作者：孫千 本文轉載自公衆号：老千和(hé / huò)他(tā)的(de)朋友們。原文地(dì / de)址：https://mp.weixin.qq.com/s/q-SZCdMdB8cUeSKIeyM86w
掃描電鏡(SEM)自問世以(yǐ)來(lái)，已成爲(wéi / wèi)材料科學、生物學等領域不(bù)可或缺的(de)研究工具。然而(ér)，常規掃描電鏡(CSEM)在(zài)樣品制備及成像方面存在(zài)明顯局限：需要(yào / yāo)高真空環境、樣品必須導電或經過導電處理（低電壓成像可不(bù)鍍導電膜），且必須處于(yú)幹燥狀态。這(zhè)些限制極大(dà)地(dì / de)約束了(le／liǎo)其在(zài)某些領域的(de)應用潛力，特别是(shì)對于(yú)濕态樣品或絕緣材料的(de)研究。
環境掃描電鏡(ESEM)技術的(de)出(chū)現，爲(wéi / wèi)克服這(zhè)些限制提供了(le／liǎo)新的(de)解決方案。
ESEM與CSEM的(de)技術差異
傳統CSEM通過在(zài)高真空環境下，将電子(zǐ)束以(yǐ)光栅方式掃描樣品表面，并收集樣品發射的(de)電子(zǐ)來(lái)實現成像。這(zhè)些電子(zǐ)主要(yào / yāo)包括兩類：一(yī / yì ／yí)是(shì)低能二次電子(zǐ)(≤50 eV)，由非彈性碰撞産生；二是(shì)背散射電子(zǐ)(>50 eV)，來(lái)自接近180°散射的(de)彈性碰撞。CSEM要(yào / yāo)求整個(gè)電鏡腔室維持高真空狀态，以(yǐ)避免空氣分子(zǐ)對電子(zǐ)束及發射電子(zǐ)的(de)幹擾。
相比之(zhī)下，ESEM在(zài)保持電子(zǐ)槍區域高真空的(de)同時(shí)，允許樣品室内存在(zài)低壓氣體環境，最高可達約4000Pa。這(zhè)種差異化設計通過差分抽氣技術實現，形成從電子(zǐ)槍到(dào)樣品室的(de)壓力梯度(如圖1a所示)。
圖1 ESEM)示意圖。a,ESEM中的(de)不(bù)同壓力區。電子(zǐ)槍可以(yǐ)保持在(zài)高真空狀态，而(ér)通過差分抽氣和(hé / huò)限壓光闌系統，可使腔室維持在(zài)幾托甚至更高(1托=133帕)的(de)壓力下。
這(zhè)一(yī / yì ／yí)創新使ESEM能夠在(zài)接近大(dà)氣壓的(de)環境中觀察樣品，從而(ér)爲(wéi / wèi)研究濕态樣品和(hé / huò)非導電材料提供了(le／liǎo)可能。
ESEM的(de)核心技術優勢
ESEM相較于(yú)CSEM的(de)優勢主要(yào / yāo)體現在(zài)兩個(gè)方面：首先，ESEM能夠在(zài)氣體環境下直接觀察濕态樣品，尤其是(shì)當氣體爲(wéi / wèi)水蒸氣時(shí)，可以(yǐ)保持樣品的(de)天然水合狀态。這(zhè)一(yī / yì ／yí)特性顯著簡化了(le／liǎo)樣品制備流程，避免了(le／liǎo)傳統SEM中複雜的(de)幹燥、固定等處理步驟，極大(dà)地(dì / de)減少了(le／liǎo)人(rén)爲(wéi / wèi)因素對樣品結構的(de)幹擾。
其次，ESEM解決了(le／liǎo)非導電樣品觀察中的(de)電荷積累問題。在(zài)氣體環境中，由電子(zǐ)束與氣體分子(zǐ)碰撞産生的(de)離子(zǐ)能夠漂移回樣品表面，中和(hé / huò)累積的(de)負電荷，從而(ér)消除了(le／liǎo)對絕緣樣品進行導電鍍膜處理的(de)需求。這(zhè)不(bù)僅簡化了(le／liǎo)樣品制備過程，還保留了(le／liǎo)樣品的(de)原始表面形貌和(hé / huò)化學性質。
ESEM的(de)工作機理與信号檢測
氣體環境下的(de)電子(zǐ)傳輸機制
在(zài)ESEM中，電子(zǐ)束需要(yào / yāo)穿過氣體環境到(dào)達樣品表面。令人(rén)好奇的(de)是(shì)，爲(wéi / wèi)何氣體存在(zài)不(bù)會嚴重影響成像質量？這(zhè)是(shì)因爲(wéi / wèi)ESEM通過精心設計，将電子(zǐ)在(zài)氣體中的(de)傳播距離限制得盡可能短，使大(dà)多數入射電子(zǐ)避免發生大(dà)角度散射。這(zhè)種設計形成了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)個(gè)銳利的(de)中心探針，周圍伴随着較寬的(de)“電子(zǐ)裙“，本質上(shàng)構成一(yī / yì ／yí)種背景直流信号。
雖然這(zhè)會導緻信噪比下降，使圖像質量略有降低，但目前ESEM可實現的(de)最佳分辨率已達到(dào)約1.3納米，對于(yú)大(dà)多數應用而(ér)言完全可以(yǐ)接受。
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獨特的(de)信号檢測機制
ESEM中的(de)氣體不(bù)僅擴展了(le／liǎo)可研究的(de)樣品範圍，還在(zài)信号檢測過程中扮演關鍵角色。當樣品發射的(de)電子(zǐ)(特别是(shì)低能二次電子(zǐ))穿過氣體層時(shí)，它們與氣體分子(zǐ)發生碰撞，産生電離效應，觸發級聯放大(dà)過程(圖1b)。随後，這(zhè)些電子(zǐ)被帶有正偏壓的(de)專用檢測器捕獲。
圖1 b,級聯放大(dà)過程。此過程發生在(zài)腔室内，其中氣體分子(zǐ)被樣品發射的(de)電子(zǐ)電離。每次電離碰撞都會産生一(yī / yì ／yí)個(gè)次級電子(zǐ)，該電子(zǐ)與原始電子(zǐ)一(yī / yì ／yí)樣，被加速朝帶正電的(de)探測器運動，在(zài)到(dào)達探測器的(de)途中可能發生進一(yī / yì ／yí)步的(de)碰撞。正離子(zǐ)則漂移回樣品表面。
值得注意的(de)是(shì)，ESEM使用的(de)檢測器與CSEM中常用的(de)Everhardt-Thornley檢測器不(bù)同，後者無法在(zài)高氣體壓力下正常工作。
原始的(de)ESEM(由FEI/Philips開發)通過檢測氣體中的(de)電荷流來(lái)采集信号。随後，市場上(shàng)出(chū)現了(le／liǎo)更多所謂的(de)“可變壓力-VP”電鏡設備（例如 “WET SEM”、“LV-SEM”、“Natural SEM”、“ECO-SEM”、“VP-SEM “等），盡管這(zhè)些儀器通常在(zài)較低壓力下運行，無法像ESEM那樣完全保持水合樣品的(de)自然狀态。
ESEM在(zài)材料研究中的(de)應用
濕态樣品的(de)原位觀察
ESEM最顯著的(de)優勢之(zhī)一(yī / yì ／yí)是(shì)能夠對濕态樣品進行原位觀察。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)實現這(zhè)一(yī / yì ／yí)目标，需要(yào / yāo)精确控制樣品室内的(de)溫度和(hé / huò)壓力條件，使其保持在(zài)水的(de)飽和(hé / huò)蒸汽壓曲線上(shàng)或附近(圖2)。在(zài)室溫條件下，維持飽和(hé / huò)水蒸氣壓需要(yào / yāo)較高的(de)氣壓，實際操作中較爲(wéi / wèi)困難。因此，最佳方案是(shì)将樣品溫度降至略高于(yú)冰點，此時(shí)僅需适度氣壓即可穩定水分含量。這(zhè)通常通過配備珀爾帖冷卻芯片的(de)樣品台來(lái)實現。
圖2 水的(de)飽和(hé / huò)蒸氣壓與溫度的(de)關系。圖中顯示了(le／liǎo)ESEM的(de)有效工作條件範圍；可以(yǐ)看出(chū)，通過對溫度進行微小調節即可改變樣品的(de)狀态。
圖3a展示了(le／liǎo)聚甲基丙烯酸甲酯乳膠的(de)膠體分散液，其中直徑約250納米的(de)球形顆粒漂浮在(zài)連續水相中。通過ESEM，研究者可以(yǐ)觀察到(dào)顆粒的(de)布朗運動，以(yǐ)及顆粒間的(de)相互作用和(hé / huò)聚集過程。通過精确調控溫度和(hé / huò)壓力條件，可以(yǐ)在(zài)觀察過程中實時(shí)改變樣品的(de)水合狀态，研究顆粒聚集行爲(wéi / wèi)(圖3b)。這(zhè)種能力使ESEM成爲(wéi / wèi)研究膠體系統、水泥材料以(yǐ)及表面現象的(de)理想工具。
圖3 不(bù)同條件下膠體分散體系的(de)ESEM圖像。a,250納米聚甲基丙烯酸甲酯乳膠顆粒在(zài)水中的(de)膠體分散體系。這(zhè)些顆粒發生布朗運動并可能相互碰撞。
圖3 b,相同的(de)顆粒現在(zài)分散在(zài)0.078 M硫酸鎂溶液中。在(zài)這(zhè)種溶液中，粒子(zǐ)間勢發生改變，使得任何碰撞都會産生相當高的(de)粘附概率，随着聚集過程的(de)進行，形成分形結構。聚集體的(de)具體特性強烈依賴于(yú)鹽的(de)濃度；在(zài)沒有任何鹽的(de)情況下，粘附概率較低，形成的(de)是(shì)膠體晶體而(ér)不(bù)是(shì)分形結構。
絕緣材料的(de)無鍍膜成像
ESEM在(zài)絕緣材料研究中具有獨特優勢。傳統CSEM需要(yào / yāo)對非導電樣品進行金屬鍍膜處理，這(zhè)不(bù)僅增加了(le／liǎo)樣品制備複雜度，還可能掩蓋樣品表面的(de)精細結構或改變其化學特性。ESEM通過氣體電離中和(hé / huò)電荷積累，能夠直接對未處理的(de)絕緣樣品進行高分辨率成像。
這(zhè)一(yī / yì ／yí)特性使ESEM在(zài)陶瓷材料、天然纖維、複合材料等研究領域發揮重要(yào / yāo)作用。例如，在(zài)水泥水化研究中，ESEM能夠觀察水化過程中的(de)微觀結構演變；在(zài)天然纖維研究中，可以(yǐ)在(zài)保持纖維部分水合狀态的(de)條件下研究其表面特性和(hé / huò)微觀結構(圖5)。
圖5 在(zài)圓柱形橫截面的(de)纖維素纖維上(shàng)凝結的(de)水滴的(de)ESEM圖像。标尺代表50微米。這(zhè)種圖像在(zài)液滴邊緣顯示出(chū)更清晰的(de)輪廓（呈波紋狀形狀——即表面具有恒定的(de)非零平均曲率），與光學顯微鏡相比，可以(yǐ)更容易地(dì / de)測定接觸角。
動态原位實驗
ESEM樣品腔可視爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)個(gè)微型實驗處理單元，允許研究者在(zài)觀察過程中改變樣品狀态。通過調整溫度、壓力或引入反應氣體，可以(yǐ)實時(shí)觀察材料在(zài)不(bù)同條件下的(de)行爲(wéi / wèi)和(hé / huò)轉變過程。這(zhè)種動态原位實驗能力已應用于(yú)多個(gè)研究領域，包括但不(bù)限于(yú)：
膠體系統的(de)幹燥和(hé / huò)成膜過程(圖4)。朗格缪爾膜在(zài)氣–水界面上(shàng)的(de)形成與結構演變
水在(zài)固體表面的(de)凝結與接觸角測定(圖5)。材料在(zài)不(bù)同濕度條件下的(de)水合/脫水行爲(wéi / wèi)，以(yǐ)及礦物與岩石在(zài)模拟環境條件下的(de)風化過程。
圖4 部分脫水乳膠的(de)ESEM圖像。該乳膠由成膜顆粒組成，這(zhè)些顆粒由甲基丙烯酸甲酯和(hé / huò)2-乙基己基丙烯酸甲酯的(de)共聚物構成。在(zài)脫水的(de)這(zhè)個(gè)階段，每個(gè)顆粒周圍仍有一(yī / yì ／yí)層薄薄的(de)水膜，顆粒尚未開始融合。
ESEM在(zài)生物學研究中的(de)應用與挑戰
ESEM在(zài)生物學領域展示出(chū)巨大(dà)潛力，其最大(dà)優勢在(zài)于(yú)可以(yǐ)在(zài)接近天然狀态下觀察生物樣品，無需進行脫水、固定、鍍膜等可能引入人(rén)爲(wéi / wèi)因素的(de)制備程序。這(zhè)使得研究者能夠更真實地(dì / de)觀察生物結構的(de)原始形态。
然而(ér)，與材料領域相比，ESEM在(zài)生物研究中的(de)發展相對滞後，主要(yào / yāo)原因是(shì)進入該領域的(de)研究者較少。此外，目前尚不(bù)明确是(shì)否可以(yǐ)在(zài)不(bù)損傷活細胞的(de)情況下對其進行觀察。雖然在(zài)低放大(dà)倍數下電子(zǐ)劑量較低，可能提高細胞存活的(de)可能性，但這(zhè)也(yě)削弱了(le／liǎo)與光學顯微鏡相比的(de)成像優勢。
盡管如此，對于(yú)需要(yào / yāo)電子(zǐ)顯微鏡級别分辨率的(de)生物醫學研究而(ér)言，ESEM提供了(le／liǎo)一(yī / yì ／yí)種減少樣品制備人(rén)爲(wéi / wèi)因素的(de)重要(yào / yāo)選擇。研究者可能會觀察到(dào)與傳統方法有所不(bù)同的(de)結構形态，這(zhè)不(bù)應被視爲(wéi / wèi)ESEM的(de)缺陷，而(ér)是(shì)傳統制備方法可能改變了(le／liǎo)樣品的(de)真實狀态的(de)證據。
絕緣材料無鍍膜成像的(de)優勢
樣品原始特性的(de)保留
對于(yú)絕緣樣品，如幹燥的(de)陶瓷、聚合物和(hé / huò)半導體材料，ESEM最顯著的(de)優勢在(zài)于(yú)免除了(le／liǎo)導電鍍膜的(de)需求。傳統SEM中，爲(wéi / wèi)防止充電效應，研究者通常需要(yào / yāo)在(zài)樣品表面沉積納米級别的(de)金、鉑或碳等導電材料。這(zhè)一(yī / yì ／yí)預處理步驟不(bù)僅增加了(le／liǎo)實驗複雜度，更爲(wéi / wèi)關鍵的(de)是(shì)，鍍膜會不(bù)可避免地(dì / de)掩蓋樣品表面的(de)精細結構，尤其是(shì)納米尺度的(de)形貌特征。
ESEM通過在(zài)樣品腔室中引入特定氣體（通常爲(wéi / wèi)水蒸氣），在(zài)電子(zǐ)束作用下産生正離子(zǐ)，這(zhè)些離子(zǐ)能有效中和(hé / huò)樣品表面積累的(de)負電荷，從而(ér)在(zài)保持樣品原始狀态的(de)條件下實現高分辨率成像。這(zhè)一(yī / yì ／yí)特性對于(yú)需要(yào / yāo)精确表征表面結構的(de)研究至關重要(yào / yāo)，如多孔材料的(de)孔隙形态、晶體材料的(de)晶面特征，以(yǐ)及聚合物材料的(de)微觀結構等。
動态過程的(de)實時(shí)觀察
無需鍍膜的(de)另一(yī / yì ／yí)顯著優勢在(zài)于(yú)可實現樣品動态變化的(de)連續觀察。在(zài)傳統SEM中，一(yī / yì ／yí)旦樣品發生物理或化學變化，新暴露的(de)表面若爲(wéi / wèi)絕緣體，将立即産生充電效應。而(ér)ESEM則可以(yǐ)持續觀察變化過程，而(ér)不(bù)受充電問題的(de)幹擾。
這(zhè)一(yī / yì ／yí)特性使ESEM成爲(wéi / wèi)研究材料在(zài)各類刺激下響應行爲(wéi / wèi)的(de)理想工具。例如，機械變形過程中的(de)裂紋演化、熱處理中的(de)相變現象、化學反應導緻的(de)表面形貌改變等，均可在(zài)ESEM中獲得連續且高分辨的(de)觀察記錄。此類研究爲(wéi / wèi)理解材料的(de)結構–性能關系提供了(le／liǎo)寶貴的(de)直接證據。
溫度依賴性應用研究–高溫環境下的(de)絕緣體研究
對于(yú)諸多絕緣材料，尤其是(shì)陶瓷與特定聚合物，高溫環境下的(de)微觀行爲(wéi / wèi)研究具有重要(yào / yāo)學術與工業價值。ESEM在(zài)這(zhè)一(yī / yì ／yí)領域展現出(chū)顯著優勢，可将樣品腔室轉變爲(wéi / wèi)一(yī / yì ／yí)個(gè)微型反應器，在(zài)精确控制的(de)溫度與氣氛條件下，實時(shí)追蹤材料變化。
以(yǐ)陶瓷材料爲(wéi / wèi)例，相變過程通常伴随着晶體結構與表面形貌的(de)顯著變化。在(zài)ESEM中，研究者可觀察到(dào)陶瓷原料從非晶态向晶态轉變的(de)完整過程，包括成核、晶粒生長、晶界形成及演化等現象。這(zhè)些觀察對于(yú)優化陶瓷制備工藝，提升産品性能具有直接指導意義。
值得注意的(de)是(shì)，ESEM在(zài)高溫研究中的(de)優勢不(bù)僅限于(yú)絕緣體，對于(yú)金屬材料的(de)氧化、腐蝕等過程同樣具有重要(yào / yāo)應用價值。通過在(zài)腔室中引入特定反應性氣體，如氧氣或水蒸氣，可模拟材料在(zài)服役環境中的(de)演變行爲(wéi / wèi)。甚至僅引入痕量氣體，也(yě)能誘導特定的(de)表面反應，爲(wéi / wèi)材料科學研究提供豐富的(de)實驗可能性。
低溫應用的(de)潛力與挑戰
理論上(shàng)，ESEM同樣适用于(yú)低溫條件下的(de)材料研究。然而(ér)，冷凍ESEM的(de)應用發展相對緩慢，在(zài)文獻中的(de)報道(dào)較爲(wéi / wèi)有限。這(zhè)主要(yào / yāo)受制于(yú)技術實現的(de)複雜性，包括樣品冷凍過程中的(de)結冰僞影控制、樣品轉移系統的(de)設計，以(yǐ)及低溫條件下氣體環境穩定性的(de)維持等挑戰。
随着冷凍轉移裝置與ESEM鏡筒設計的(de)不(bù)斷改進與整合，低溫ESEM技術有望在(zài)未來(lái)取得突破性進展。這(zhè)将爲(wéi / wèi)研究水基材料、生物樣品以(yǐ)及低溫相變過程提供新的(de)強大(dà)工具。潛在(zài)的(de)應用領域包括低溫電子(zǐ)器件的(de)工作機制研究、低溫條件下的(de)電池材料行爲(wéi / wèi)、冰晶形成與演化過程，以(yǐ)及生物組織在(zài)低溫保存條件下的(de)微觀結構變化等。
機械測試中的(de)應用前景
ESEM在(zài)材料機械性能測試方面展現出(chū)獨特的(de)優勢。傳統的(de)機械測試中，樣品在(zài)應力作用下發生形變，新暴露的(de)表面若爲(wéi / wèi)絕緣體，在(zài)電子(zǐ)顯微鏡觀察中将産生嚴重的(de)充電問題。而(ér)ESEM中，由于(yú)氣體電離産生的(de)正離子(zǐ)可持續中和(hé / huò)新生表面的(de)負電荷，因此能夠連續觀察變形過程中的(de)微觀機制。
這(zhè)一(yī / yì ／yí)特性使得ESEM成爲(wéi / wèi)研究材料斷裂行爲(wéi / wèi)、疲勞機制、應變局域化現象以(yǐ)及微觀結構與宏觀力學性能關聯的(de)理想平台。例如，在(zài)複合材料研究中，ESEM可直接觀察纖維與基體間的(de)界面失效過程；在(zài)金屬材料研究中，可追蹤位錯運動與裂紋擴展的(de)動态行爲(wéi / wèi)；在(zài)陶瓷材料中，可揭示脆性斷裂的(de)微觀機制。
盡管ESEM在(zài)機械測試方面的(de)研究報道(dào)目前相對較少，但随着原位測試技術的(de)發展及ESEM系統性能的(de)提升，這(zhè)一(yī / yì ／yí)領域的(de)文獻數量預計将顯著增長。研究重點可能集中于(yú)開發更精确的(de)微納米級原位力學測試裝置，以(yǐ)及解析在(zài)複雜環境條件下材料的(de)力–熱–化學多場耦合響應機制。
ESEM圖像的(de)解釋挑戰
傳統解釋框架的(de)适用性
迄今爲(wéi / wèi)止，ESEM圖像的(de)解釋通常沿用了(le／liǎo)傳統CSEM的(de)理論框架，即認爲(wéi / wèi)二次電子(zǐ)信号主要(yào / yāo)反映樣品的(de)表面形貌信息，而(ér)背散射電子(zǐ)信号則主要(yào / yāo)反映材料的(de)原子(zǐ)序數分布。在(zài)大(dà)多數實驗條件下，這(zhè)一(yī / yì ／yí)解釋框架确實适用，使得研究者能夠從ESEM圖像中獲取樣品的(de)基本形貌與成分信息。
然而(ér)，随着對ESEM成像機制研究的(de)深入，研究者逐漸認識到(dào)，氣體環境的(de)引入使得電子(zǐ)–樣品–氣體三者之(zhī)間的(de)相互作用變得更爲(wéi / wèi)複雜。例如，背散射電子(zǐ)與氣體分子(zǐ)碰撞可能産生額外的(de)二次電子(zǐ)，這(zhè)些電子(zǐ)雖然對總信号的(de)貢獻相對有限，但在(zài)特定條件下仍會對圖像形成産生影響。
加速電壓對ESEM圖像的(de)影響機制與CSEM相似——更高的(de)電壓使電子(zǐ)能夠更深地(dì / de)穿透樣品，提供更多的(de)内部信息，但會降低表面細節的(de)分辨率。然而(ér)，在(zài)某些特定條件下，ESEM中觀察到(dào)的(de)現象難以(yǐ)僅從傳統理論解釋。例如，當乳膠薄膜逐漸失去水分時(shí)，其顆粒邊緣呈現出(chū)特殊的(de)明亮環狀結構，這(zhè)種現象難以(yǐ)單純從形貌因素解釋，表明在(zài)ESEM圖像中，存在(zài)其他(tā)影響襯度形成的(de)機制。
複雜襯度機制的(de)探索
随着對絕緣材料研究的(de)深入，科學家發現ESEM中的(de)圖像襯度形成機制遠比最初設想的(de)複雜。一(yī / yì ／yí)系列研究表明，ESEM能夠展現一(yī / yì ／yí)些在(zài)傳統SEM中被金屬鍍膜掩蓋的(de)襯度信息，這(zhè)些信息與樣品的(de)本征電子(zǐ)特性密切相關。
當前對ESEM襯度機制的(de)理解尚未完全統一(yī / yì ／yí)，但普遍認同的(de)是(shì)，襯度的(de)産生與電子(zǐ)産率(electron yield)的(de)變化密切相關。一(yī / yì ／yí)種解釋認爲(wéi / wèi)，這(zhè)種變化源于(yú)生成的(de)電子(zǐ)在(zài)傳播到(dào)樣品表面的(de)過程中，因爲(wéi / wèi)局部電子(zǐ)結構差異而(ér)經曆不(bù)同的(de)能量損失過程。這(zhè)一(yī / yì ／yí)機制使得ESEM能夠區分半導體中的(de)摻雜濃度差異、可視化絕緣體中的(de)鐵電疇結構，以(yǐ)及區分化學性質相似的(de)不(bù)同聚合物。
以(yǐ)雙嵌段共聚物爲(wéi / wèi)例，ESEM能夠清晰展示其層狀相中的(de)顯著襯度，這(zhè)種襯度來(lái)源于(yú)聚合物内部的(de)電子(zǐ)特性差異，而(ér)非簡單的(de)形貌或成分變化。同樣，在(zài)水鋁石等礦物樣品中，觀察到(dào)的(de)襯度通常被歸因于(yú)“電荷襯度成像(CCI)”機制，這(zhè)一(yī / yì ／yí)現象表明局部電荷積累影響了(le／liǎo)二次電子(zǐ)的(de)産生率，而(ér)這(zhè)種效應與礦物中的(de)雜質分布密切相關。
圖6 聚苯乙烯–聚異戊二烯嵌段共聚物的(de)ESEM圖像，其中聚苯乙烯的(de)體積分數約爲(wéi / wèi)50%。在(zài)這(zhè)種情況下，聚苯乙烯形成較暗的(de)片層。與傳統的(de)對其中一(yī / yì ／yí)相進行染色（例如用四氧化锇）的(de)方法相比，這(zhè)種方法的(de)優點是(shì)無需樣品制備，并且避免了(le／liǎo)由染色引起的(de)膨脹等人(rén)爲(wéi / wèi)因素。圖像由英國(guó)謝菲爾德大(dà)學A.J.Ryan和(hé / huò)C.Salou提供。
然而(ér)，襯度形成的(de)完整機制遠比單一(yī / yì ／yí)因素解釋複雜。有效的(de)二次電子(zǐ)産率是(shì)多參數的(de)函數，不(bù)僅依賴于(yú)樣品内部的(de)電荷移動性，還與腔室氣體環境中的(de)離子(zǐ)行爲(wéi / wèi)直接相關。研究發現，氣體離子(zǐ)并非完全被動地(dì / de)中和(hé / huò)表面電荷，它們通過與發射電子(zǐ)的(de)複合作用，影響了(le／liǎo)進入探測系統的(de)有效電子(zǐ)數量，從而(ér)對最終圖像的(de)襯度産生影響。
這(zhè)種動态過程爲(wéi / wèi)ESEM襯度研究帶來(lái)了(le／liǎo)更多挑戰，同時(shí)也(yě)爲(wéi / wèi)新型表征方法開辟了(le／liǎo)可能性。雖然目前對ESEM中襯度形成的(de)完整機制尚未完全闡明，但其在(zài)材料表征中的(de)潛在(zài)價值毋庸置疑，特别是(shì)在(zài)研究絕緣材料的(de)電子(zǐ)性質、缺陷分布以(yǐ)及相界面特性等方面。
ESEM技術前景與發展方向
當前局限性分析
那麽，ESEM的(de)未來(lái)是(shì)什麽？盡管ESEM在(zài)材料表征領域展現出(chū)廣闊前景，但當前技術仍存在(zài)若幹亟待解決的(de)問題。首要(yào / yāo)挑戰在(zài)于(yú)探測器性能的(de)局限性。真正意義上(shàng)的(de)ESEM主要(yào / yāo)依賴于(yú)電子(zǐ)信号檢測，但現有探測器難以(yǐ)實現純二次電子(zǐ)的(de)選擇性檢測，背散射電子(zǐ)探測器的(de)性能同樣有待提升。對于(yú)可變壓力SEM(VP-SEM)的(de)其他(tā)變種，探測器相關研究更爲(wéi / wèi)匮乏。
探測器設計無疑是(shì)未來(lái)ESEM技術改進的(de)重點方向之(zhī)一(yī / yì ／yí)，突破性的(de)探測器技術有望顯著提升信号質量與成像能力，爲(wéi / wèi)更精确的(de)材料表征提供支持。
另一(yī / yì ／yí)技術瓶頸在(zài)于(yú)定量分析能力的(de)不(bù)足。雖然ESEM具備與CSEM相似的(de)能譜分析(EDS)功能，但氣體環境的(de)存在(zài)使得光譜解釋過程更爲(wéi / wèi)複雜。同時(shí)，電子(zǐ)圖像中觀察到(dào)的(de)襯度變化雖然反映了(le／liǎo)樣品局部特性的(de)差異，但當前尚無法将這(zhè)些襯度信息進行精确定量，用于(yú)相組成的(de)準确識别與表征。
這(zhè)些挑戰指向了(le／liǎo)未來(lái)研究需要(yào / yāo)重點解決的(de)幾個(gè)核心問題：二次電子(zǐ)産率如何受樣品局部特性與操作參數的(de)定量影響，以(yǐ)及如何在(zài)當前探測器技術條件下，将電子(zǐ)産率的(de)變化轉化爲(wéi / wèi)可靠的(de)定量分析信号。
多技術集成與應用拓展
盡管面臨諸多挑戰，ESEM展示樣品真實電子(zǐ)發射特性的(de)能力（無鍍膜掩蓋）使其在(zài)非均質絕緣體研究中具有無可替代的(de)優勢。在(zài)某些方面，ESEM與低電壓FESEM展現出(chū)相似的(de)表征能力，但ESEM不(bù)受高真空條件的(de)限制，這(zhè)爲(wéi / wèi)其應用領域開辟了(le／liǎo)更廣闊的(de)空間。
未來(lái)ESEM技術發展的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)重要(yào / yāo)方向是(shì)多技術集成與應用拓展。例如，WetSTEM（濕态掃描透射電子(zǐ)顯微技術）、EBSD（電子(zǐ)背散射衍射）、WDS（波長色散X射線光譜）、EDS（能量色散X射線光譜）、拉曼光譜、EBIC（電子(zǐ)束感生電流）、CL（陰極發光）等表征技術已開始與ESEM平台進行集成，爲(wéi / wèi)材料研究提供多維度、多尺度的(de)綜合信息。同時(shí)，各類原位測試技術，如拉伸台、加熱台等的(de)集成，進一(yī / yì ／yí)步拓展了(le／liǎo)ESEM的(de)應用範圍。
俄亥俄州立大(dà)學電鏡中心的(de)Quattro ESEM（俯視圖）
A) 用于(yú)冷卻和(hé / huò)加熱台的(de)平台冷卻器，B) EDAX Octane Elect EDS 探測器，C) EDAX Velocity EBSD 探測器，D) 可伸縮BSE探測器，E) ET探測器，F) 快速電子(zǐ)束消隐器，G)低真空二次電子(zǐ)探測器，H) 可伸縮 STEM 探測器，K) Horiba 全光譜CL探測器（全色探測器、多光栅、CCD 和(hé / huò) InGaAs 探測器）。L) 低溫用氣鎖，M) 冷阱， O) 液氮冷台 CryoMAT，P) Kammrath-Weiss 拉伸/壓縮平台
可以(yǐ)預見，随着技術的(de)不(bù)斷進步，ESEM将在(zài)越來(lái)越多的(de)材料研究領域發揮重要(yào / yāo)作用。盡管目前襯度形成機制還未被完全解析，但ESEM在(zài)樣品制備簡化、動态實驗條件控制以(yǐ)及特殊信息獲取方面的(de)優勢已經得到(dào)廣泛認可。對于(yú)複雜的(de)濕态樣品，實驗設計與參數控制可能仍具挑戰性，這(zhè)也(yě)是(shì)當前使用該技術的(de)研究群體相對有限的(de)原因之(zhī)一(yī / yì ／yí)。然而(ér)，随着技術的(de)成熟與應用經驗的(de)積累，ESEM有望吸引更多研究人(rén)員的(de)關注與應用，爲(wéi / wèi)材料科學與工程領域的(de)創新研究提供強大(dà)支持。
參考文獻
Danilatos, G. D. Foundations of environmental scanning electron microscopy. Adv. Electron. El. Phys. 71, 109–250 (1988)
Donald, A. The use of environmental scanning electron microscopy for imaging wet and insulating materials. Nature Mater 2, 511–516 (2003)
Uwins, P. J. R. Environmental scanning electron microscopy. Mater. Forum 18,51–75 (1994)
. Meredith, P., Donald, A. M. & Thiel, B. Electron-gas interactions in theenvironmental SEM’s gaseous detector. Scanning 18, 467–473 (1996)
