掃描電子顯微鏡的發(fā)展現(xiàn)狀及市場應(yīng)用

摘 要：掃描電鏡與傳統(tǒng)的顯微鏡相比有著下列特點(diǎn)：倍率更高、分辨率更優(yōu)、景深更大，因此它被廣泛用于材料學(xué)、半導(dǎo)體器件及地質(zhì)、生物醫(yī)療、考古等領(lǐng)域的研究;也被用于產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)過程的控制等，是當(dāng)今最重要的科學(xué)研究儀器之一。本文主要分析了掃描電子顯微鏡的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其市場應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：掃描電子顯微鏡;發(fā)展現(xiàn)狀;市場應(yīng)用

一、 國內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢

由于電子束撞擊試樣物質(zhì)原子的原子核及電子會產(chǎn)生的各種電子信號，對這一系列電子信號進(jìn)行收集、分析、處理能獲取試樣的表面形貌及內(nèi)部構(gòu)成的很多信息，并根據(jù)此原理，人們設(shè)計出掃描電子顯微鏡。

（一）國內(nèi)外現(xiàn)狀

掃描電鏡是當(dāng)今被廣泛應(yīng)用的最重要電子光學(xué)儀器之一。自從20世紀(jì)60～70年代中葉第一臺商用電子顯微鏡問世以來，英、德、荷、捷、日等國以及中國等相繼制造出各種規(guī)格的掃描電鏡。經(jīng)過近60年來的不斷發(fā)展與改進(jìn)，掃描電鏡已成為一種智能化、數(shù)字化、多功能的大型電子光學(xué)分析儀器產(chǎn)品，不僅能夠進(jìn)行形貌觀察記錄也能借助于所攜帶的附件來獲取試樣的物理、化學(xué)信息。

在分辨率指標(biāo)方面：目前，商用SEM二次電子圖像的分辨率已經(jīng)能夠達(dá)到亞納米級別。當(dāng)今世界上著名的生產(chǎn)廠商有蔡司、FEI、日立、日本電子等，F(xiàn)EI推出的商用掃描電鏡采用肖特基場發(fā)射電子槍使得二次電子圖像分辨率在世界上首先實(shí)現(xiàn)了亞納米級，其后Zeiss也推出了分辨率0.8nm@15kV的SEM;日立推出的冷場發(fā)射SEM二次電子分辨率最高可以達(dá)到了0.4nm。目前STEM分辨率最高可以達(dá)到亞埃級，JEOL的ARM200F的STEM衍射圖像分辨率最高可以達(dá)到0.08nm。

中國的電子顯微鏡研制是從1958年開始，由光機(jī)所及南京江南光學(xué)儀器廠完成了我國第一臺透射電子顯微鏡。1975年由KYKY完成了中國第一臺掃描電鏡制造。隨后在20世紀(jì)70年代國營南京江南光學(xué)儀器廠、上海新躍儀器廠，先后也試制成功各種類型的掃描電鏡，反映了當(dāng)時我國電子顯微鏡制造業(yè)的蓬勃發(fā)展。在20世紀(jì)90年代以后，國內(nèi)電鏡企業(yè)發(fā)展遇到了重大挫折，技術(shù)人才嚴(yán)重分流、流失，行業(yè)發(fā)展的幾乎停滯，與國際技術(shù)水平的差距越來越大，導(dǎo)致目前僅有（原中國科學(xué)院科學(xué)儀器廠）還在繼續(xù)生產(chǎn)掃描電鏡，其他電鏡廠商已全軍覆沒。從總的來看，國產(chǎn)電鏡在功能與工藝上與國際先進(jìn)水平很大的差距，這需要引起國家的高度重視，需要在戰(zhàn)略高度以及政策上給予極大的支持，推進(jìn)中國電子光學(xué)事業(yè)及儀器的發(fā)展。

（二）技術(shù)發(fā)展趨勢

從掃描電鏡技術(shù)的發(fā)展來看，在今后一段時間，掃描電鏡的發(fā)展方向主要有以下兩個方面。

1. 向更高的分辨率方向發(fā)展

為了進(jìn)一步提高掃描電鏡的分辨率，必須要研制出一種極小像差的電磁透鏡系統(tǒng)，以及超高亮度壽命更長的場發(fā)射電子槍系統(tǒng)，據(jù)說在這方面理論上已取得重大突破。另外，還需在現(xiàn)在的掃描電鏡設(shè)計中，對掃描電鏡的精密機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，樣品臺的飄移控制和振動消除等方面有足夠的提高，在二次電子探測器中采用更新的探測器件來獲取更高的信噪比。

2. 向多功能化方向發(fā)展

掃描電子顯微鏡是利用電子束轟擊物質(zhì)原子的原子核及電子所產(chǎn)生的各種電子信號并對其進(jìn)行收集、分析的一種高級分析儀器，那么如何充分利用電子束與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生各種電子信號，并同其他現(xiàn)代分析譜儀相結(jié)合，也將是掃描電鏡的發(fā)展的一個主要方向。目前已有一些成功的應(yīng)用，主要有利用入射電子與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生元素的特征X射線譜來進(jìn)行成分分析的X射線能譜分析儀（EDS）、X射線波譜分析儀（WDS）、和陰極發(fā)光譜的X射線熒光譜分析儀（XFS）和陰極發(fā)光譜分析儀（CLS）等。

二、 掃描電子顯微鏡的主要應(yīng)用領(lǐng)域

掃描電鏡廣泛用于材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、法學(xué)鑒別、地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)、半導(dǎo)體制造與失效分析。

（一）材料領(lǐng)域

掃描電子顯微鏡由于景深大，分辨高、放大倍數(shù)大、立體感強(qiáng)、樣品制備簡單的優(yōu)點(diǎn)以及可以對試樣進(jìn)行微區(qū)成分分析的特性使其在材料的分析和研究方面有著非常廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于材料斷口觀察、偏析研究、材料夾雜物的微區(qū)成分分析、鍍膜層厚測量和納米材料分析等。掃描電鏡可以清楚地反映、記錄和分析這些微觀特征。

（二）生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用掃描電鏡可以觀察細(xì)胞組織及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以研究細(xì)胞的整個生命過程中的規(guī)律并可以結(jié)合各種制樣方式來進(jìn)行免疫熒光檢測、染色體研究以及鑄型法研究等。

（三）其他領(lǐng)域

掃描電子顯微鏡可對被材料類觀察試樣進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析。被觀察材料試樣內(nèi)部的夾雜物由于體積細(xì)小，分布無規(guī)則的特性無法采用常規(guī)的化學(xué)方法進(jìn)行分析、鑒定，掃描電子顯微鏡可以利用其電子探針的特性通過EDS/WDS獲取所需要得到的數(shù)據(jù)，此外，在礦物物相研究、寶玉石鑒定、黏土礦物分析、天文地質(zhì)學(xué)中的宇宙塵、隕石和月巖的研究以及在冶金、考古、地質(zhì)、刑偵、機(jī)械、電機(jī)以及集成電路的線寬量測、材料斷面、結(jié)構(gòu)觀察等領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。

三、 結(jié)語

掃描電子顯微鏡是一個應(yīng)用多重技術(shù)融合的高端設(shè)備，數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料、計算機(jī)及化學(xué)等自然科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為電鏡的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐，掃描電鏡繼續(xù)在未來的科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。因此，抓住掃描電鏡發(fā)展全新機(jī)遇，進(jìn)一步提高掃描電鏡的技術(shù)及資金發(fā)展，從而促進(jìn)各個技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭素枝.掃描電鏡技術(shù)及其應(yīng)用[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2006.

[2]章曉中.電子顯微分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：

姚晨，南京江南永新光學(xué)有限公司。