【作者按】前文【掃描電鏡工作距離與探頭的選擇（上）】我們通過實例展示並探討了：工作距離與探頭的不同組合與樣品表面形貌像的分辨力之間存在怎樣的關係，列表對比了不同工作距離和探頭組合的優缺點。
本文將進一步以實例來展現並探討，正確的工作距離和探頭的選擇，將會對掃描電鏡的測試結果和狀態的維持產生怎樣的影響。給大家在進行掃描電鏡測試工作時，對於工作距離及探頭的選擇，提供一定參考。
如前面一再強調，形成掃描電鏡表面形貌像的基礎在於反映表面形貌高低差異的形貌襯度。形成形貌襯度的因素，取決於探頭對樣品信號的接收角度，而形成這個接收角度的主要因素，依據樣品特性及信息需求的不同分為兩個層面。
第一個層面：低倍，觀察的樣品表面形貌起伏較大（大於20納米）。要表達這類信息，需要相應的形貌襯度也較大。只有在探頭、樣品和電子束之間存在一定角度，所形成的形貌襯度才能充分展現這種位置上的差異。此時樣品倉探頭（L）將作為接收樣品信息的主體。不同的形貌襯度，要求這三者之間形成的最佳接收角不同，需要進行不停的調整。
實際操作時，由於探頭和電子束中軸位置是固定的，因此這個角度的改變就落實在樣品位置的調整上。工作距離和樣品臺傾斜角的改變是進行這個角度大範圍調整的唯二之法。
第二個層面：高倍，觀察區域縮小，樣品表面起伏減弱，形貌高低位置的差異也將削弱，樣品電子信息的溢出角度所形成的形貌襯度足以呈現樣品表面高分辨形貌特徵。因觀察的細節小，小於10納米，信息擴散對這些細節的幹擾將左右最終結果。用小工作距離、鏡筒內探頭來獲取充分的二次電子信息是最佳方案，此時形成高分辨表面形貌像的關鍵點在於鏡筒內探頭（U）能否充分獲取樣品的低角度電子信息。
在掃描電鏡的實際測試過程中，所要獲取的樣品表面形貌信息，絕大部分都落實在第一個層面中。因此充分利用樣品倉探頭來形成樣品的表面形貌像，就應當成為日常測試工作的主要選擇。以此為基礎，依據樣品所表現出的特性及所需獲取的樣品信息，來改變測試條件，將會使得測試工作真真做到有的放矢，獲取的樣品信息也更充分。
十分可惜，由於認識上的偏差，對工作距離和探頭的選擇思路往往與此背道而馳。將小工作距離做為獲取高分辨像的唯一途徑，進而推廣為常規測試條件，這容易形成樣品信息不充分、假象多、壓縮樣品操作空間、增加鏡筒汙染和樣品損傷機率的結果。這些事例都將在本文中給予充分的體現。
要使表面形貌像含有充足的樣品信息，關鍵是如何調控樣品倉探頭（L）和鏡筒內探頭（U）對樣品信息的獲取。而這個調控工作的關鍵點又在於工作距離的選擇。
下面將以工作距離的改變為主軸，從表面形貌像的信息量、樣品荷電的應對、磁性材料的觀察這幾個方面來探討不同的工作距離和探頭選擇究竟能帶來怎樣的測試結果。
1.1 工作距離的改變與表面形貌像的獲取
利用掃描電鏡對樣品的表面形貌進行觀察，其過程和我們對日常事物的觀察並無不同。
要充分觀察一個物體，在這個物體與眼睛離開一定距離時，獲取的信息最多。太遠，無法分辨；太近，雖然看的細緻，但往往只能觀察到局部，獲取的信息精細但貧乏。即所謂鼠目寸光，可明察秋毫，也容易以偏概全、以點代面。
獲取一個物體信息的過程都始於全貌觀察。由整體到局部、遠觀到近考。近考是以遠觀為基礎，而物體的大部分信息都是在一定距離下從各種不同角度去觀察來獲得。
對於掃描電鏡來說也是如此：探頭如同人的眼睛，工作距離就如同物體所處的觀察位置。大量的樣品信息都應當在一個特定的工作距離上，從側面（樣品倉探頭）和頂部（鏡筒內探頭）來獲取。少量的細節信息（<10nm）需要靠近樣品，用鏡筒內探頭，小工作距離來觀察。
這個特定的工作距離各電鏡廠家都不相同，個人認為日立冷場掃描電鏡是15mm。下面將從各種不同工作距離獲取的信息對比開始，用實例來展示各種工作距離和探頭組合的優劣，同時分享我在測試時對其選擇的流程，供大家參考。
1.1.1圖像的清晰度和辨析度
清晰度：是指影像上各細部紋理及其邊界的清晰程度。
辨析度：是指影像上各細部紋理及其邊界的分辨程度。
瑞利判據：一個愛裡斑中心與另一個愛裡斑的第一級暗環重合時, 剛好能分辨出是兩個像。
依據瑞利判據，圖像辨析度要求的是圖像足夠清晰而並不追求絕對清晰。在獲取掃描電鏡圖像時常常發現，圖像的高清晰並不一定帶來高分辨。許多高清晰的圖像其細節分辨並不好，而某些圖像雖然清晰度較差，但並不影響對微小的細節信息進行分辨。辨析度高才能帶來高分辨能力，這種情況在對不同放大倍率和採用不同測試條件獲取的表面形貌像進行對比時會經常出現，前面有充分的實例給予展示。
關於掃描電鏡圖像的清晰度與辨析度，以後還有專文探討。
1.1.2樣品倉探頭的最佳工作距離
各電鏡廠家的樣品倉探頭位置設計不同，因此它們的最佳工作距離也不相同，日立冷場電鏡在15mm。
如上篇的實例所示：樣品倉探頭在工作距離小於8mm時接收到的樣品信息較少，小於4mm基本接收不到樣品信息。大於8mm接收到的樣品信息逐漸增多，15mm達到最佳的成像效果，大於15mm接收效果及圖像立體感緩慢減弱。
依據樣品倉探頭對樣品信息的接收效果，可將工作距離大於8mm稱「大工作距離」，小於4mm稱為「小工作距離」。
小工作距離下，對樣品信息的接收局限在鏡筒內探頭，接收到的樣品信息較為單調。雖有利於在高倍時呈現小於10nm的樣品細節信息，但不利於全面獲取樣品的表面信息。故將樣品至於樣品倉探頭的最佳工作距離就十分必要。
樣品倉探頭位置設計的越合理，利用探頭組合來改變表面形貌像中SE2:BSE的比值和信息接收角度的範圍就越大，同時樣品的可操控範圍也越大。這將使得圖像中的各種襯度信息更能得到充分的展現，形貌像的信息內容也越多。
下面將從圖像的分辨能力、信息量、倍率變化範圍以及樣品操控等幾個方面來對比大、小工作距離測試的優劣。
A）大工作距離與圖像細節的分辨能力
對於圖像細節分辨力，目前在認識上存在一種簡單的單調思維方式。所謂簡單的單調思維方式就是用部分代替整體。如某測試條件在高倍時對極細小的細節擁有非常好的測試效果，就想當然的認為在低倍時也會擁有非常好的測試結果。
實際情況往往並非如此，高倍有好的細節分辨力，不代表這個測試條件就一定能在低倍獲得良好的結果。這在上篇有充分的展示，本文將再以一個實例來介入該問題的探討。
二氧化矽介孔樣品。選擇小工作距離、鏡筒探頭這組測試條件有利於對孔道信息的展現。但是否在低倍觀察二氧化矽顆粒的整體信息時，也有同樣的表現？請看以下這一組圖片：
上述實例可以看到，圖像分辨力的主要影響因素是動態變化的。隨著樣品特性以及信息需求的變化，形成形貌像的主導因素也會發生改變。因此測試條件也應隨之變更，否則將無法獲得充分的樣品信息和圖像的高分辨力。
不少樣品表面形貌細節的高分辨觀察並不需要用小工作距離來進行。在大工作距離下就可以獲取非常優異的高分辨像，且高分辨像的空間伸展更加充分。如下圖：
儀器性能優異，即便是介孔樣品的介孔信息，在大工作距離下採用鏡筒內探頭或混合探頭，該信息也並非無法觀察。但因上探頭的接收效果變差，圖像整體清晰度及信號量有所減弱，但介孔卻可被明確分辨，且能保證一定的圖像質量。
B）大工作距離獲取的圖像，空間信息更充分
高分子膜和二氧化矽小球，左圖採用大工作距離，下探頭從側向接收樣品信息，圖像的形貌襯度充分，空間立體感強烈，信息更豐富。右圖小工作距離，只能是鏡筒內探頭從頂部接收樣品信息，形貌襯度薄弱。圖像如同被壓扁，空間信息貧乏，整體分辨力不足。
C）大工作距離有較大的倍率變化空間
採用大工作距離測試，獲得圖像的倍率變化空間大。有利於在原位從低倍到高倍進行倍率的大範圍改變，獲取樣品的信息更全面，形成的樣品信息系統性更為優異。
小工作距離的起始倍率較高，對低倍獲取樣品的全貌有所限制，特別是應對那些體積較大的樣品。
D）大工作距離有利於樣品做大範圍移動
工作距離越大樣品的可移動範圍也越大，越有利於我們從多個側面來對樣品進行觀察。特別是對空間差異較小的樣品，大角度的傾斜，可改變探頭獲取樣品信息的角度，將有利於充分展現樣品的空間形態，減少誤判。
以上多個實例，充分展示大工作距離測試所帶來的強大優勢，下面將對大工作距離、樣品倉探頭組合做重點探究。
1.1.3大工作距離、樣品倉探頭組合的測試優勢
樣品倉探頭在大工作距離測試時，如同從側上方觀察樣品，獲取的樣品表面形貌襯度要遠大於從樣品頂部採用鏡筒內探頭所獲取的結果。
形成表面形貌像的優點：空間信息豐富，立體感強，樣品信息更充分，可減少假象的形成，低倍時圖像的分辨能力強，Z襯度更優異，受荷電影響極小。
樣品倉探頭（下探頭）獲取的圖像形態對工作距離、樣品傾斜角度、加速電壓的改變都比較敏感，這為充分獲取樣品信息提供足夠的保障，可以多維度展現樣品的形貌特徵。
A）工作距離的改變對下、上探頭接收樣品信息的影響
B）樣品傾斜對下、上探頭接收樣品信息的影響
C）加速電壓的變化對上、下探頭接收樣品信息的影響
1.1.4 大工作距離、樣品倉探頭組合的測試劣勢
下探頭位於樣品側上方，直接面對的是低角度電子信息。低角度位置上分布的主要是背散射電子，故以下探頭為主形成的表面形貌像，容易受背散射電子在樣品中擴散的影響。
結果是：高倍圖像的清晰度不足，十納米以下的細節容易被掩蓋，隨著鏡筒內探頭被添加進來，此現象所改善。
樣品倉探頭對以二次電子為主導的電位襯度及二次電子襯度信息的展現較差。具體實例如下：
1.1.5大工作距離測試有利於材料的缺陷分析
通過對以上大工作距離下各種探頭組合的優、缺點展示可見：無論哪種組合都有局限，很難用一種條件包打天下。
大工作距離條件下，可輕鬆切換上、下探頭，對比不同探頭獲取的不同樣品訊息，可得到單一探頭組合所無法展現的異常現像，這將有利於對材料進行缺陷分析。
如：在大工作距離條件下，切換上、下探頭，獲取樣品表面的電位襯度不同。通過對比因不同的電位襯度所展現的圖像形態差異，可以得到樣品表面局部被汙染或氧化的信息。下面是兩個我遇到的非常成功案列。
1.2工作距離和探頭的選擇與樣品荷電的應對
樣品荷電現象指的是：樣品中由於電荷累積形成荷電場，該荷電場對樣品表面信息的正常溢出產生影響，在形貌像上疊加形成異常亮、異常暗或細節磨平的現象。
不同能量的電子信息受到荷電場的影響程度也會不一樣。能量弱小的二次電子極容易被荷電場所影響，使得由其為主形成的表面形貌像上，荷電現象顯得較為嚴重。如果減少二次電子的含量，表面形貌像上的荷電現象將會減輕。
採用混合探頭進行測試時，加大工作距離可減少形貌像中二次電子信息的含量，有效改善荷電的影響。
下探頭接收的主要是背散射電子。應對樣品荷電，大工作距離下單選下探頭常常是一個極其有效的方法。
樣品的荷電現象及應對方式，後面將有專文加以探討。
1.3磁性樣品的觀察
物質的磁性來自核外軌道電子自旋。因此嚴格來說，所有物質都帶有一定磁性，都可被稱為：磁性材料。
原子核外都是成對電子，電子之間的磁矩相互抵消，所以無論物質進不進入磁場都對外不顯露磁性，稱「反磁性」。
原子核外有不成對電子，不成對電子在熱擾動影響下雜亂排列，形成原子或分子間磁矩相互抵消。進入磁場後，不成對電子受磁場作用克服熱擾動的影響，按磁場方向有序排列，對外表現出磁性。取消外加磁場，不成對電子在熱擾動影響下又進入雜亂排列狀態，顯現的磁性消失，這就是「順磁性」。
將不成對電子換成「磁疇」，所謂「磁疇」指的是多個同方向電子的集合，這類物質進入磁場後表現出的磁性非常強。外加磁場達到一定值，撤除磁場，熱擾動無法使磁疇恢復無序狀態，形成極強的磁滯現象。這就是「鐵磁性」。
高分辨掃描電鏡為了使鏡筒內探頭獲取更多的樣品表面電子信息，物鏡磁場對樣品倉做一定量的洩露，稱「半內透鏡物鏡」設計。這種類型的物鏡，當具有「順磁」或「鐵磁」等性質的樣品靠近時，會被物鏡的漏磁磁化並吸入物鏡，汙染鏡筒並幹擾磁透鏡的磁場。
採用大工作距離觀察，在樣品遠離物鏡達到一定值以後，這種影響將會減弱直至消失，鏡筒也很難被其汙染。
順磁及鐵磁性物質的表面細節都比較粗大，用樣品倉探頭在大工作距離條件下獲取的表面信息往往更優異也更充分。
如果掃描電鏡在大工作距離上有強大的成像能力，可輕鬆獲取高質量的幾十萬倍高分辨形貌像，則對這些材料的表面形貌測試將不會受到任何限制。
關於物質的磁性及磁性物質的區分，以及在掃描電鏡測試時該如何應對，這些都將在下一篇經驗談中有詳細探討。
大工作距離，電子束的離散度較大，會使得電子束能量也發生較大程度的離散，對樣品的熱損傷也會減少。應對容易被熱損傷的樣品，採用大工作距離測試也是重要方式之一。
沒有好的儀器狀態，儀器調整的再優異都無濟於事。要保持良好的儀器狀態，維持樣品倉、鏡筒環境的真空是基礎。由於清潔鏡筒極為困難，故對其環境的維持也最為關鍵。
鏡筒汙染除了物質的磁性質，還來自以下兩個方面：
1. 樣品中含有的各種揮發物。因此掃描電鏡測試對樣品的要求是：樣品尺寸儘可能的小，固定樣品所用的膠體儘可能少，樣品表面儘可能地處理乾淨、乾燥。
2. 電子束從樣品表面轟擊出來的各種極性或非極性物質，這類物質在鏡筒表面的吸附性超強。
減少鏡筒汙染，控制樣品是一方面，更關鍵的是將樣品遠離物鏡。樣品靠鏡筒越近，進入鏡筒的汙染物會成倍增加，更不用說那些所謂的磁性物質。無論那種類型物鏡，長期在小工作距離下測試，儀器狀態都無法得到保證。
本人的S-4800使用十幾年了，測試量很飽滿，長期堅持大工作距離測試，同時對樣品嚴格控制，因此從09年儀器安裝至今，燈絲未更換、儀器也從未做過專門的大保養，但卻一直都能保持極佳的工作狀態。
下面以一組拍攝於2019年，用各種低電壓、大工作距等較差的測試條件，拍攝的碳球高分辨圖像來結束本章節。
樣品倉探頭和鏡筒內探頭是從不同角度來獲取樣品信息。它們獲取樣品信息的側重點不同，所適合應對的樣品及展現的樣品信息特徵也不一樣。
鏡筒內探頭獲取的樣品信息以二次電子為主，對尺寸小於20nm的樣品細節影響小，故圖像清晰度高，二次電子襯度及邊緣效應充分，電位襯度明顯。但由於是從頂部通過物鏡來獲取樣品信息，形貌襯度不足，使得其對於較粗大的樣品細節（20nm以上）信息獲取效果不佳，荷電應對能力差。
樣品倉探頭獲取的樣品信息是背散射電子和二次電子的混合信息，背散射電子為主導。由於背散射電子的影響，高倍圖像清晰度不足，對20nm以下的樣品細節分辨影響較大，幾納米的樣品細節幾乎無法分辨。但該探頭從樣品的側上方獲取樣品信息，形貌襯度及Z襯度充足。對低倍下觀察表面起伏較大的細節信息（大於20nm）有極其明顯的優勢。
改變工作距離的主要目地就是為了調控樣品倉探頭和鏡筒內探頭對樣品表面信息的接收，形成最佳的效果。
工作距離越小，越有利於鏡筒內探頭對樣品信息的獲取。過小的工作距離，樣品倉探頭接收不到樣品信息，整個表面形貌像的特徵都由鏡筒內探頭來決定。有利於展現10納米以下的細節，但低倍時圖像效果差，信息類型較為單一。
大工作距離有利於樣品倉探頭對樣品表面信息的接收，同時也能兼顧鏡筒內探頭接收樣品信息。兩個探頭信息的合理組合，將使獲取的形貌像內容更加充實。各種襯度信息的組合越合理，獲取的樣品信息越豐富，形貌分析的手段更多樣，形成的表面形貌假象也越少。大工作距離測試的缺點是鏡筒探頭接收效果不佳，10納米以下細節質量退化較嚴重。
加大工作距離會使得電子束的離散度增加，從而降低樣品熱損傷的程度。但對圖像清晰度有影響，超過一定值（過度）也會影響到圖像細節分辨。該影響也會遵循適度性的原則，不同樣品、不同的形貌細節，影響程度不同。
在工作距離與探頭的選擇中，工作距離的選擇是基礎。只有工作距離合適了，探頭的作用才能發揮出來。
掃描電鏡的每次測試都會有一個初始工作距離的選擇，個人認為這個值應滿足以下條件：1. 樣品信息儘可能豐富，能為後續調整指明方向；2. 樣品的操作空間儘可能大，使得樣品能夠充分移動；3. 圖像的信息儘可能多，使得後續調整更容易；4. 儘可能兼顧樣品分析；5. 離物鏡儘可能遠，保護鏡筒，遠離樣品磁性及汙染物的影響。
對日立的冷場掃描電鏡來說這個工作距離應該是15mm。
加速電壓、束流、工作距離、探頭這四個測試條件的正確選擇是獲取高質量掃描電鏡測試結果的基礎。在工作距離和探頭的選擇上，目前存在的曲解極其嚴重，不利於充分獲取樣品信息。希望本文能給大家提供一個全新的視野。
參考書籍：
《掃描電鏡與能譜儀分析技術》 張大同 2009年2月1日 華南理工出版社
《微分析物理及其應用》 丁澤軍等 2009年1月 中科大出版社
《自然辯證法》 恩格斯 于光遠等譯 1984年10月 人民出版社
《顯微傳》 章效峰 2015年10月 清華大學出版社
日立S-4800冷場發射掃描電鏡操作基礎和應用介紹
北京天美高新科學儀器有限公司 高敞 2013年6月
作者簡介：林中清，1987年入職安徽大學現代實驗技術中心從事掃描電鏡管理及測試工作。32年的電鏡知識及操作經驗的積累，漸漸凝結成其對掃描電鏡全新的認識和理論，使其獲得與眾不同的完美測試結果和疑難樣品應對方案，在同行中擁有很高的聲望。2011年在利用PHOTOSHIOP 對掃描電鏡圖片進行偽彩處理方面的突破，其電鏡顯微攝影作品分別被《中國衛生影像》、《科學畫報》、《中國國家地理》等雜誌所收錄、在全國性的顯微攝影大賽中多次獲獎。
延伸閱讀：
易輕忽之肯綮：掃描電鏡工作距離與探頭的選擇（上）——安徽大學林中清32載經驗談（9）