随着科学技术的不断发展，对材料的微观研究越来越深入，光学显微镜有限的入射光波长制约了其分辨力的提高，导致光学显微镜已经远远不能满足人们观察 微观世界的需求。自20世纪30年代起，一系列扫描电镜(SEM)应运而生，依次诞生了钨阴极扫描电镜、氧化钇铱阴极扫描电镜、六硼化镧阴极扫描电镜以及场发射扫描电镜，其中场发射扫描电镜的分辨率可以达到1nm以下，随着扫描电子显微镜的应用越来越广泛，对新材料发展起到了巨大的推动作用，扫描电镜已经成为材料表面形貌分析的主要工具。
扫描电子显微镜(以下简称扫描电镜)利用高速运动的电子激发试样表面，产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、吸收电子、X射线、透射电子等一系列电子信号,电子信号经过相应的探测器接收、转换，最终将不同部位的信息特征转换为视频信号，进而在屏幕上观察到各种材料的微观形貌(见图1)。扫描电镜主要利用的是二次电子、背散射电子以及特征X射线等信号对试样表面进行分析。由于扫描电镜具有分辨率高、景深大、放大倍数连续可调等优点，故其在材料微观结构表征中发挥了重要作用。
扫描电镜可以对不同材料的形貌进行观察和分析。目前许多高校及科研机构均配备了扫描电镜，但该设备不仅价格昂贵，且操作要求严格，需要对其进行细致维护，确保其处于良好的工作状态。在日常使用中，科学管理和规范操作可有效保持扫描电镜的原有性能，延长各种耗材的使用寿命。
1、 科学管理
1.1 日常管理
大型精密仪器设备是从事教学和科研活动的重要工具，其中场发射扫描电镜属于大型精密仪器中的精密贵重仪器，其阴极制造工艺复杂，价格昂贵，需要在高真空度下才能稳定工作。如果真空度降低，会导致阴极氧化加快，因此设备需要常年保持开启状态，以保证镜筒内的真空度维持在10-7Pa量级以上。此外，场发射扫描电镜均需配备不间断电源(UPS)，UPS可以保证设备在市电中断时仍能继续运行，避免设备在突然断电时关闭，造成损伤等问题。
在场发射扫描电镜的日常维护中，操作人员应定期检查仪器设备的工作环境、光学系统、真空系统及附件设施，确保仪器处在最佳工作状态。设备每两个月需要进行一次重新启动，使电脑及电镜器件重新开启一次，避免设备出现卡顿、不顺畅等状况，保证设备正常运行。
在日常使用过程中，电镜的电子光路系统会逐渐发生偏移。改变测试电压后，电子束方向会出现较大的偏移；电子束偏离镜筒中心时，在较大束斑下无法成像。因此，在使用一段时间后，需要按照操作说明书对仪器进行定期校准，其中包括光路对中、偏移校正、试样台移动校准等校准方法，通过校准使设备维持良好的运行状态。如果自行校准无法完成光路对中，则需要进行机械对中，此项工作技术难度较高，通常需要工程师上门才能完成。
需特别指出的是，由于学校寒暑假时间较长，扫描电镜管理员应及时关注学校停电消息。如假期期间遇到停电情况，需根据停电时间长短对电镜进行不同方式处理。若停电时长在24h以内，可以采取破真空后，依次在操控电脑界面上左键点击“STOP1”“STOP”，最后点击“standby”，使设备处于待机状态即可，采取该措施后，电镜配备的UPS可以维持设备运行。如果停电时间超过24h，则需要将设备完全关闭，待来电后重新开机。
1.2 附件维护保养
1.2.1 配套冷却循环系统
循环冷却循环系统主要用于电镜内部器件的降温，其工作原理是通过低温水在体系内循环将设备部件产生的热量带走，从而保证设备在较低的温度下稳定运行，冷却水的恒温循环对设备的稳定性、可靠性起着重要作用。循环水应使用纯水，以减少水中杂质的产生，同时需要定期关注水位及水质情况，如果水位下降，要及时进行补加，如果水质出现结垢或者浑浊，需要及时清洗更换循环水，建议每年彻底更换一次循环水。设备前面板下部的散热片及风扇需要定期进行灰尘清理，以避免孔道堵塞，影响设备运行。
1.2.2 空气压缩机
空气压缩机可以控制电镜的气动阀门，并为减震系统提供压缩空气，随着空气压缩机的使用时间不断延长，其内部的机油会出现损耗，一旦机油液面过低，需要及时进行补加。在工作过程中，空气压缩机吸入了含有部分水分的空气，水分进入到机组内部，伴随机组一系列运作最终会析出为冷凝水，如果冷凝水不及时排出，会导致机组内部发生锈蚀，加速润滑油乳化并造成润滑油特性降低，影响机组运转，所以每周需要通过排水阀排出冷凝水。
1.2.3 机械泵
机械泵需要长时间连续工作，以保证试样仓维持高真空状态。内部的塑料密封垫圈属于损耗件，在长期使用过程中会出现磨损、老化，因此需要定期进行更换。原则上每年需要联系工程师对密封圈进行更换，如果不及时更换会加重机械泵的磨损，导致无法抽真空，机械泵维修成本会大大增加。
1.2.4 空调外挂机
为保证扫描电镜和能谱仪的稳定性，扫描电镜及附属部件房间室温均应控制为20℃，空调需要不间断开启，灰尘、飞絮极易在空调外机散热片上堆积。因此，为保证设备正常运行，要求对外机散热片定期进行清理，尤其在春季柳絮漫天的时候，空调外机散热片极易堆积一层厚厚的柳絮，若不及时清理，覆盖的柳絮层不仅会影响外机散热效果，更严重的会导致空调损坏。
2、 规范操作
2.1 测试前的准备工作
2.1.1 把控测试试样
必须使扫描电镜在高真空条件下工作，高能电子束激发会使试样表面产生一定程度的升温，因此必须要求试样保持干燥、稳定、无易挥发成分，且在电子束扫描下不会分解。此外，扫描电镜光学系统由一系列的电磁透镜组成,腔体内存在强磁场。要求试样不能有磁性，因为磁性试样会对电子光学系统造成干扰，并对设备造成严重破坏。
2.1.2 试样制备
试样制备方法的优化是获得高质量图像的第一步。扫描电镜试样制备的工作看似简单，但试样制备效果将直接影响电镜照片的清晰度与分辨率。良好的制备效果应该是试样均匀分散于试样台的导电胶上。导电胶制样的过程如图2所示，首先剪取一块导电胶贴在台面上，然后依次剪取导电胶,顺时针将其贴在台面上，此处为方便区分，建议将第一块导电胶形状区别于后面剪取的形状；依次用牙签蘸取少量试样均匀分散于导电胶上面，用洗耳球将未吸附牢靠的试样吹掉，依次揭掉白纸重复以上的操作。将第一块导电胶上试样记为1号，顺时针依次将试样命名为2 号、3 号、4号等即可。
制样过程中需要佩戴手套和口罩，避免污染试样台，试样制备完毕后，如果试样导电性能不佳，需要进行镀膜处理，镀膜后用强力吹风机对其进行充分吹扫，以保证台面上没有未固定牢的试样。
2.1.3 拍摄前细节
试样仓是放置试样台的场所，会经常开启、闭合，导致其经常与外界接触，试样仓的清洁度直接影响电镜寿命。为减少污染，要求操作过程中关闭仓门，操作人员佩戴手套和口罩。试样仓打开和关闭时都要轻拉轻关，切忌暴力操作，期间可以通过电脑屏幕CCD(电荷耦合元件)窗口进行观察，固定试样时，螺丝轻轻拧紧即可，切忌用力过度；向试样仓鼓入氮气之前，观察氮气压力表低压表数值，保证其数值不超过0.15MPa，防止压力过大对设备部件造成损伤。
试样台上升过程中，一定要保证CCD窗口为实时状态，同时鼠标放在“STOP”按键上面，从而保证可以随时停止台子上升。对于FEI Nova NanoSEM450型场发射扫描电镜，模式1工作条件下，工作距离为10~15mm，试样台距离极靴越远，对检测系统造成污染的概率越小，此时景深较大，视野开阔，观测试样的范围更广。为最大限度保护灯丝，延长灯丝寿命，将开启激发电子束时的仓内压力控制为小于8×10-3Pa。
2.2 测试过程
获得高质量的SEM图像对后续研究非常重要。科学的测试方法可以显著提高拍摄效率，并获得良好的拍摄效果。试样拍摄过程中，首先在低倍率下选择特征明显的位置，调焦至图像清晰，然后寻找感兴趣的分析部位，逐步放大图像。在合适的放大倍数下，进行反复调焦及消像散直至图像清晰，继续调节对比度和光亮度，使图像明暗适中、层次分明，然后即可进行拍照。高倍率下拍摄完毕后，低倍率下无需调焦即可直接拍摄，既要保证图像的清晰，也要尽可能考虑试样的美观性，最终使图像兼顾应用性和艺术性。
在高倍率下拍摄图像时，像散的判断及消除非常重要，像散是由透镜磁场非旋转对称引起的一种像差，就如同散光一样(见图3)，在聚焦过程中本应呈圆形的图像变成椭圆，这样图像就不再完美对称。像散是影响图像清晰度的重要因素，会严重影响电镜的图像质量。
在进行高倍率拍摄时，需要进行像散消除，如果有像散的情况，图像会出现拉伸现象，两个拉伸的方向互相垂直。此时应首先通过聚焦旋钮将图像调整到没有形变的状态，然后旋转像散调节旋钮，使得图像清晰，此时图像即达到最清晰状态，为最大限度消除像数，此项操作可反复耐心操作2~3遍。
在拍摄过程中，不同的拍摄方式也会影响拍摄效果，对于导电效果不佳的纳米颗粒试样，拍照过程中，如果采取慢扫模式会出现荷电效应，照片中会出现磨平现象，荷电效应是影响扫描电镜图像质量的重要原因，它会使图像异常变亮、畸变，产生像散，出现图像模糊、亮线等现象。此时可以在快扫模式下采用多幅图像的叠加或多帧图像的积分方式，避免出现磨平现象,获得良好的拍摄效果(见图4)。
总之，拍摄水平的提高需要日积月累，除了掌握科学的拍摄方法外，还要不断地操作、积累、总结，才能熟练掌握扫描电镜拍摄技巧。
3、 结论
扫描电镜仪器精密、贵重、使用率高，科学的管理和规范操作有助于延长设备的使用寿命，获得良好的观察效果。在设备日常维护方面，需要按照要求定期对电镜主机和各附件进行维护、保养，对测试试样严格把关，测试过程中规范操作习惯。扫描电镜结构复杂,影响性能的因素较多，操作人员要有高度的责任心、良好的习惯，保证设备运转良好。
作者：郭守杰1，李知声2，法文君1
单位：1.许昌学院 化工与材料学院；
2.许昌学院 实验室与设备管理中心
来源：《理化检验-物理分册》2024年第1期
