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扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱——安徽大学林中清32载经验谈(2)

仪器信息网 2019/11/26 14:26:38 点击 1996 次
行业专家采访
[导读] 剖析扫描电镜的工作原理、结构组成、放大倍数、分辨率,就目前存在的对扫描电镜放大倍率和分辨率的认识误区做一个详细探讨。

【作者按】看得更远、观察得更微小是人类探索宇宙的两个面向。人眼的理论分辨极限是50微米(教科书的观点是明视距离25cm处,可分辨100微米),要想观察得更微小就需要借助显微镜。

显微镜的组成:光源、透镜系统以及信号接收及处理系统。光源提供一个激发样品信号的激发源(可见光、电子束),透镜系统是对该激发源以及激发样品信息的过程进行操控,信号接收、处理系统主要是对样品被激发的信息进行接收、处理形成样品放大图像。电子显微镜还可进行区域的元素及晶体结构、取向分析。

显微镜依据光源和透镜的类型分为:光学显微镜和电子显微镜:

光学显微镜是以可见光为光源,采用光学玻璃透镜系统,接收及信号处理系统为人眼或一些光学探头及配套的专用软件。

电子显微镜基本组成:三极电子枪产生的高能电子束形成光源,采用电磁透镜系统对电子束进行操控(会聚、发散、放大、缩小),信号接收、处理系统采用的是荧光屏或各类探头及配套的专用软件。 

显微镜的成像方式主要有两类:散射束(电子显微镜是平行束)成像和会聚束成像。

散射束(平行束)成像:

散射束(平行束)成像是最早期的一种成像方式。绝大部分光学显微镜以及早期透射电镜都采用这种成像模式。上世纪70年代透射电镜增加了会聚束成像模式(STEM),使分辨率达到原子级。

散射束成像模式是将一束散射光(电子显微镜采用平行光)打在样品上产生含有样品特征的透射光或反射光(体视镜),由透镜系统对其进行会聚、放大、成像。

透射电镜的成像模式类似于幻灯机。           

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱.jpg透射电镜的成像模式,节选自章效峰《显微传》

散射束成像模式的成像速度快(一次同步成像),有利于显微系统的原位动态观察,但分辨能力不如会聚束成像模式。因此目前在透射电镜超高分辨观察中,获取高分辨原子像常采用聚光镜球差校正的会聚束成像模式(STEM),高分辨原位操控及动态观察常采用物镜球差校正的散射束(平行光)成像方式。

会聚束成像:

该模式主要在电子显微镜中应用,因此以电子显微镜为例。

会聚束成像是将电子束会聚成极细的电子探针。该探针由交变磁场(扫描线圈)拖动,在样品上来回扫描,激发样品各点信息,被专用探头接收、处理形成样品放大的图像。

扫描电镜采用的正是会聚束成像模式。该模式具有较高的分辨能力,但是成像时间较长,容易形成热损伤。

下面就扫描电镜结构组成及工作原理、放大倍数、分辨率这三部分内容进行较为详细的探讨。

一、扫描电镜的结构及工作原理

 1.1扫描电镜的结构组成如下图:

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱2.png

1.2结构及功能简介

整机分为:镜筒部分以及电气部分

1.2.1镜筒部分:

(1)光源:

三极电子枪:产生高能电子束。热发射的束斑直径小于50um,场发射束斑直径小于10nm。

(2)透镜系统:

聚光镜:会聚电子枪产生的电子束。

物镜:会聚电子束并将其会聚在样品表面。

扫描线圈:产生交变磁场拖动电子束在样品表面扫描

消像散线圈:消除因镜筒精度原因造成磁场不均匀而产生电子束强度的各向差异。将椭圆斑校成圆斑。

极靴:引导、改善磁流体。形成高强度、均匀、封闭的磁场。

(3)真空系统:各类机械泵。给电镜提供工作所需的真空环境。

1.2.2电气部分:

(1)工作电源:对应镜筒各部件(电子枪、各类透镜及真空泵)

(2)信号接收及处理:探头、信号放大、信号处理、显示器

(3)功能:给镜筒各个部件提供工作电源,接收、处理样品产生的特征信息。

1.3工作原理

三极电子枪产生高能电子束,经聚光镜系统会聚后,由物镜将其会聚于样品表面,形成电子探针。该电子探针将激发样品表面的各类信息。其中背散射电子、二次电子以及特征X射线是扫描电镜成像以及进行各种分析(元素分布及含量、晶体取向、应力等)的主要信号源。

这些样品信息由各类探头接收,经各种专门软件分析形成样品的形貌像、成分像并进行区域元素定性、半定量、特殊样品的区域定量分析,也可对晶体样品进行区域的结构、取向、应力等分析。

电子束固定不动,只可获得某点的信息,想获取样品整个表面信息就必须利用扫描线圈产生的交变磁场拖动电子束在样品表面来回扫描,将样品各点信息激发出来,形成样品的整体信息进行分析处理,完成扫描电镜分析的整个工作过程。

二、扫描电镜的放大倍数

放大倍数是扫描电镜的重要指标之一。

各种显微系统由于工作原理不同,计算放大倍数的方式也不同。但是相同点都是“原始图像的大小”除以“物体的大小”。

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱3.png

扫描电镜放大倍数的调整方式是:图像尺寸保持不变,通过改变加载在镜筒扫描线圈上的锯齿波信号幅度来调整电子束在样品上的扫描范围,从而改变扫描电镜的放大倍数。

早期的扫描电镜图像尺寸约定俗成为5英寸相片的长: 即2.54x5=12.7cm。但是冷场电子枪(日本人专利)的出现,欧美电镜厂商开始将计算放大倍数的图像尺寸加大,出现了几种不同的放大倍数计算方式:图像放大、屏幕放大。

图像放大倍数(欧美厂家又称为“宝丽来放大”):采用12.7cm边长的图像尺寸来计算放大倍数。

屏幕放大倍数:采用成像的屏幕尺寸来计算放大倍数,这个值非常混乱,早期是30cm近来出现27cm等几种不同尺寸。

这使得同一个样品、同一个位置、同样的放大倍数出现不同大小的图像。想获得统一的结果必须进行转换,要转换就必须先确定图像属于那种放大模式。

确定图像放大模式的方式如下:

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱4.png

屏幕放大和图像放大的转换方式如下:

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱5.png      

左图图像放大,右图屏幕放大。从图像上看,同样的样品,左图7万倍的图像比右图15万倍的图像都大。两者的等效结果如何?首先要明确这是由那种模式等效到那种模式。

如果图像放大等效屏幕放大(300mm),则做如下计算:

屏幕尺寸 ÷ 图像尺寸放大倍数,即300÷127×7=16.5万倍。

结果就是图像放大7万倍等效于屏幕放大(300mm)的16.5万倍。

  欧美厂家的特朗普式退群做法给我们正确分析扫描电镜的测试结果制造了麻烦。统一放大倍数的性质将方便我们将各不同厂家扫描电镜形貌图像对应起来。掌握正确的转换方式,才能正确读取扫描电镜的图像信息,避免由于放大倍数特性不一致引起的图像假象。

三、分辨率

电镜分辨率定义为:仪器所能分辨的两点间最小距离。

一直以来,分辨率被认为是显微系统最关键的性能指标,没有之一。但是扫描电镜分辨率指标由于缺乏令人信服的标样来验证,所以它又是一个最不可靠的指标。各厂家可以在这个指标上随意的发挥(现在都写到0.6nm),因为我们没有标样来验证它的正确或不正确。

金颗粒标样一直都被认为是验证扫描电镜分辨率的不二选择,但是它符合标样的要求吗?

标样必须满足的三要素:

(1)明确的细节标示。样品中要有被明确标示尺寸的细节,或者样品有极为规律的结构且标明尺寸(例如:光栅等)。

(2)稳定的性能。样品必须稳定,不能今天这样,明天那样。

(3)可溯源。标样都有可以被追溯的源头,并被权威机构所验证。

金颗粒标样是一条都不满足,如何成为标样呢?

目前流传着一个计算分辨率的软件,被某些厂家所推崇。但我认为即便它的计算方法极其科学且被大家所认可(其实被质疑点很多),那也是针对图像灰度差来计算,这个灰度差是否表示该处存在样品的细节信息?这是无法给出。就如空中楼阁般,虽然构造很完美,但没有根基,所以问题多多。

接下来我们看看那些小于1nm的扫描电镜分辨率指标是否可靠。我们知道扫描电镜分辨率指的是:仪器所能分辨的样品最小细节,因此分辨率的影响因素应当归结到样品信号溢出范围及溢出量、样品仓环境和接收系统的能力。

即便只考虑样品信号溢出范围及溢出量。影响因素也由两部分组成:激发源、样品本身的性质。

激发源考量的是电子束面积、强度、能量、会聚角,这些归结为电子束的发射亮度【β'=电子束流强度(I)/(电子束面积*会聚角)】和加速电压。

样品本身性质考量的是:形态(晶态、非晶态)、平均原子序数、密度等等。

如果按传统观点只考虑电子束面积,分辨率又是多少呢?

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱6.jpg

上图是一张经典的束流和束斑对照图。我们可以看到扫描电镜的电子束最小束斑直径是:冷场电子枪(产生最小电子束斑),在加速电压30KV、束流1pA时电子束直径为1.2nm左右。按照传统观念,扫描电镜的分辨率不可能优于1.2nm,考虑二次电子信号溢出呈高斯分布,那么分辨率最多能到1nm左右。低于1nm基本无法想象。  

现实测试中我所观察到的最好分辨率是十二面体ZIF-8的微孔,1.5nm左右。该细节被BET(氮气吸附脱附等温曲线)法证明存在。

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱7.png

图中可以看到在十二面体上有许多小孔按照红箭头所示方向排列,用仪器自带测量软件测量孔的直径大致在1.5nm以下。

上面分析了,扫描电镜分辨率指标是一个无法被验证的不可靠指标,那么那个指标能充分反映扫描电镜分辨力?

电子枪的本征亮度,量纲为:A/cm2.sr.kv

扫描电镜放大倍数和分辨率背后的陷阱8.jpg

(注:图片截自国外资料,图中"工作真空"后的单位精确地说应为mbar,10-10mbar=10-8Pa)

电子枪本征亮度反映的是电子源品质,它随电子枪的构成而固定。各类电子枪都有其明确的被检测值,因此其量化也是十分明确的。

本征亮度大有利于我们充分选择测试条件获得更多的样品信息。图像细节更丰富,分辨能力也更强大。当然任何因素的改变都将符合辩证法的规律,其影响是正、负两个方面。本征亮度的负面影响主要来自样品热损伤,但也有一个度。冷场电子枪的热损伤是次要因素,它带来的高分辨结果却是主要因素。

我对扫描电镜的认识及所形成的理论,是以我对实际操作中的经验总结为基础。与很多传统的理念有背离,不足之处希望大家能指出探讨。百花齐放、百家争鸣将帮助我们更全面的认识事物。 

参考书籍:

《扫描电镜与能谱仪分析技术》张大同2009年2月1日.华南理工出版社

《微分析物理及其应用》 丁泽军等    2009年1月.中科大出版社

《自然辩证法》  恩格斯  于光远等译 1984年10月.人民出版社 

《显微传》  章效峰 2015年10月.清华大学出版社

作者简介:

林中清.jpg林中清,87年入职安徽大学现代实验技术中心从事扫描电镜管理及测试工作。32年的电镜知识及操作经验的积累,渐渐凝结成其对扫描电镜全新的认识和理论,使其获得与众不同的完美测试结果和疑难样品应对方案,在同行中拥有很高的声望。2011年在利用PHOTOSHIOP 对扫描电镜图片进行伪彩处理方面的突破,其电镜显微摄影作品分别被《中国卫生影像》、《科学画报》、《中国国家地理》等杂志所收录、在全国性的显微摄影大赛中多次获奖。   

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