环境扫描电子显微镜的原理及应用摘要：本文简单介绍了构成环境扫描电镜(ESEM)的多级真空系统和气体二次电子探测器,描述了ESEM的基本工作原理。

指出环境扫描电镜在材料科学研究中的独特作用、适用领域,并列举了若干应用实例。

关键词：环境扫描电子显微镜；材料科学;在线研究保证电子显微镜电子光学系统正常工作,又同时在样品室中创造出保持样品原貌,开展在线分析的环境条件是电子显微分析技术面临的课题。

这方面最早的尝试性工作是在透射电镜上开展的,Ardenne等人用对电子透明的薄膜将TEM的样品封装起来,使其与真空隔离,达到了检测有生命物质、活体孢子和跟踪化学反应[1~3]过程的目的。

20世纪80年代Danilatos[4,5]等学者研制成功环境扫描电子显微镜(ESEM)。

在ESEM样品室内可以安装低温、高温、拉伸、弯曲样品台,微型注射器,还可以向室内通入各种气体,从而模拟出样品所处的真实环境或创建出各种实验条件。

如可通过调节水蒸汽的压力和温度使水处在气液平衡状态,保证实验过程中样品不会因脱水而变形。

所以到目前为止,ESEM较多地应用于生物、环境研究领域。

1 环境扫描电镜工作原理及特点一般认为,电子显微镜只有在高真空条件才能工作,否则会出现以下问题：1)气体电离产生高压放电；2)电子被气体分子散射而不能聚焦；3)电子枪灯丝因高温氧化而降低寿命。

但有些样品如生物、高聚物材料在真空条件下会收缩、脱水、脱油、变形,有些样品会脱气(尤其在高温时)破坏真空。

在一些在线过程的微观研究中,为了真实地反映样品表面物理化学状态和动态特性,也需要在样品室内保持反应气体的分压,调节湿度和温度。

ESEM采用多重限压光阑形成多级真空系统,如图1。

样品室、光路和电子枪室的真空度P0、P1和P2分别相差一至两个数量级,当样品室处于低真空时(10~2000Pa),电子枪和镜筒部分保持高真空状态(分别为10-3Pa和10-2Pa),使得电子枪和电子光学系统能正常工作。

图1ESEM多级真空原理图。

Fig.1The scheme of ESE Mmulti-stage vacuum system.根据水的相图(图2),调节样品室的压力(真空度)和样品台的温度,可使样品中的水处于固、液、气不同状态,而气液平衡态是观察含水样品的理想状态。

图2水的相图。

Fig.2The phase diagram for water.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。

GSED的工作原理可用图3来说明。

在样品上方的电极板上加有正电压,在样品表面和极板之间形成电场。

由入射电子束激发出的二次电子和背散射电子等在行进中与气体分子发生碰撞,使之电离产生新的电子和正离子,电子被电场加速到足够的能量时,又会使更多的气体分子电离,产生更多的电子。

它们被极板接收,经视频放大和各种处理生成二次电子像。

同时电离出的正离子在电场作用下运动到样品表面,中和了在表面积累的电子,消除了荷电效应对图像造成的干扰。

因此,ESEM可以直接观测非导电样品,免除了某些样品在表面导电处理过程中产生的损伤。

再有,与常规闪烁体光电倍增管二次电子探头相比,GSED对光、热不敏感,扩大了适用范围。

图3GSED的工作原理示意图。

Fig.3The sketch map of working principle for GSED.2 环境扫描电镜在材料科学研究中的应用2.1 人体器官再生材料在人体器官再生工程中,多孔高聚物陶瓷体系是形成矿物化骨骼的支撑体,ESEM可以更客观地揭示骨细胞多层生长结构及其形成过程的部分特征。

Laurencin等人[6,7]将老鼠的颅盖骨细胞置于聚乳酸乙二醇/羟基磷灰石(50∶50)的多孔三维高聚物表面,证实了移植一周以内细胞指数增长规律和在三周内稳定增长的情况,有利地说明了聚乳酸乙二醇/羟基磷灰石体系是人工植入骨细胞再生方法的良好材料。

图4是骨细胞的多层生长结构。

图4骨细胞的多层生长结构。

Bar=10μmFig.4Multi-layer growth structure for bone cell. Bar=10μm.2.2 高聚物材料ESEM适用于含水、含油胶质样品的直接观察,所以特别适合某些高聚物的研究。

如热处理前后,高聚物改性沥青与普通沥青微观形态的对比研究[8],可调控表面性能的纤维支撑水凝胶的湿润性、形貌、溶胀、环境响应的研究[9,10],高聚物水分散体系转变成连续薄膜过程及该过程与最终材料性能相关性的研究。

图5为聚丙烯酰氨含水微球,在ESEM观察中保持原貌。

图5聚丙烯酰氨含水微球。

Bar=100μmFig.5Polypropylene ammonia aqueous micro-balloons.Bar=100μm2.3 纤维增强树脂复合材料ESEM中的拉伸实验台是研究纤维增强树脂复合材料微观结合状态的有效手段[11]。

拉伸过程中,不断产生新的样品表面,故预先制备导电膜是无意义的。

预计通过掺入铜、钢和聚乙烯纤维,并调整好水、树脂和浓缩的硅粉含量,会提高胶的密度和材料的强度。

但观察经动态拉伸生成的断口(图6),可反映出内聚和粘合两种结合状态。

铜和树脂体系强度较高,属于内聚结合状态;钢、聚乙烯纤维和树脂体系属于粘合状态,强度较低[12]。

图6碳纤维复合材料拉拔断口形貌。

Bar=20μm Fig.6Th e drawing fracture appearance of carbon fiber composite. Bar=20μmESEM还曾用于温度、湿度交互作用下集成电路电子封装失效机理,印刷线路板材中树脂和纤维界面的结合特性,环绕线路板过孔微裂纹的变化的研究[13]。

2.4 发光材料某些材料在电子束轰击下发出阴极荧光,半导体发光器件的PN结在正向偏置电压作用下发光。

常规光电倍增管型二次电子探测器对可见光是敏感的,故不适于发光材料的研究。

利用ESEM低真空模式及气体二次电子探测器GSED可以得到无任何光干扰的发光样品真实表面形貌像。

图7为利用GSED探测器得到的彩色显象管荧光屏发光材料的像素斑图案。

图7彩色显象管荧光屏内表面发光像素图案。

Bar=200μm Fig.7Surface irradiance pixel pattern in fluorescence screen of color indicator.Bar=200μm阴极荧光成像也是研究发光材料的一种有效方法,而利用ESEM中的阴极荧光附件获取荧光像更为有效,因为此时无需对样品表面进行导电处理,从而减少导电层对荧光的吸收。

Linemann等人用此方法研究用于型号标识的荧光物质在棉织物上的吸附情况[14]。

2.5 压电晶体和非导电晶体材料某些光通讯、压电和电子材料能够在电场中极化,当电场消失后仍呈现各向异性的极化状态,这是因为此类材料内铁电畴的定向排列所致。

铁电畴结构对二次电子强度的调制作用很小,所以观察畴结构时,必须对样品表面进行精细抛光来消除形貌衬度,且不能对样品表面镀导电层。

ESEM是研究铁电材料的理想手段[15]。

非导电晶体内的电荷分布取决于晶体材料的生长过程、条件、晶体结构、取向和夹杂物等多种因素,从原理上讲,常规扫描电镜是难以记录这种电荷分布的。

1997年,Griffin总结出环境扫描电镜与GSED所特有的电荷衬度成像技术[16]。

根据GSED的气体放大原理,只有在一定的工作距离和工作气体压力下,才能得到最佳衬度的二次电子像。

但在实验中观察到,工作距离越小,气体压力越低(以不发生电荷放电为限),图像衬度越理想,因此不能完全延用气体放大原理说明此时的图像衬度形成机制。

当样品与GSED距离较近时,样品表面电荷会对GSED的偏压产生影响,则所得SE图像能反映样品表面电荷的分布情况。

这种图像被称为电荷衬度像CCI。

但另一方面,当电子束扫描样品时会导致新的电荷注入,这会对样品内原始的电荷分布造成影响,Travis等人用实验证明[17],电子束电荷注入,没有对原始CCI衬度造成明显的影响。

图8为铌酸锂单晶沿(10 11)平面的截面ESEM照片,图中的竹叶状图案为应力引发的电荷衬度。

图8铌酸锂单晶沿(10 11)平面的截面ESEM照片,图中的竹叶状图案为应力引发的电荷衬度。

Bar=50μmFig.8ESEM photograph of the section surface parallel to (10 11) in LiNbO3 crystal.Bar=50μm2.6 材料多因素作用在线分析技术相对于常规SEM,ESEM的在线研究功能更强,最根本的一点就是在样品室内可以模拟更为丰富逼真的实验环境。

如在安装了力学加载台的ESEM中研究蒸馏水中高强钢的应力腐蚀开裂(SCC)的初始过程[18]。

研究表明,施加应力加速了氧化膜的形成,它对随后发生的SCC的萌生起重要的作用。

Foitzik等人设计把激光加热器和质谱仪引入ESEM,并配合形变样品台研究材料的高温力学行为和激光抛光、热冲击、高温分解、气体反应等现象[19]。

密悉根州立大学的Wilson和Case观察到在相对湿度为8%、温度为400℃时,硼硅玻璃裂纹愈合的过程[20],并将其归纳为裂纹退回和封闭两种愈合模式。

此外还看到,裂纹碎片阻碍了裂纹愈合过程。

这个实验的意义在于它可用来模拟在很高温度下才可能完成的陶瓷材料的相应实验。

俄亥俄州立大学的Xu和Kato用ESEM在线观测了水蒸气条件下,氮化硅、碳化硅和刚玉磨粒的团聚过程[21]。

通过实验他们认为磨粒的团聚度与粘性能和电导率有关,粘性能越大,电导率越小,沉积的磨粒直径则越大。

他们还研究了水蒸气下的显微磨损机制[22],在滑动过程中实时观察金刚石针尖与单晶硅样品接触点的磨损情况。

通过改变气压、接触压力和摩擦系数,观察到无损、羽毛状显微切削和起裂纹三种摩擦类型,而且磨损模式的转变不受气压变化的影响。

在无损磨擦模式,摩擦系数随水蒸气压力变化,但在其它两种模式下,摩擦系数不随压力的改变而改变。

曼城技术学院利用ESEM及加热附件研究不同金属与合金材料高温氧化和硫化,对高温腐蚀斑生长机理有了更为详尽的了解[23]。

密悉根大学的Li等人在研究智能树脂复合材料自愈合性能时,用中空玻璃纤维导入化学气氛,同时观察预制微裂纹的愈合过程,探索气氛———弹性模量———电信号转换及传感原理[24]。

费城大学的Gergova等人向ESEM样品室内通入不同气体,在线观察了无烟煤试样在加热过程中活化后表面孔隙大小和孔隙率的变化,并在270Pa、800℃时获得最佳效果[25]。

这不仅为摸索制备高质量的活性炭工艺提供了数据,也总结出一步热分解法制作分子筛的方法。