表面结构的STM相比，也有其独到之处。李日升等以Cu〔110〕晶膜表面上观察到了由Cu-O原子链的吸附产生的(2×1)重构为例，采用表面的高分辨电子显微正面成像法，表明对于所有的强周期体系，均存在衬度随厚度呈周期性变化的现象，对一般厚膜也可进行高分辨表面正面像的观测。

5、超高压电子显微镜

近年来，超高压透射电镜的分辨本领有了进一步的提高。JEOL公司制成1250kV的JEM-ARM

1250／1000型超高压原子分辨率电镜，点分辨本领已达0.1nm，可以在原子水平上直接观察厚试样的三维结构。日立公司于1995年制成一台新的3MV超高压透射电镜，分辨本领为0.14nm。超高压电镜分辨本领高、对试样的穿透能力强(1MV时约为100kV的3倍)，但价格昂贵，需要专门建造高大的实验室，很难推广。

6、中等电压电子显微镜

中等电压200kV\,300kV电镜的穿透能力分别为100kV的1.6和2.2倍，成本较低、效益／投入比高，因而得到了很大的发展。场发射透射电镜已日益成熟。TEM上常配有锂漂移硅Si(Li)X射线能谱仪(EDS)，有的还配有电子能量选择成像谱仪，可以分析试样的化学成分和结构。原来的高分辨和分析型两类电镜也有合并的趋势：用计算机控制甚至完全通过计算机软件操作，采用球差系数更小的物镜和场发射电子枪，既可以获得高分辨像又可进行纳米尺度的微区化学成分和结构分析，发展成多功能高分辨分析电镜。JEOL的200kV

JEM-2010F和300kV JEM-3000F，日立公司的200kV HF-2000以及荷兰飞利浦公司的200kV CM200 FEG和300kV CM300 FEG型都属于这种产品。目前，国际上常规200kVTEM的点分辨本领为0.2nm左右，放大倍数约为50倍—150万倍。

7、120kV\,100kV分析电子显微镜

生物、医学以及农业、药物和食品工业等领域往往要求把电镜和光学显微镜得到的信息联系起来。因此，一种在获得高分辨像的同时还可以得到大视场高反差的低倍显微像、操作方便、结构紧凑，装有EDS的计算机控制分析电镜也就应运而生。例如，飞利浦公司的CM120

Biotwin电镜配有冷冻试样台和EDS，可以观察分析反差低以及对电子束敏感的生物试样。日本的JEM-1200电镜在中、低放大倍数时都具有良好的反差，适用于材料科学和生命科学研究。目前，这种多用途120kV透射电镜的点分辨本领达0.35nm左右。

8、场发射枪扫描透射电子显微镜

场发射扫描透射电镜STEM是由美国芝加哥大学的A.V.Crewe教授在70年代初期发展起来的。试样后方的两个探测器分别逐点接收未散射的透射电子和全部散射电子。弹性和非弹性散射电子信息都随原子序数而变。环状探测器接收散射角大的弹性散射电子。重原子的弹性散射电子多，如果入射电子束直径小于0.5nm，且试样足够薄，便可得到单个原子像。实际上STEM也已看到了γ-alumina支持膜上的单个Pt和Rh原子。透射电子通过环状探测器中心的小孔，由中心探测器接收，再用能量分析器测出其损失的特征能量，便可进行成分分析。为此，Crewe发展了亮度比一般电子枪高约5个量级的场发射电子枪FEG：曲率半径仅为100nm左右的钨单晶针尖在电场强度高达100MV/cm的作用下，在室温时即可产生场发射电子，把电子束聚焦到0.2—1.0nm而仍有足够大的亮度。英国VG公司在80年代开始生产这种STEM。最近在VGHB5 FEGSTEM上增加了一个电磁四极—八极球差校正器，球差系数由原来的3.5mm减少到0.1mm以下。进一步排除各种不稳定因素后，可望把100kV STEM的暗场像的分辨本领提高到0.1nm。利用加速电压为300kV的VG-HB603U型获得了Cu〈112〉的电子显微像：0.208nm的基本间距和0.127nm的晶格像。期望物镜球差系数减少到0.7mm的400kV仪器能达到更高的分辨本领。这种UHV-STEM仪器相当复杂，难以推广。

9、能量选择电子显微镜

能量选择电镜EF-TEM是一个新的发展方向。在一般透射电镜中，弹性散射电子形成显微像或衍射花样；非弹性散射电子则往往被忽略，而近来已用作电子能量损失谱分析。德国Zeiss-Opton公司在80年代末生产的EM902A型生物电镜，在成像系统中配有电子能量谱仪，选取损失了一定特征能量的电子来成像。其主要优点是：可观察0.5μm的厚试样，对未经染色的生物试样也能看到高反差的显微像，还能获得元素分布像等。目前Leica与Zeiss合并后的LEO公司的EM912 Omega电镜装有Ω-电子能量过滤器，可以滤去形成背底的非弹性散射电子和不需要的其它电子，得到具有一定能量的电子信息，进行能量过滤会聚束衍射和成像，清晰地显示出原来被掩盖的微弱显微和衍射电子花样。该公司在此基础上又发展了200kV的全自动能量选择TEM。JEOL公司也发展了带Ω-电子能量过滤器的JEM2010FEF型电子显微镜，点分辨本领为0.19nm，能量分辨率在100kV和200kV时分别为2.1μm/eV和1.1μm/eV。日立公司也报道了用EF-1000型γ形电子能量谱成像系统，在TEM中观察到了半导体动态随机存取存储器DRAM中厚0.5μm切片的清晰剖面显微像。

美国GATAN公司的电子能量选择成像系统装在投影镜后方，可对电子能量损失谱EELS选择成像。可在几秒钟内实现在线的数据读出、处理、输出、及时了解图像的质量，据此自动调节有关参数，完成自动合轴、自动校正像散和自动聚焦等工作。例如，在400kV的JEM-4000EX电镜上用PEELS得到能量选择原子像，并同时完成EELS化学分析。

透射电镜经过了半个多世纪的发展已接近或达到了由透镜球差和衍射差所决定的0.1—0.2nm的理论分辨本领。人们正在探索进一步消除透镜的各种像差〔20〕，在电子枪后方再增加一个电子单色器，研究新的像差校正法，进一步提高电磁透镜和整个仪器的稳定性；采用并进一步发展高亮度电子源场发射电子枪，X射线谱仪和电子能量选择成像谱仪，慢扫描电荷耦合器件CCD，冷冻低温和环境试样室，纳米量级的会聚束微衍射，原位实时分析，锥状扫描晶体学成像(Conical Scan Crystallography)，全数字控制，图像处理与现代信息传送技术实现远距离操作观察，以及克服试样本身带来的各种限制，透射电镜正面临着一个新的重大突破。

扫描电子显微镜

1、分析扫描电镜和X射线能谱仪

目前，使用最广的常规钨丝阴极扫描电镜的分辨本领已达3.5nm左右，加速电压范围为0.2—30kV。扫描电镜配备X射线能谱仪EDS后发展成分析扫描电镜，不仅比X射线波谱仪WDS分析速度快、灵敏度高、也可进行定性和无标样定量分析。EDS发展十分迅速，已成为仪器的一个重要组成部分，甚至与其融为一体。但是，EDS也存在不足之处，如能量分辨率低，一般为129—155eV,以及Si(Li)晶体需在低温下使用(液氮冷却)等。X射线波谱仪分辨率则高得多，通常为5—10eV，且可在室温下工作。1972年起EDAX公司发展了一种ECON系列无窗口探测器，可满足分析超轻元素时的一些特殊需求，但Si(Li)晶体易受污染。1987年Kevex公司开发了能承受一个大气压力差的ATW超薄窗，避免了上述缺点，可以探测到B，C，N，O等超轻元素，为大量应用创造了条件。目前，美国Kevex公司的Quantifier,Noran公司的Extreme,Link公司的Ultracool,EDAX公司的Sapphire等Si(Li)探测器都属于这种单窗口超轻元素探测器，分辨率为129eV，133eV等，探测范围扩展到了5B—92U。为克服传统Si(Li)探测器需使用液氮冷却带来的不便，1989年Kevex公司推出了可不用液氮的Superdry探测器，Noran公司也生产了用温差电制冷的Freedom探测器(配有小型冷却循环水机)，和压缩机制冷的Cryocooled探测器。这两种探测器必须昼夜24小时通电，适合于无液氮供应的单位。现在使用的大多还是改进的液氮冷却Si(Li)探测器，只需在实际工作时加入液氮冷却，平时不必维持液氮的供给。最近发展起来的高纯锗Ge探测器，不仅提高了分辨率，而且扩大了探测的能量范围(从25keV扩展到100keV)，特别适用于透射电镜：如Link的GEM型的分辨率已优于115eV(MnKα)和65eV(FKα)，Noran的Explorer

Ge探测器，探测范围可达100keV等。1995年中国科学院上海原子核研究所研制成了Si(Li)探测器，能量分辨率为152eV。中国科学院北京科学仪器研制中心也生产了X射线能谱分析系统Finder-1000，硬件借鉴Noran公司的功能电路，配以该公司的探测器，采用Windows操作系统，开发了自己的图形化能谱分析系统程序。

2、X射线波谱仪和电子探针仪

现代SEM大多配置了EDS探测器以进行成分分析。当需低含量、精确定量以及超轻元素分析时，则可再增加1到4道X射线波谱仪WDS。Microspec公司的全聚焦WDX-400，WDX-600型分别配有4块和6块不同的衍射晶体，能检测到5B(4Be)以上的各种元素。该谱仪可以倾斜方式装在扫描电镜试样室上，以便对水平放置的试样进行分析，而不必如垂直谱仪那样需用光学显微镜来精确调整试样离物镜的工作距离。

为满足大量多元素试样的超轻元素，低含量，高速定性、定量常规分析的需求，法国Cameca公司长期生产电子探针仪，SX50和SXmacro型配备4道WDS及1道EDS，物镜内装有同轴光学显微镜可以随时观察分析区域。岛津公司最近生产的计算机控制EPMA-1600型电子探针，可配置2—5道WDS和1道EDS，试样最大尺寸为100mm×100mm×50mm(厚)，二次电子图像分辨率为6nm。JEOL公司也生产了计算机控制的JXA-8800电子探针和JXA-8900系列WD／ED综合显微分析系统—超电子探针，可装5道X射线光谱仪和1道X射线能谱仪，元素分析范围为5B—92U，二次电子图像分辨率为6nm。

Noran公司下属的Peak公司最近发展了一种崭新的APeX全参数X射线光谱仪，与传统的机械联动机构完全不同，由计算机控制6个独立的伺服马达分别调节分光晶体的位置和倾角以及X射线探测器的X、Y坐标和狭缝宽度。配有4块标准的分光晶体可分析5B(4Be)以上的元素。罗兰圆半径随分析元素而变，可分别为170，180，190和200mm，以获得最高的计数率，提高了分析精度和灵活性。Noran公司还推出了称为MAXray的X射线平行束光谱仪，将最新的X光学研究成果——准平行束整体X光透镜置于试样上的X射线发射点和分析晶体之间，提高了接收X射线的立体角，比一般WDS的强度提高了50倍左右。可分析100eV—1.8keV能量范围内的K、L、M线，特别有利于低电压、低束流分析，对Be、B、C、N、O和F的分辨率可高达5—15eV，兼有WDS的高分辨率和EDS的高收集效率。这两种新型X射线光谱仪可望得到广泛的应用。

3、场发射枪扫描电镜和低压扫描电镜

场发射扫描电镜得到了很大的发展〔24〕。日立公司推出了冷场发射枪扫描电镜，Amray公司则生产热场发射枪扫描电镜，不仅提高了常规加速电压时的分辨本领，还显著改善了低压性能。低压扫描电镜LVSEM由于可以提高成像的反差，减少甚至消除试样的充放电现象并减少辐照损伤，因此受到了人们的嘱目。JEOL公司的JSM-6000F型场发射超高分辨SEM的分辨本领在加速电压30kV时达0.6nm，已接近TEM的水平，但试样必须浸没入物镜的强磁场中以减少球差的影响，所以尺寸受到限制，最大为23mm×6mm×3mm(厚)。试样半浸没在物镜磁场中的场发射JSM-6340F型可以观察大试样，加速电压15kV时分辨本领为1.2nm，低压1kV时为2.5nm。这两种SEM由于试样要处在磁场中所以不能观察磁性材料。使用CF校正场小型物镜可观察大试样的场发射JSM-6600F型分辨本领为2.5nm(1kV时为8nm)。日立公司也供应这几类产品如S-5000，S-4500和S-4700型。

4、超大试样室扫描电镜

德国Visitec捷高公司的超大试样室Mira型扫描电镜。被检物的最大尺寸可为直径700mm，高600mm，长1400mm，最大重量可达300公斤，真空室长1400，宽1100和高1200mm。分辨本领4nm，加速电压0.3kV—20kV。是一种新的计算机控制、非破坏性的检查分析测试装置，可用于工业产品的生产，质量管理，微机加工和工艺品的检查研究等。

5、环境扫描电镜

80年代出现的环境扫描电镜ESEM，根据需要试样可处于压力为1—2600Pa不同气氛的高气压低真空环境中，开辟了新的应用领域。与试样室内为10-3Pa的常规高真空SEM不同，所以也可称为低真空扫描电镜LV-SEM。在这种低真空环境中，绝缘试样即使在高加速电压下也不会因出现充、放电现象而无法观察；潮湿的试样则可保持其原来的含水自然状态而不产生形变。因此，ESEM可直接观察塑料、陶瓷、纸张、岩石、泥土，以及疏松而会排放气体的材料和含水的生物试样，无需先喷涂导电层或冷冻干燥处理。1990年美国Electro

Scan公司首先推出了商品ESEM。为了保证试样室内的高气压低真空环境，LV-SEM的真空系统须予以特殊考虑。目前，Amray,Hitachi,JEOL和LEO等公司都有这种产品。试样室为6—270Pa时，JSM—5600LV—SEM的分辨本领已达5.0nm，自动切换到高真空状态后便如常规扫描电镜一样，分辨本领达3.5nm。中国科学院北京科学仪器研制中心与化工冶金研究所合作，发展KYKY-1500高温环境扫描电子显微镜，试样最高温度可达1200℃，最高气压为2600Pa；800℃时分辨率为60nm，观察了室温下的湿玉米淀粉颗粒断面、食盐的结晶粒子，以及在50Pa，900℃时铁矿中的针形Fe\-2O\-3等试样。

6、扫描电声显微镜

80年代初问世的扫描电声显微镜SEAM，采用了一种新的成像方式：其强度受频闪调制的电子束在试样表面扫描，用压电传感器接收试样热、弹性微观性质变化的电声信号，经视频放大后成像。能对试样的亚表面实现非破坏性的剖面成像。可应用于半导体、金属和陶瓷材料，电子器件及生物学等领域。中国科学院北京科学仪器研制中心也发展了这种扫描电声显微镜，空间分辨本领为0.2—0.3μm。最近，中国科学院上海硅酸盐研究所采用数字扫描发生器控制电子束扫描等技术，提高了信噪比，使SEAM的图像质量得到了很大的改进。

7、测长／缺陷检测扫描电镜

SEM不但在科学研究而且在工农业生产中得到了广泛的应用，特别是电子计算机产业的兴起使其得到了很大的发展。目前半导体超大规模集成电路每条线的制造宽度正由0.25μm向0.18μm迈进。作为半导体集成电路生产线上Si片的常规检测工具，美国Amray公司推出了一种缺陷检测3800型DRT扫描电镜，采用了加热到1800K的ZrO/W阴极肖脱基热场发射电子枪，具有良好的低加速电压性能：1kV时分辨本领达4nm，而且电子束流的稳定度优于1%/h、可长期连续工作，对直径为100，125，150，200mm的Si片，每小时可检测100个缺陷。日立公司为了克服以往在室温下工作的冷场发射枪测长扫描电镜(CD-SEM)因需要进行闪烁处理以去除发射尖上所吸附的气体分子而经常中断工作、影响在生产线上应用的缺点，最近也推出了这种ZrO/W阴极热场发射电子枪的S-8000系列CD-SEM。为了克服热场发射比冷场发射枪电子能量分散大的缺点，设计了阻滞场电磁物镜，并改进了二次电子探测器，在加速电压为800V时分辨本领为5nm，可以每小时20片，每片5个检测点的速度连续检测125—200mm直径的Si〔1,28〕。

8、晶体学取向成像扫描电子显微术

SEM的另一个新发展方向是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。1996年美国TSL(TexSemLaboratories,Inc.)公司推出了TSL

OIM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。

9、计算机控制扫描电镜

90年代初，飞利浦公司推出了XL系列扫描电镜。在保持重要功能的同时，减少了操作的复杂性。仪器完全由计算机软件控制操作。许多参量(焦距、像散校正和试样台移动速度等)和调节灵敏度都会根据显微镜的工作状态作自适应变化和耦合，可迅速而准确地改变电镜的主要参数。EDS完全与XL系统实现了一体化。该公司1995年生产了XL40

FEG等场发射扫描电镜。日立，JEOL等也先后推出了计算机控制的扫描电镜。

场发射扫描电镜的分辨本领最高已达到0.6nm，接近了透射电镜的水平，并得到了广泛的应用，但尚不能分辨原子。如何进一步提高扫描电镜的图像质量和分辨本领是人们十分关注的问题。Joy DC指出：由于分辨本领受到试样表面二次电子SE扩散区大小的基本限制，采取适当措施如喷镀一超薄金属层或布洛赫波隧穿效应(Bloch Wave Channeling)等来限制SE扩散区的尺寸，二次电子分辨本领可望达到0.2—0.3nm，并进而观察原子像。现代SEM电子束探针的半高宽FWHM已达0.3nm，场发射电子枪也已具有足够高的亮度。因此在电子光学方面目前并不构成对SE分辨本领的基本限制。然而，对SEM的机械设计如试样台的漂移和震动等尚未给予足够的、如对扫描隧道显微镜那样的重视、二次电子探测器的信噪比和反差还不够理想，也影响了分辨本领。此外，SE分辨本领的定义和测定方法，SEM图像处理等也不如透射电子显微镜那么严格和完善。这些问题的解决必将进一步提高SEM的图像质量和分辨本领。

参考文献

〔1〕 金鹤鸣，姜新力，姚骏恩.中国电子显微分析仪器市场.见：分析仪器市场调查与分析.北京：海洋出版社，1998.第四章.p113—152.(待出版).

〔2〕 姚骏恩.创造探索微观世界的有力工具(今年诺贝尔奖物理学奖获得者的贡献).中国科技报，1986-12-08(3).

〔3〕 姚骏恩.电子显微镜的最近进展.电子显微学报，1982，1(1)∶1—9.

〔4〕 郭可信.晶体电子显微学与诺贝尔奖.电子显微学报，1983，2(2)∶1—5.

一、内容概述

电子探针（EPMA）是用极细的电子束对样品表面进行照射产生特征性X射线，对特征性X射线进行分光和强度测定，得到微小区域的元素组成及样品表面元素浓度分布的分析装置。EPMA 采用波长色散型X 射线分光器（WDS），与能量色散型X 射线分光器（EDS）相比，具有高分辨率的特点。因此，EPMA 与扫描型电子显微镜（SEM）配置EDS检测器比较，可以进行更高精度和更高灵敏度的分析。电子探针应用更多和更有效益的是资源评价和综合利用。

二、应用范围及应用实例

（一）EPMA-1720/1720 H型电子探针

日本岛津公司在19世纪60年代开发出世界首台电子探针“MOSRA”；2009年，推出最新型电子探针EPMA-1720/1720H，分析元素范围4Be—92U，X射线分光器数2～5道，X射线取出角为52.5°，罗兰圆半径为4in（101.6mm），二次电子分辨率分别为6nm（EPMA-1720）和5nm（EPMA-1720H）。

（二）CAMECA场发射电子探针SXFiveFE定量分析辉石矿物及其谱图分析

基于WDS的CAMECA电子探针是唯一实现主量和痕量元素精确定量分析的仪器。场发射源的引入，优化了低电压和高电流，在微区定量分析中，可实现最小的激活体积和尽可能高的空间分辨率。优化的真空系统提供更优的检出能力，对于轻元素有重要意义。可提供无与伦比的显微定量和超高空间分辨率的X射线成像能力。在10 kV、100 nA的实验条件下，使用SXFive的LaB6阴极，可得到0.5μm的分析分辨率，使在微小的区域内测量含量小于0.01%的痕量元素成为可能，并能得到良好的统计精度。

由于CAMECA波谱仪的独特设计，15 s内即可扫描完整个谱仪，同时完成数据采集。SXFive可以配置一个能谱（EDS）用于快速矿产/相鉴别，或配置波谱仪（WDS）用于定量和成像模式。如果配置EDS/WDS可实现高通量产率，用EDS测得主量元素，用WDS测得痕量元素。

首先通过该仪器可以获得斜方辉石内的单斜辉石出溶片晶的X荧光谱图（图1），该片晶只有几百纳米宽。随后利用8kV、20nA的聚焦电子束定量分析了单斜辉石（Cpx）和斜方辉石（Opx）（表1）。

（三）CAMECA场发射电子探针分析石榴子石中的微量和痕量元素

实验给出了300 nA条件下，石榴子石中一个锆石包裹体中的U、Y、Hf的X荧光谱图（图2，图3），显示主要火成岩核心和变质增生。为了在极低浓度下准确获得各元素的分布情况，峰值和背景强度已被映射，然后减去像素-像素。为了取得更好的精度，U的Mβ数为多台光谱仪同时测量的叠加数据。

图1 单斜辉石出溶片晶的X荧光谱图

表1 单斜辉石（Cpx）和斜方辉石（Opx）的定量分析结果

图2 石榴子石中一个锆石包裹体的背散射电子图像（BSE）

（四）CAMECA场发射电子探针分析Fe-Ti氧化物

用该法获得了交代橄榄岩捕虏岩中一个复合铁钛氧化物晶的高空间分辨率X荧光谱图（图4），发现钛铁矿上面长满了原始的含铌金红石，被钛铁矿部分取代，后期形成铁氧化物边缘。Fe和Ti剖面图上沿着红色覆盖线的X荧光强度证明横向分辨率为300 nm（图5）。

（五）独居石中微量元素的成带现象

用该法分析了独居石晶体中Y和Th的分布情况（图6）：Y为0.4% ～1%，Th 达0.7%。整个晶体的分析条件为CAMECA EPMA 2554＋/-8m.y.，较薄的垂向裂隙充填物的分析条件为1837＋/-5 m.y.。

图3 锆石包裹体中的U、Y、Hf的X荧光谱图

图4 复合铁钛氧化物晶的高空间分辨率X 荧光谱图

图5 Fe和Ti剖面图

（样品由F.kalfoun，D.Lonov，C.Merlet提供）

图6 独居石晶体中Y和Th的分布情况

三、资料来源

www.cameca.com.The Fifth Generation Electron Probe—X⁃ray Spectrometr⁃ray Spectrometry Chemical Microanalysis Quantitative Mapping

电子显微镜技术发展综述

摘要：本文论述了电子显微镜的发展现状及历史，介绍了目前较为先进的数种电子显微镜的结构、原理以及其在生物学领域的应用情况，并对其在组织学研究中的应用进行探讨。 关键词：电子显微镜；组织学研究 引言：显微技术是一门对于物质微小区域进行化学成分分析、显微形貌观察、微观结构测定的一门专门的显微分析技术。20世纪30年代，透射电子显微镜（TEM）的发明标志着电子显微技术的诞生，人们可以进一步地研究物质的超微结构。电子显微技术在普通光学显微技术基础上进一步拓宽了人们的观测视野，在各个领域发挥了重要的作用，被广泛应用于科学领域。在生物学研究领域，电子显微技术推进了组织学，细胞生物学，分子生物学等学科的发展，因而具有不可替代的崇高地位。

一、电子显微镜技术

1.1电子显微镜的定义与组成 电子显微镜，简称电镜，是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，使物质的细微结构在非常高的放大倍数下成像的仪器[1]电子显微镜由镜筒、真空装置和电源柜三部分组成。镜筒主要有电子源、电子透镜、样品架、荧光屏和探测器等部件，这些部件通常是自上而下地装配成一个柱体。①电子透镜：用来聚焦电子，是电子显微镜镜筒中最重要的部件。一般使用的是磁透镜，有时也有使用静电透镜的。它用一个对称于镜筒轴线的空间电场或磁场使电子轨迹向轴线弯曲形成聚焦，其作用与光学显微镜中的光学透镜（凸透镜）使光束聚焦的作用是一样的，所以称为电子透镜。光学透镜的焦点是固定的，而电子透镜的焦点可以被调节，因此电子显微镜不象光学显微镜那样有可以移动的透镜系统。现代电子显微镜大多采用电磁透镜，由很稳定的直流励磁电流通过带极靴的线圈产生的强磁场使电子聚焦。②电子源：是一个释放自由电子的阴极，栅极，一个环状加速电子的阳极构成的。阴极和阳极之间的电压差必须非常高，一般在数千伏到3百万伏之间。它能发射并形成速度均匀的电子束，所以加速电压的稳定度要求不低于万分之一。③样品架：样品可以稳定地放在样品架上。此外往往还有可以用来改变样品（如移动、转动、加热、降温、拉长等）的装置。④探测器：用来收集电子的信号或次级信号。

1.2基本原理 不同类型的电子显微镜成像原理各有差异，但均是利用电磁场来偏转、聚焦电子束，再依据电子与物质作用的原理来研究物质的构造。其中透射式电子显微镜产生的电子束经聚光镜会聚后均匀照射到试样上的待观察区域，入射电子与试样物质相互作用，由于试样很薄，绝大部分电子穿透试样，其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应。投射出试样的电子经三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上，荧光屏将电子强度分布转化为人眼可见的光强分布，于是在荧光屏上显出与试样形貌、组织、结构相应的图像。扫描电子显微镜（SEM）是聚焦电子束在线圈驱动下对试样表面逐点栅网式扫描成像，成像信号为二次电子、背散射电子或吸收电子。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经处理后得到反应试样表面形貌的二次电子像。背散射电子成像反映样品的元素分布，及不同相成分区域的轮廓。此外由于电子的德布罗意波长较短，分辨率比光学显微镜高的很多，可以达到0.1～0.2nm，放大倍数从几万到百万倍。

1.3技术发展史 世界上第一台电子显微镜（透射式电子显微镜（TEM））由德国科学家Ruska和Knoll于1931年研制成功。二战后，Ruska继续对TEM进行研究改进，并制造出了放大倍数在10万倍以上的显微镜，并因此获得了诺贝尔物理学奖。在TEM的基础上，英国工程师Charles于1952年发明了世界上第一台扫描电子显微镜（SEM）。扫描电镜主要是针对具有高低差较大、粗糙不平的厚块试样进行观察，因而在设计上突出了景深效果，一般用来分析断口以及未经人工处理的自然表面；而透射电镜则突出的是高分辨率，使用透射电镜观察样品能获得高分辨率的超微结构图像，在材料科学和生物学上应用较多，同时也是病理学上的诊断工具，该技术的关键是超薄切片的制备。在这以后场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、场离子显微镜（FIM）、低能电子衍射（LEED）、俄歇谱仪（AES）、光电子能谱（ESCA）等相继诞生，在各科学领域的研究中起重要作用。 1981年G．Binnig和H．Rohrer成功研制了世界上第一台扫描隧道显微镜（STM），并因此获得诺贝尔物理奖．它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际科学界公认为80年代世界十大科技成就之一。扫描隧道显微镜(STM)是利用导体针尖与样品之间的隧道电流，并用精密压电晶体控制导体针尖沿样品表面扫描，从而能以原子尺度记录样品表面形貌的新型仪器．其分辨率已达到1nm～2nm，用它可研究各种金属、半导体和生物样品的表面形貌，也可研究表面沉积、表面原子扩散、表面粒子的成核和生长，吸附和脱附等。 在STM出现以后，又陆续发展了一系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显微镜（AFM）、横向力显微镜（LFM）等，这类基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。扫描探针显微镜是纳米测量学、纳米表征与测量方法中最重要最基本的手段。它能以原子级的探针和被测样品表面作为工作的主要元件，在X和y两个方向上完成探针与样品之间的扫描，同时在Z方向的升降来模拟样品表面的起伏。用探针与样品间的相互作用所产生的物理量的数值随样品表面起伏的变化来达到观察样品表面形貌的目的。这种仪器分辨率高，横向分辨率可达0．1nm，纵向分辨率可达0．01nm，可以直接观察测定样品的三维图像，可以在大气、真空甚至液体中，在高温或低温下进行观测。检测时可以不与样品接触，故不会损伤样品，也不需要电子束照射，因而不会对样品造成辐射损伤。

二、我国电子显微镜技术的发展 1958年，我国成功地研制了第一台电子显微镜，1988年中国科学院白春礼和 姚俊恩研制出了我国的第一台STM。[2] 2000年,中国电子显微镜学会统计中国大陆保有量不到2000台,中国加入WTO后,经济大发展,科研教育以及产业构都在升级目前，我国电子显微镜市场每年以近百套的数量在增长，可以预期，在未来数年内中国电子显微镜市场容量将居世界首位。 中国市场的电子显微镜，日本电子的市场占有率超过50%，排在首位。紧随其后的是FEI（原飞利浦电镜部）、日本日立（天美代理）、德国Carl Zeiss（原德国LEO）和日本岛津。而在国产厂家方面，主要是中科科仪、南京江南光电和上海电子光学技术研究所，产品主要集中在低端的扫描电子显微镜市场。就市场总体情况而言，国产电镜国内市场占有率不足10%。由此可见我国国产电子显微镜还有较大幅度的提升空间。从种类上看扫描电镜占目前中国电子显微镜总保有量的63.61%，透射电镜则为36.39%，可见扫描电镜在我国有着更为广泛的用户基础。[3]

三、电子显微镜技术的未来发展趋势

3.1远程电子显微镜技术 自上世纪九十年代以来，随着计算机技术和网络技术的发展，远程电子显微镜逐渐出现，它可以将实验室现场获得的实时信息展现给远端用户，使其可以通过互联网实时观看样品图像，并远程操作仪器来完成实验。[4] 远程电子显微镜技术的关键在于图像的采集、压缩和传输。在图像采集方面，现在的电子显微镜已经有了长足的进步。老式的电子显微镜多采用数码相机和视频采集卡来采集图像，新式电子显微镜多采用VGA采集卡进行图像采集并已成为未来发展趋势。此外运用软件来采集图像的新方式也逐渐出现。早期，图像的压缩使用的是JPEG图像压缩法，即远端用户所见的是一系列独立的静态样品图像。现在，随着技术的发展，MPEG4和H.264等视频压缩算法被逐渐运用到了样品图像的压缩。现在，样品图像的传输主要通过TCP协议和UDP协议，但其占用带宽过大，传输效果并不理想。为了改善传输性能，专门的数据传输系统“金字塔”式网络传输模型以及专有传输网络正在研究之中，同时这也是现阶段远程电子显微镜的改进方向。 1990年，Carl Zmola等人实现了对SEM的样品图像网络传输，首次建立了远程电镜的样品图像实时传输系统。随后，美国各大学相继建立了各自的SEM远程系统。样品传输的效能也有了长足进步，最初，在800Mb的光纤网络中，样品图像的传输效能是每17秒传送1帧。到了2000年，在1~2Mb的网络中，样品图像的传输可以达到每秒传送5帧。在技术上尚有很大程度的提升空间。 在中国，尽管各大院校及研究机构中有数千台电子显微镜，但仍不能满足日益增长的应用需求，因此远程电子显微镜技术的研究对于中国是很有应用价值的。

3.2低温电子显微镜技术 低温电子显微镜技术是应用冷冻(物理)方法制备生物样品并进行观察的技术，因而在生物学组织学中的应用较为广泛。与常规电镜技术(化学方法)相比较，其可最大程度地维持样品在生活时的生理状态，可运用于生物大分子的动态过程研究以及细胞核组织的三维结构分析。

3.3低温电镜下的三维重构技术 电子显微镜的三维成像技术是电子显微和计算机完美结合的产物，它利用电子显微镜收集样品的二维投影图像，经过计算机处理重构出样品的三维空间结构。三维成像技术在生物学领域的应用十分广泛，尤其体现在对蛋白质的三维结构分析上。早期的三维成像技术主要使用重金属盐溶液对样品进行染

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