显微技术的电子显微镜的发展

“扫描近场光学显微技术” Z早由科学研究工作者Edward Hutchinson Synge提出。根据观察到的在一定压力下电弧发出的通过孔径仅为100nm的强聚焦平面光，他认为，利用这种小孔径可以使光在样品表面进行逐点扫描成像，同时采集被测量物质的光学信息，并大胆预测这一技术的实现将是照明探测研究领域中的巨大突破。在1956年和1972年，John A.O'Keefe与Ash and Nicholls进一步完善了该理论，并提出小孔探测原件尽可能接近样品表面将有助于该技术的实现。1984年，diyi台利用可见光辐射进行测量的近场光学显微镜由Pohl等制造并使用，该显微镜通过探针在样品表面保持数十纳米的距离采集反馈信息，并在两年后实现了高分辨成像。

然而，传统近场光学显微镜由于瑞利衍射极限（Rayleigh limitation），其分辨率不仅受到孔径尺寸的制约，也受到入射光波长1/2的限制。因此，对于sub-um的纳米材料检测成像时，传统近场光学显微镜只能采用有限波长范围的可见光，且难以获得高清图像信息。在中红外领域，近场光学显微技术对纳米结构几乎没有用武之地。

散射式近场光学显微镜利用AFM探针对激光光束聚焦照明，在针尖附近激发一个纳米尺度的增强近场信号区域。当针尖接近样品表面时，由于不同物质的介电性质差异，近场光学信息将被改变。通过背景压制技术对采集的散射信号进行解析，就能获取到样品表面的近场光学谱图并进行成像。该技术突破了传统孔径显微的限制，其分辨率仅由AFM探针针尖的曲率半径决定。

德国Neaspec公司提供的Z新一代近场光学显微镜NeaSNOM采用了这一散射式技术，Z高分辨率可达10nm，并通过ZL式的赝外差数据分析模式，同时解析强度和相位信号，解决了纳米材料尤其是在红外光谱范围的近场光学成像难题。

利用赝外差技术实现了近场光学显微镜对强度和相位的同时成像

Z近五年以来（2011年至今）散射式近场光学显微技术在局域表面等离子激元，无机材料表面波传导，二维材料声子极化，近场光电流，半导体载流子浓度，高分子材料鉴别和生物样品成像等领域研究得到了广泛的应用，已然成为推动光学物理、材料应用发展的重要工具。

2016年，A.Y. Nikitin等通过波长10-12μm激发裁剪后的石墨烯纳米谐振器，得到了大量共存的FabryPerot mode信息。通过理论分析其两种等离子模式，即sheet plasmon和edge plasmon，发现后者体积仅为激发波长的10^-8倍。并通过理解edge plasmon的原理，可以促进一维量子发射器的开发，等离子激元和声子在中红外太赫兹探测器的研究，纳米图案化拓扑绝缘体等领域的进一步发展。

文章中5nm厚SiO2上的不同尺寸（394 × 73 nm (a), 360 × 180 nm (b) and400 × 450 nm (c)）石墨烯纳米谐振器，在11.31μm波长下的近场成像

石墨烯由于其独特性能被广泛的认可为Z具发展潜能的下一代光电设备材料，然而其纳米级别性能的变化影响了宏观行为，高性能石墨烯光电器件的开发受到了极大制约。AchimWoessner等结合红外近场扫描纳米显微镜和电子读取技术，实现了红外激发光电流的成像，并且精度达到了数十纳米级别。通过研究边际和晶界对空间载流子浓度和局域热电性质的影响，实验者证明了这一技术对封闭石墨烯器件应用的益处。

近场光电流的工作原理示意图以及中从晶粒间界处得到的光电流实际测量结果

NeaSNOM是市场唯yi一款散射型扫描近场光学显微镜，ZL化的散射式核心设计技术，极大的提高了光学分辨率，并且不依赖于入射激光的波长，能够在可见、红外和太赫兹光谱范围内，提供优于10nm空间分辨率的光谱和近场光学图像。 NeaSNOM中嵌入的一系列ZL化探测和发光模块，保证了谱图的可靠性和可重复性，成为纳米光学领域热点研究方向的shou选科研设备。

【NeaSNOM样机体验与技术咨询，请拨打：010-85120280】

相关产品：

超高分辨散射式近场光学显微镜：http://www.instrument.com.cn/netshow/C170040.htm

纳米傅里叶红外光谱仪：http://www.instrument.com.cn/netshow/C194218.htm

电子显微镜领域需要对样本进行镀膜处理才能改善样本的成像效果。在样本上形成一层金属导电层可YZ电荷聚积、减少热损伤，并改善SEM对样品拓扑结构检测所需的二次电子信号量。在x射线显微分析中，网格上支持膜，TEM观察复型样品中的背底支撑膜，涉及既对电子束透明但同时具备导电效果的精细碳膜。具体需要采用的镀膜技术取决于分辨率和应用。

SEM成像前所需的镀膜处理

导电性很差或不导电的材料样本（陶瓷、聚合物等）需要碳镀膜或金属镀膜。低温样本经过冷冻断裂后进行金属镀膜处理（徕卡EM ACE600冷冻断裂和徕卡EM VCT500），并在低温SEM下成像。


TEM成像前的镀膜处理

由聚醋酸甲基乙烯脂（formvar）所覆盖的TEM网格需要进行碳镀膜处理来获得导电性能。使用辉光放电处理网格，否则溶液不会粘附并分布在网格上。冷冻断裂样本以低角度进行金属镀膜处理，然后再对薄膜进行碳镀膜处理（Leica EM ACE600冷冻断裂或徕卡EM ACE900），从而生成可在TEM中成像的复型。

溅射镀膜

SEM的溅射镀膜是一种工艺过程，是将导电金属如金（Au）、金/钯（Au/Pd）、铂（Pt）、银（Ag）、铬（Cr）或铱（Ir）等超薄导电金属的涂层镀膜在不导电或导电性很差的样本上。溅射镀膜可防止因静电场的累积而使样本电荷聚积。溅射镀膜还能增加在SEM中从样本表面检出的二次电子量，从而提高信噪比。用于SEM的溅射薄膜厚度通常为2-20nm。

SEM样本采用金属溅射镀膜的优势：

• 减少显微镜电子束损伤

• 增加热传导

• 减少样本电荷累积（提高导电性能）

• 改善二次电子发射

• 减少电子束穿透深度，提高边缘分辨率

• 保护对射束敏感的样本

碳蒸镀

碳的热蒸发广泛用于电子显微镜的样本制备。在一个真空系统内，在两个高电流电极之间安装一个碳源 – 无论采用线状还是棒状形式。当碳源加热到其蒸发温度时就会有一股细小的碳流沉积在样本上。碳蒸镀在EM电子显微镜中的主要应用是X射线显微分析和（TEM）网格上的样本支撑薄膜。

电子束蒸镀

金属和碳都可以被蒸镀。电子束蒸镀方法可以得到最精细镀膜，是一种非常有方向性的镀膜过程，其镀膜区域比较有限。电子汇聚在靶材上，靶材得到加热并进一步蒸发。电子束中的带电粒子被移除。因此，一束电量很低的电子束打到样品表面。热量降低，带电粒子对样本的影响会减少。少数几次运行后，电子源须重新加载并清理。一般来说，在必须进行定向镀膜（投影和复型）或需要精细镀膜时使用电子束蒸发镀膜。

低温技术介绍

冷冻断裂包括一系列技术，这些技术可揭示并复制细胞器及其他膜结构的内部组成，以便在电子显微镜下进行检查。冷冻蚀刻通过升华去除冰层，暴露出原本隐藏的膜表面。

冷冻干燥简称冻干处理，在高真空条件下（升华）可去除冷冻样本中的水分。这样一来就能够获得干燥稳定的样本并且可在电子显微镜下成像。

应用

图1：蚊子的触须

图2：果蝇复眼

图3：叶螨

图4：蚊子腿

图5：触须细节

图6：蚊虫复眼

不同的镀膜方法

不同镀膜方法的典型应用

徕卡EM ACE200

徕卡EM ACE200

• 溅射镀膜仪

• 碳丝蒸发镀膜仪

• 溅射与碳丝蒸发镀膜仪

徕卡EM ACE600

徕卡EM ACE600

• 溅射镀膜仪

• 碳丝蒸发镀膜仪

• 溅射与碳丝蒸发镀膜仪

• 双溅射镀膜仪

• 碳棒蒸发镀膜仪

• 电子束蒸发镀膜仪

• 溅射与碳棒蒸发镀膜仪

• 溅射与电子束蒸发镀膜仪

• 双电子束蒸发镀膜仪

徕卡EM ACE600冷冻断裂

每一款徕卡EM ACE600都可以配置或升级成为低温镀膜仪，分：

• 基础低温配置

• 冷冻断裂低温配置

了解更多：

徕卡EM ACE600

徕卡EM ACE200