2.11　低真空和环境扫描电镜

如果能人为地控制扫描电镜样品仓内的真空度或气氛及向样品仓内充入一定的气体，如空气等，使电镜样品仓内的压力能在略低于正常环境的气压下或在较低的真空状态下正常工作的扫描电镜分别被称为环境扫描电镜（E-SEM）或低真空扫描电镜（LV-SEM）。

现代传统扫描电镜具备的功能虽然很多，但由于传统电镜所能观察的试样往往仅限于能导电的和不散发出气体的试样。人们为了满足这两个条件，通常会对那些不导电的试样采取蒸镀导电膜层的办法进行处理，而对含水的试样往往会先采用脱水、干燥或冷冻等办法处理。这样，虽然可以把这种经过处理的试样再放入电镜中进行分析，但人们仍无法直接去观察那些含水生物试样的真实面目。因为传统电镜样品仓内的压力通常是要维持在不大于10-3Pa的高真空量级，若能把真空度降低，使它能维持在2 700Pa（这是水在22℃时的饱和蒸气压）或以上，则样品仓里的含水试样就能保持原有的水分，就不会存在由于水分挥发而导致真空抽不上去的问题。环境扫描电镜、低真空扫描电镜或可变压力扫描电镜（VP-SEM）都是为了克服传统扫描电镜不能在低真空的模式下工作的问题而研制出来的。在如图2.11.1所示的水的温度-压力曲线中，在E-SEM模式下，若压力偏低或试样的温度偏高，含水的试样则会因水的表面张力增大而受到破坏。

1970年，莱恩（W. C. Lane）制作了特殊的SEM试样杯，借此观察到了液体表面，并注意到了电子束与气体相互作用会产生气体放大现象。鲁滨孙（V. N. E. Robinson）使用特制的光栏改进了日本电子公司的一台JEM2扫描电镜，获得了约133Pa的样品仓气压，1978年日本电子公司在这个基础上生产了商用的低真空扫描电镜。1979年，蒙克利夫（Moncrieff）在用扫描电镜研究生物试样时，把气体注入样品仓中，提出了用电子电离气体分子，使电离后的气体正离子飘向试样表面，与试样表面上的负电荷中和的理论。随后丹尼拉特斯（G. D. Danilatos）设计了多级压差光栏，把电子枪中阴极发射腔到样品仓这段电子束经过的整个通道分隔成了几个不同压力的区段。这些区段用多个普通光栏和专用的压差光栏搭配来进行组合隔离，使每段的气压平均相差2个数量级以上，这样就能保证在这又长又细的狭小区段内，气压能从10-3Pa的压力逐渐上升到千帕量级的压力，而且又能保证有足够的电子束流从这一连串狭窄的光栏孔中通过。这种环境扫描电镜与传统扫描电镜的区别就在于对镜筒和真空系统做了特殊的设计，它可以人为地精确控制样品仓中的真空度。随后丹尼拉特斯与美国的Electron Scan公司合作，在1987年研制出世界上第一台真空度能达到2 700Pa的环境扫描电镜（E-SEM）。因此，丹尼拉特斯被业界公认为环境扫描电镜的发明人。

1989年，Electron Scan公司开始出售商品化的环境扫描电镜。该公司的这项专利被当时的荷兰飞利浦公司买下，而飞利浦公司的电子光学部后来又并入FEI公司。因此，FEI公司就能够生产和出售环境扫描电镜，从此开辟了扫描电镜应用的新领域。传统钨阴极扫描电镜的样品仓内真空度是要优于10-3Pa的高真空，而与之相比这种环境扫描电镜可以在气压相对高一些，即能在接近自然环境的条件下正常工作。如图2.11.2和图2.11.3所示为环境扫描电镜样品仓的气体流向示意图。在这种低真空的模式中，绝缘试样即使在高加速电压下也不易呈现充、放电现象而导致无法观察；潮湿的试样基本上可保持其原来含水的自然状态，而不会产生明显的干瘪、形变。因此，环境扫描电镜可直接用于观察塑料、陶瓷、纸张、泥土，以及疏松又会散发出气体的或含水的试样，观测前无须蒸镀导电膜层或做冷冻干燥等预处理。

目前，电镜的其他主要厂家如日本电子、日立、泰思肯和蔡司等也都有类似的扫描电镜，但真正拥有环境扫描电镜（E-SEM）这个冠名权的只有FEI（Philips和Electronscan）公司，而如今的FEI公司又并入塞默飞世尔科技公司。真正的环境扫描电镜是特指电镜的样品仓中的压力能在接近自然环境的条件下正常工作的扫描电镜，如钨阴极环境扫描电镜样品仓中的最高压力就不大于2 700Pa，场发射环境扫描电镜样品仓中的最高气压可接近4 000Pa，并配置了专用于气体检测的二次电子探测器的扫描电镜；而低真空（低气压）的扫描电镜（LV-SEM）主要指的是非塞默飞世尔科技（FEI/Philips/Electronscan）公司生产的扫描电镜，这种低真空扫描电镜样品仓中的最高气压通常不大于600Pa；而可变压力扫描电镜（VP-SEM）样品仓中的最高气压通常不大于270Pa，而且还不一定都能加注特殊气体（如空气、水蒸气）或配置专用的环境二次电子探测器。

图2.11.2为配置专用气体二次电子探测器的环扫电镜的真空通道示意图。而图2.11.3为Nova-400型电镜双压差光栏的气流通路图，该电镜的物镜下极靴处嵌入了一个既能用于低真空，又能够改进低真空状态下的二次电子像分辨力的Helix探测器，这种探测器中有上下两个压差光栏，压差光栏1与在其顶部的压差光栏2又隔成了一个新的压力区，该压力区在镜筒与样品仓的交界处，加上抽气的主气流经过该压力区并从物镜的侧面把气流抽出去。这路气流既起到了降低镜筒下半部压力的作用，又对增高样品仓中的压力起到了过渡和缓冲的作用。这个Helix探测器还可以减少入射电子的散射，为提高环境扫描模式下的二次电子像的分辨力也起了很大的作用。但由于该光栏的孔径较小，对于入射束在低倍率下的偏转会受到一定的限制，所以当安装上这种低真空高分辨的Helix探测器时，该电镜的最低放大倍率不能小于500倍。

图2.11.4为带G-SED环扫电镜的低真空气流流向示意图。环境扫描电镜的高真空模式如图2.11.5所示，在高真空模式下该电镜便像传统的扫描电镜一样，可以正常使用传统的E-T SED和半导体背散射电子探测器，也就是说在高真空模式下该环扫电镜与传统的扫描电镜完全一样，因而可以按照传统扫描电镜的方式进行观测和分析试样。环扫或低真空电镜在高低真空之间的转换也很方便，仅需单击屏幕上菜单中的相关按钮，电镜中的有关阀门就会自动进行切换。从高真空切换到低真空等待充气到位，或者从低真空切换到高真空等待排气抽到高真空状态，这种切换过程一般为几十秒，这不仅操作简单、方便，而且转换速度较快。

电镜在这种环扫模式下适用于检测下列几类试样：

（1）可消除或减少试样表面积累的负电荷，适宜于分析那种既不导电又不允许蒸镀导电膜的试样。

（2）可分析保持含水原始状态的试样，如生物试样。

（3）新型的低真空二次电子探测器可在环境扫描或低真空扫描条件下检测二次电子。

（4）特殊的压差光栏与物镜光栏的组合搭配能保证能谱分析的空间分辨力和准确度，有的能谱仪自身还带有专门用于校正低真空状态的分析软件。

图2.11.6为SUPRA 55-VP可变压力场发射电镜的真空系统图，样品仓和GEMINI镜筒被分成了四个不同的压力区，各段压力区之间进行梯度分段隔离。当操作者选择了VP模式后，系统将会关闭样品仓和分子泵之间的隔离阀，并自动调整样品仓内的压力，此外系统还会自动选用可变压力的二次电子探测器（VP-SED）。此电镜中有一个自动反馈回路来调整样品仓内的压力，确保压力能够得到准确控制。该机所配置的VP-SED，可在2～133Pa的压力范围内采集二次电子。这种场发射GEMINI镜筒的可变压力模式能消除或减少试样表面的荷电现象，即为不导电试样的分析成像带来了方便，在低真空模式中可对不导电的试样进行无损、无假象的成像与成分分析，而又不需要复杂的试样制备，这样既节省了制样成本，又能提高制样效率和设备的利用率。在VP的模式下，采用增强型的VP-SED，对绝缘试样的成像影响不大，因二次电子与气体分子的碰撞会产生电子和正离子，这些正离子将与试样表面上积累的负电子结合，从而使试样表面的负电荷得到中和。由于它的最高压力只有133Pa，当要分析含水分的试样时，还需要加配冷却台对试样进行冷冻才能观察含水试样，否则仍会出现水气挥发、升华，真空抽不上去的问题。如果要返回传统的高真空模式，单击“HV”按钮，几十秒钟后电镜就可回到高真空状态，系统这时就返回到传统的扫描电镜的高真空模式中，也就可用传统的E-T探测器或高分辨的In-lens探测器。当需要对真空模式进行互换时，只要点击“VP”按钮就又可回到低真空模式。

ULTRA plus型扫描电镜还配有电荷中和器，如图2.11.7所示。这个电荷中和器在GEMINI镜筒下面。电荷中和器有一个气动伸缩机构，可以在电荷中和模式与传统的高真空操作模式之间实现快速的伸缩，电荷中和器有一个局部的气体喷嘴，用于喷射氮气。其工作时有一束很细的局部气流经过一个细针尖喷射到试样表面的电子束照射区。当不导电材料暴露在电子束下时，试样表面若出现荷电，将导致试样表面的电位降低，干扰入射电子并使二次电子图像出现扭曲变形。这时若启动电荷中和器，其功能就是向试样表面的照射区域喷射气体，对试样表面的负电子进行中和。试样表面发出的SE和BSE与喷射进来的气体分子碰撞产生离子，正离子将与表面的负电子进行中和，使试样的表面趋向于电中性，从而可采集到比较稳定和清晰的图像。

在通常情况下，对自身含水的试样应该在尽可能接近其自然状态的环扫电镜中进行观察。如观察含水的生物试样时，最需要考虑的一步是水分的蒸发和冷凝现象。试样表面的水分蒸发会导致含水试样出现收缩、皱褶等变形；除此之外，水分的低温冷凝会导致试样膨胀或试样表面水滴积累而掩盖其表面形貌。为了避免这些负面影响，可以在环扫或低真空的电镜中通过设置温度和压力的关系曲线来创造稳定的环境，再在接近平衡状态的稳定条件下进行观察。根据气体的动力学行为，降低温度可以减少蒸发。然而，采用冰点以下的温度虽然可以减缓水分的蒸发，但是冰晶的形成可能会导致试样的表面张力增大，出现膨胀、破裂等损伤。因此，人们应充分考虑每个含水试样的结构和特性，尽可能采用环扫或低真空模式的电镜配合珀尔帖（Peltier）冷却台的低温条件来观察试样，设法找到观察含水试样的合适条件，以获得接近自然状态的形貌。