原标题：是什么卡了咱们的脖子——扫描电镜“弱视”，工业制作难以明察秋毫 亟待霸占的核心技能

实习记者陆成宽

对资料微观结构的观测离不开“微观相机”——扫描电子显微镜，一种高端的电子光学成都高铁学校仪器，它被广泛地应用于资料、生物、医学、冶金、化学和半导体等各个研讨范畴和工业部门。

“比方，在资料科学范畴，它是十分根底的科研仪器，毫不夸大地说，资料范畴70%—80%的文章都要用到扫描电镜供给的信息。”我国科学院上海硅酸盐所研讨员、我国电子显微镜学会扫描电镜专业委员会副主任曾毅通知科技日报记者。可是，现在我国科研与工业部门所用的扫描电镜严峻依靠进口，每年我国花费超越1亿美元收购的几百台扫描电镜中，首要产自美、日、德和捷克等国。国产扫描电镜只占约5%—10%。

高质量电子光学体系出产困难

曾毅说，扫描电镜的图画分辨率与电子束的直径密切相关，电子束会聚越细，图画分辨率就越高。

扫描电子显微镜首要是使用二次电子信号成像来调查样品的外表形状，即用会聚得很细微的电子束在样品外表扫描，经过电子束与样品的相互效果发生各种信号（如二次电子信号）来取得资料外表细节信息。

扫描电镜由电子光学体系、信号搜集及显现体系、真空体系和电源体系组成。其间，电子光学体系又由电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室等部件组成。作业时，电子枪发射出的电子束被电磁透镜会聚成极细的电子束，在样品外表进行扫描，激起样品外表发生二次电子。二次电子由勘探器搜集，并被闪耀体转变成光信号。

二次电子发生的多少与样品外表的描摹有关。样品不同区域所激起出的二次电子的数量不同的，那么经光电倍增管和扩大器转变成的电压信号就有相应的不同，反映在荧光屏上相应部位也有或亮或暗的衬度差，终究得到一幅样品外表扩大的是非图画。

为了取得较高的图画分辨率，会聚的电子束的束斑直径应尽可能细。而电子束的会聚有必要经过电子光学体系来完结。“现在的电子光学体系需求将电子束聚集到1纳米左右，也就是电子束在样品外表构成一个直径小到1纳米的斑驳，相当于一根头发丝直径的六万分之一，这就要求电子光学体系各个部分规划完美，才干构成如此细微的电子束斑，这是一个较难处理的问题。”曾毅说。

透镜内勘探器规划难度较大

除了需求极细的电子束，扫描电镜图画的取得还需求高效的二次电子勘探器。“现在干流的扫描电镜大多选用半磁浸没式或许全浸没式透镜技能，也就是将勘探器装到电磁透镜上方，使用磁场力的效果来搜集二次电子。”曾毅说。

分辨率较低的钨丝灯扫描电镜的勘探器一般坐落电磁透镜和样品之间。在这种情况下，勘探器和样品的间隔就比较近，样品和透镜的间隔（作业间隔）就比较远。事实上，扫描电镜的图画分辨率与作业间隔密切相关，间隔长会导致图画分辨率下降，而间隔近则能进步图画分辨率。

为了进步扫描电镜的图画分辨率，就要尽可能地缩短样品和透镜之间的间隔，选用的办法就是把勘探器往电磁透镜上方移。这样，作业间隔就能够缩得很短。2000年今后，作业间隔更短、图画分辨率更高的场发射扫描电镜应运而生，并成为干流产品。而现在干流场发射扫描电镜都选用半浸没式或全浸没式电磁透镜，也就是将勘探器装在电磁透镜上方或许里边。 

勘探器在样品和电磁透镜之间的钨丝灯扫描电镜规划简略，使用电场的效果来勘探二次电子，只需求在勘探器的前端加一个正电压，勘探器就能够将二次电子“吸过去”，搜集起来。而场发射扫描电镜将勘探器装到电磁透镜里边今后，虽然样品和透镜的间隔拉近，可是勘探器和样品的间隔却变得更远了，搜集二次电子的功率就会大大下降。

“此刻只是靠在勘探器前端加正电压招引二次电子的办法就行不通了，需求凭借磁场力效果将二次电子吸到电磁透镜内部。场发射扫描电镜怎么使用磁场力的效果将二次电子高效地吸到电磁透镜内，在进步收集功率这一点上，咱们需求有所打破。”曾毅说。

低电压分辨率需求打破

传统扫描电镜在调查非导电样品时，样品外表有必要镀导电膜层才干对其进行调查。这种情况下，导电膜会对样品外表实在描摹形成必定程度的掩盖。现在干流的扫描电镜的重要打破之一是，经过下降入射电子的加快电压，就能够不镀导电膜层直接调查非导电样品。

虽然下降加快电压带来了直接调查非导电样品的优点，可是也给电镜出产厂商带来了巨大的应战。加快电压下降到3kV以下后，带来了一系列问题，首要是会导致电子枪的亮度下降，一起它的色差也会增大。这样，本来细聚集的电子束“探针”的直径就会明显添加，导致图画分辨率严峻下降。这也是自从上世纪六十年代就有学者提出选用下降扫描电镜加快电压以对不导电样品直接调查的理论，但直到2000年后才真实完成商业化的低电压扫描电镜的原因地点。现在干流场发射扫描电镜的低电压分辨率（0.7—1nm@1kV）现已很好地满意不导电样品表征需求，不久前国产场发射扫描电镜也推出了能在低电压下取得图画的最新型扫描电镜，其1kV下的分辨率为3nm。

为了在低电压调查样品的一起不下降图画分辨率，一般的处理计划是经过施加减速电压、镜筒内减速或许单色器技能等。“可是不论哪种计划都涉及到整个电子光学体系的从头规划和加工。施加减速电压今后，就相当于将样品外表作为一级透镜，多了这样一个‘透镜’，电子光学体系的规划就会更杂乱，一起对体系的均匀性、安稳性要求就更高，少许的缺点都会严峻影响扫描电镜的低电压分辨率。”曾毅说。

“虽然现在国产扫描电镜占有的市场份额较小，技能指标也和干流电镜有必定距离。可是同干流产品比较并不存在不可逾越的技能距离，如果能加大对自主科研配备的研制投入，一起配以方针引导，信任不久的将来，必定能够看到越来越多的国产扫描电镜出现在我国的科技事业舞台上。”曾毅说。

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