SEM系列ZT｜优化扫描电镜的景深

       提到扫描电子显微镜（SEM）的“景深”，可以用摄影来做类比，两者都可以获得高清图片，也都要确定需要聚焦的位置。

       拍照时，您感兴趣的物体应该总是处于焦点位置，并且尽可能清晰。从艺术的角度来说，聚焦可以将摄影师的关注点传达给观察者，而在实际应用中，聚焦良好的图片可以展示大量细节信息。

       但是待拍摄物体中有多大部分是真正处于聚焦状态，这部分占比又是如何调控的呢？对焦状态的图像部分始终是一个平面，这意味着我们只能对wan美的平面进行成像。幸运的是，只要物体中的各部分“足够接近”焦平面，我们的大脑就可以处理，这部分称为景深。

       影响景深的参数有几个，调整这些参数可以使图片中包含的信息变多或变少，其中，光阑直径和聚焦装置(摄像头和扫描电镜镜筒)至关重要。

       物体与成像设备之间的距离也是极其重要的因素。

• 通常，物体越远，景深越大，更多物体变得足够清晰，使得大脑能够处理和区分；

• 物体越近，景深越小，清晰度或分辨率会提高，可以看到物体太远时看不到的细节。

不同景深下的两张照片

（左图）花儿特写镜头-近距离拍摄，背景变得模糊。

（右图）风景照-远距离拍摄，景深从几厘米增加到几公里。

电子显微镜是如何聚焦的

       电子显微镜中，焦点是指入射电子束圆锥直径Z小时的位置。。电子源发出电子束，镜筒内的电磁透镜和末端光阑约束电子束并决定Z小束斑尺寸。

       当电子束直径接近Z小值时，分辨率提高。通常达到特定和Z优“工作距离”-(镜筒底部和样品之间的距离)时，可取得该值。

       焦平面是指电子束直径Z小处对应的水平面。电子束对焦时，所有处于焦平面的特征物都将非常清晰。校正焦点意味着改变焦平面高度，焦平面上下的所有特征将会逐渐模糊，直到无法识别。

工作距离如何影响景深

       景深是指工作距离的一定范围，在该范围内，图像的清晰度可以接受。理想的工作距离将在聚焦后呈现Z佳分辨率。

       然而，有些情况下，例如，在观察较高样品时，分辨率变得不太重要，反而景深对结果的影响更大。对昆虫进行成像时，关键是要让画面中的所有特征都清晰可辨，比如它的腿和头。对电子线路连接成像也是如此，完整观察样品需要在同一图像中聚焦整个电线和电路板。在这种情况下，较长的工作距离有助于获得更大的景深，得到更多细节清晰可见的图像。

       电子镜筒、电子束和焦平面图示。(左图)工作距离越长，α角越小，远离焦平面不会使图像变得太模糊。(右图)工作距离缩短, β角变大，远离焦平面使得电子束直径不断增大，因此图像变得更加模糊。反之，焦平面上的电子束直径越小，图像分辨率越高。

       样品越靠近镜筒，电子束角度越大。这意味着与焦平面的微小偏差将导致电子束直径不断增大，从而使得图像更加模糊。

       反之，样品距离镜筒越远，电子束角度越小，与焦平面高度的偏差所导致的电子束直径变化也就越小，因此，可以清晰地观察到不同高度处的所有特征物。

       通常，扫描电子显微镜的景深可以从几微米增加到几毫米，通过调整景深，可以对需要ZD关注的特征进行深入观察，获得高质量的图像从而取得Z佳的分析结果。

       如您希望了解更多有关扫描电镜的信息，请填写表单与专家交谈。（填写地址：https://www.thermofisher.com/cn/zh/home/global/forms/questionnaire-2017-form-cn.html?cid=cn-ebz-soc-wec-camp-wechat2018-aMSD-pc-mkt-05282018）

从寻找食品污染物到识别机器故障，再到预测飞机零件的腐蚀方式，能谱分析（EDX或EDS）是当今材料科学家广泛采用的技术。与扫描电子显微镜（SEM）一起使用时，EDX探测器可以提供更多样品信息。

使用EDX，研究人员可以快速得到有关样品化学成分的信息，包括元素构成、分布及浓度。

但是EDX到底是如何工作的

利用扫描电子显微镜，各种信号可以提供给定样品的不同信息。

例如

背散射电子生成衬度图像，显示出原子序数差异。而二次电子则提供样品的表面形貌信息。当扫描电子显微镜与EDX探测器结合使用时，X射线也可以用作产生化学信息的信号。

为了更好地理解X射线的产生原理，我们要清楚，每个原子都拥有特定数量的电子，且电子处于特定的能级。正常情况下，电子在特定的轨道上运行且具有不同的、分立的能量。

EDX分析原理

电子束轰击原子内层，激发出基态原子的内壳电子，在内层留下带正电的电子空穴。内层电子离开原子后，处于较高能级的外层电子会填充这些低能级的空穴，多余能量可能会以 X 射线形式放出，而这种X 射线的能量分布可以反映特定元素和跃迁特征。

X射线生成过程：

（1）能量传递给原子中的电子，使其离开原子留下空穴；

（2）较高能级的外层电子填充空穴并释放出特性X射线。

此种X射线可以用硅漂移探测器收集，并结合软件对其进行测量和解释。化学信息可以通过元素面分布和线扫描等多种方式实现可视化。这样，利用X射线也就可以识别样品中的各种元素。

有趣的是，EDX还可用于定性和定量分析，也就是识别样品的元素类型以及每种元素的浓度百分比。与传统扫描电子显微镜一样，EDX 技术几乎不需要样品制备，并且无损，不会损坏样品。

EDX分析以其多种优势，已在制造业、研究领域、能源资源管理、快消品等多个行业得到广泛应用。EDX 已经成为扫描电子显微镜的重要部分，利用扫描电子显微镜进行EDX分析，研究人员既可以提高分析结果质量，同时又能节省宝贵的时间。

扫描电镜（SEM）用途广泛，几乎不需要样品制备就可提供各种样品的纳米级信息。然而有时候，必须先对样品进行溅射镀膜才能使用扫描电镜获取高质量图像。

扫描电镜可以对各种样品成像，例如陶瓷、金属、合金、半导体、高分子以及生物样品等。然而，有些类型的样品并没那么容易成像，需要额外进行样品制备以获得高质量图像，包括给样品镀上一层约10纳米(nm)厚的导电材料，如金、银、铂或铬。

何时需要溅射镀膜

镀膜材料的高导电性可以提高扫描电镜成像信噪比，使成像质量更高。需要溅射镀膜才能观察的样品通常对电子束敏感，不可导电。

束敏感样品

主要指生物样品，还包括塑料材料等其他类别。扫描电镜电子束能量很高，与样品相互作用时，部分能量主要以热能的形式作用在样品上。如果样品是由对电子束敏感的材料制成，那么这种相互作用会破坏部分甚至整个样品结构。在这种情况下，使用非电子束敏感材料进行溅射镀膜可以起到保护层作用，防止样品受损。

不导电材料

因其不导电的特性，其表面起到了电子陷阱的作用，导致电子在样品表面积聚，也就是“荷电”现象，因此在样品表面形成极白的区域，影响成像效果。使用溅射镀膜技术，将导电材料作为导电通道，可移除表面积聚的电子。

（左图）不导电样品上的荷电效应

（右图）该样品表面溅射10nm金膜后的背散射电子图像

溅射镀膜的缺点

样品的溅射镀膜也存在一些弊端。首先，需要额外的时间和精力来确定Z佳镀膜参数。Z重要的是，镀膜后样品表面不再是原始材料，而是镀膜材料，因此会丢失原子序数衬度信息。在某些极端情况下，该技术可能会造成样品表面形貌失真或呈现虚假成分信息。

然而大多数情况下，只要谨慎选择镀膜参数，就能避免这些问题，获得清晰高质的图像。

溅射镀膜使用材料

在过去，Z常用的溅射镀膜材料是金，因其导电率高、晶粒尺寸相对较小，利于形成高分辨率图像。进行能谱分析时，扫描电镜用户通常会对样品镀碳，因为碳的X射线峰值不会与其他元素的峰值发生冲突。

如今，钨、铱、铬等镀膜材料因粒度更细，可以满足超高分辨率成像要求，而铂、钯、银等镀膜材料则具有可逆性的优点。

为了获得扫描电镜的Z佳成像，某些类型的样品需要额外进行样品制备。处理束敏感样品和不导电样品时，溅射镀膜技术有利于获得高质量的扫描电镜图像。

扫描电镜作为一种基础显微成像工具，因具有超高的放大能力，从而被高校、科研院所、材料研发和质量分析部门广泛用于研发、生产过程。

相比于光学放大器件，扫描电子显微镜使用电子束进行成像，放大、分辨能力比光学显微镜有非常大的提升。

图1 金相样品光学显微镜图像（左）和扫描电镜图像（右）

景深是一种普适用于所有的光学成像仪器的概念。所谓景深，就是照片中清晰图像的范围，景深越大，我们看到的视野中清晰的范围就越大，或称景深分辨能力强；反之，景深越小（浅），视野范围中能够清晰的范围越狭小，成像器材的景深分辨能力越弱（图2）。

图2 小景深和大景深

光学元件中，只有一个参数会直接影响景深分辨能力，那就是光束的收敛角的大或小。光束到达焦点后，收敛角越小，其得到的景深越深，例如在照相机中，光圈直径的减小会直接将收敛角减小，景深则越深（如图3）。

图3 照相机中光圈对景深的影响示意图

与光学显微镜相比，扫描电镜的成像介质（电子束）的汇聚性非常好，因此到达样品表面的电子束收敛角通常非常小，因而电镜的景深分辨能力往往比光学显微镜强（图4）。

图4 扫描电镜（右）明显比光学显微镜（左）具有更好的景深分辨能力

但是，我们也同样需要明确，扫描电镜的景深分辨能力并非无限大。在遇到一些极其特殊的样品时，比如几乎垂直放置的多层膜材料（图5），即使是扫描电镜也难以表现其全部细节。

图5 近乎垂直放置的多层膜材料截面

Phenom飞纳电镜为了应对这一问题，开发了du有的超景深成像模式。在该模式下，扫描电镜可以根据样品景深进行全视野扫描，并自动计算视野所有位置上可以获得最清晰图像的工作距离，随后连续自动曝光，ZZ得到理论景深无限制的扫描电镜图像。图 6 展示了超景深模式开启前和开启后的图像对比。

图6 超景深模式开启前后效果对比

超景深图像可以满足大景深成像的应用场景，比如金属、水泥等材质的拉伸断口这类纵深较大的样品成像及分析（图7），获得超景深图像可以使我们轻松看到此类样品的全部细节。

图7 超景深使用场景（左：复杂形状截面；右：多种材料拉伸断口）