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新的一期「電鏡學堂」又跟大家見面了，今天主要談一談電鏡的基本操作和掃描電鏡解析度的一些細節問題！除了科研、旅行、交朋友，我還會學習電鏡知識，不斷充電喔~！
這裡是TESCAN電鏡學堂第8期，將繼續為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》(本書簡介請至文末查看)，幫助廣大電鏡工作者深入了解電鏡相關技術的原理、結構以及最新發展狀況，將電鏡在材料研究中發揮出更加優秀的性能！
第一節 電鏡的基本操作
要獲得一張清晰的電鏡照片，必須要能夠做好最基本的電鏡操作、以及針對各種樣品做出工作條件的優化。
基本操作包括熟練的調節對焦和消像散。對焦相對容易，改變焦距，直至圖像最清楚的時刻即為合焦。在偏離焦距較多的時候可以用較高的靈敏度，在合焦點附近調低靈敏度，以便進行精確對焦。
基本操作中消像散相對來說比較麻煩，特別是像散很大時，對於很多初學者來說調節比較困難。不過前面已經介紹了像散的產生，電子束由於不再是圓形，所以在像散未消除的情況下，圖像是不清晰的。不過其中有兩個特殊的位置，即光學中的子午和弧矢，在這兩個位置上束斑完全成正交的直線。而明晰圓一般在弧矢和子午的中間。
圖5-1 弧矢、子午和明晰圓對應的圖像
所以反映在電鏡圖像上，改變焦距的時候會出現兩個嚴重的拉伸，拉伸方向可能因樣品而不同，但是這兩個拉伸方向一定正交。所以此時將焦距調節至兩個拉伸明顯狀態的中間位置，基本固定焦距。然後在此焦距下，進行消像散線圈的調節，先調X或Y中的一個維度，待圖像達到最清楚後再調節另一個維度。
有關拉伸方向的判斷並不困難，試樣中的各種特徵點都可以作為判斷依據，比如孔洞或者顆粒（如圖5-2），或者樣品邊緣（如圖5-3），都可以輕易的進行判斷。尤其在像散比較大時，不要焦距和像散的兩個維度亂調一氣，以免像散過大而完全無從判斷。
圖5-2 孔洞、顆粒的像散判斷
圖5-3 邊界的像散判斷
消像散、對焦是掃描電鏡操作中最基本的要求，在進行圖像觀察時要時刻保持合焦和無像散的狀態。
第二節 掃描電鏡解析度
解析度是掃描電鏡最基本的性能判斷指標，首先我們要弄清掃描電鏡解析度的一些細節問題。
通常有關解析度的問題，都會遵循瑞利判據。即一個光點按照衍射理論會是一個衍射斑，兩個光點逐步靠近時，對應的衍射斑也從分離趨於重合。當兩個衍射斑的半高寬重疊，則認為不可區分了。此時兩個衍射斑之間的距離即為解析度，如圖5-4。
圖5-4 瑞利判據
但一般單幀圖像的儀器才完全符合此規律，比如TEM、光學顯微鏡等。掃描電鏡的解析度以瑞利判據為基礎，但也卻略有不同。掃描電鏡是屬於電子束移動型的，並不完全適用半高寬重合的概念。
掃描電鏡的解析度分為理論解析度、驗收解析度，和一般測試過程中能達到的解析度。
§1. 理論解析度
掃描電鏡的理論解析度只能用電子束束斑所能達到的最小尺寸來進行描述，其達到樣品上的束斑的直徑理論上為：
其中，d為理想狀況下電子源匯聚點經過電磁透鏡成像後的束斑大小、CS為電鏡的球差係數、CC為色差係數、ΔV為燈絲單色性、V為加速電壓、I0為束流、B為燈絲亮度、α為電子束匯聚的張角，λ為電子波長（遠小於其它項）。
束斑直徑D越小，電鏡解析度越高。我們詳細分解一下上述公式：
① 高斯束斑dk項：
在不考慮任何非理想因素時，將電子鏡筒完全看成是光學成像。電子源發出的電子在經過透鏡、光闌、物鏡後，束斑變小，這和光學儀器中的逐次成像基本一致，如圖5-5。
圖5-5 電子束的逐次匯聚成像
根據圖5-5中，我們可以得到到達樣品上的束流I0為
其中，αa越小，αj越大，束流越小。αa對應的光闌大小，αj對應聚光鏡的勵磁。再根據透鏡逐次成像公式，我們得到束斑直徑d為
或者根據亥姆赫茲-拉格朗日定則同樣得到束斑直徑d為
由公式我們便可得知不同的電子源d0相差很大，所以對d乃至最後實際電子束的直徑有很大影響。其次，工作距離越近S越小，匯聚角α越大，聚光鏡勵磁越強αj越大，光闌孔徑越小αa越小，均是有利於減小最後的束斑尺寸。
從這一點我們也能得出一個簡單的結論，在實際操作過程中工作距離越小、光闌孔徑越小、束流越小，解析度越高。
② 有關球差項：
球差CS由電鏡設計所決定，無法通過電鏡操作進行改變。不過半磁浸沒式透鏡比無磁場物鏡有更低的球差係數，這也可以說明具有多模式的電鏡在進入磁浸沒模式後，解析度會大幅度提高。
③ 有關色差項：
色差CC由電子源的類型所決定，也非通過改變電鏡工作條件就可控制。不過相對來說高電壓下色差是影響更小，所以這也是為什麼所有的電鏡都是在高電壓下有著比低電壓更好解析度的重要原因。
④ Boersch效應：
雖然電子束與光束的匯聚成像極其類似，但是兩者有一個重大的不同點，那就是光線在傳播中對其它光線不會有任何影響，而電子束中的電子間卻存在相互排斥的庫侖力，如圖5-6。
圖5-6 Boersch效應
A為理想狀態下電子傳播的過程，但是由於存在庫侖力的作用，會導致電子在傳播過程中後面的推前面的電子，在這一過程中導致電子能量發生震蕩，如B；不僅在傳播方向，由於電子束總有一定的截面積，在同一個波面中的電子也會相互排斥，如C；
所以早在1954年，Boersch就隨著電子束束流的增加會導致電子能量分布展寬，大大超過陰極溫度對應的麥克斯韋分布的能量寬度，從而使得束斑尺寸大幅度增加，這就是著名的Boersch效應。
根據束斑公式，我們先做一個簡單的結論。將所有參數分成兩個部分，一部分由電鏡設計所決定，操作人員改變不了的因素：如球差、燈絲色差、亮度等。另一部分，操作者可以通過改變電鏡工作條件進行控制來減小束斑尺寸、提高解析度：提高加速電壓、減小束流束斑、減小工作距離、減小光闌孔徑。
§2. 驗收解析度
以上介紹的都是理論上的解析度，但是電鏡的分辨能力最終要通過實驗進行檢驗，於是任何電鏡都有一個指標解析度來表明電鏡的性能水平，而所謂的驗收解析度一般都要不差於指標解析度。
不過電鏡驗收和平時實驗觀察不同，拍攝驗收指標需要在比較苛刻的條件下進行。不僅要有達標的環境條件，不能有電磁場、振動幹擾，也必須是特定的碳襯底金顆粒樣品。
不過目前有關電鏡的驗收解析度還沒有標準的測試方法，不過通常採用的有三種方法：間隙測量法、有效放大率法和對比度法。
① 間隙測量法
間隙測量法早期使用很多，甚至現在有很多電鏡驗收依然採用此種方法。此種方法是拍攝金顆粒標樣，然後尋找金顆粒之間的間隙進行測量，將能量到的最小間隙作為解析度，如圖5-7。
圖5-7 間隙測量法
不過此種方法有著很大的局限性，隨著電鏡解析度越來越高，金顆粒之間的間隙可能要比解析度大很多，很難找到適合測試解析度的位置。另外，當放大倍數很大時，測量往往會有較大的不確定性。量尺寸即使誤差一個像素，也誤差了接近零點幾納米，而現在場發射電鏡的解析度都在1.0nm左右，這樣的誤差是不可接受的。
② 有效放大率法
為了解決第一種方法的不足，往往會採用有效放大率法。人眼在明視距離（約25 cm）下的解析度為0.3 mm，再小人眼則不能分辨。用0.3毫米除以電鏡的解析度即為有效放大率。如電鏡解析度為1.5 nm，其有效放大率就是20萬倍。當放大倍數超過有效放大率後，圖像雖然視場在縮小，感覺在放大，但是不會出現更多的細節。
圖5-8 有效放大率法
採用此種方法進行解析度測試時，拍攝有效放大率（或者略大倍數）下的金顆粒照片，如果圖像清晰，金顆粒邊緣銳利可辨，則視為能達到解析度。
③ 邊緣對比度法
在光學儀器的解析度中往往用調製傳遞函數（MTF）進行解析度的測試。MTF是通過測試一系列寬度不同的黑白線對，通過光學成像後的線對的反差情況來判斷光學儀器的性能。將黑色線條認為是零亮度，白色線條是100%亮度。理論上來說黑白線對之間的邊緣應該很銳利沒有過渡。
但是隨著線對的寬度越來越窄，經過成像後，白線區域的亮度有所減少，黑色區域的亮度有所增加，也就是說成像中的黑白線對都隨著寬度的減小越來越向中間灰色靠攏。直至最後線對極其緻密時，黑白線的亮度一樣，線對完全不可區分，如圖5-9。
圖5-9 黑白線對與反差
那麼線對密度與對應的反差之間就有一條遞減的曲線，此曲線就是MTF曲線，如圖5-10。它反應了光學儀器的解析度和反差性能。此外，黑白線對之間過渡區域也隨線對的變窄而越來越寬。
圖5-10 MTF曲線
在電鏡中也同樣如此，金顆粒與碳基底的邊緣交界處也可看成是一個黑白線對，這個線對的亮度也有一個高斯函數（衍射波理論的要求）的過渡，類似MTF曲線。通常將某兩個反差之間對應的距離就作為電鏡的解析度，如圖5-11。
圖5-11 金顆粒和碳基底之間的反差曲線與解析度
圖5-12 不同反差區間的選取對解析度的影響
不過各個電鏡廠家所選取的作為解析度標準的反差區間卻沒有統一，比如TESCAN和蔡司選擇25%～75%的區間，FEI選擇35%～65%的區間。這會造成同一張圖片，不同的廠家會給出不一樣的解析度。
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《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》是由業內資深的技術專家李威老師（原上海交通大學掃描電鏡專家，現任TESCAN技術專家）、焦匯勝博士（英國伯明罕大學材料科學博士，現任TESCAN技術專家）、李香庭教授（電子探針領域專家，兼任全國微束分析標委會委員、上海電鏡學會理事）編著，並於2015年由東北師範大學出版社出版發行。本書編者都是非常資深的電鏡工作者，在科研領域工作多年，李香庭教授在電子探針領域有幾十年的工作經驗，對掃描電子顯微鏡、能譜和波譜分析都有很深的造詣，本教材從實戰的角度出發編寫，希望能夠幫助到廣大電鏡工作者，特別是廣泛的TESCAN客戶。
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