材料产业是国民经济的基础，具有举足轻重的地位。在国民经济需求的百余种关键材料中，约三分之一国内完全空白，约一半性能稳定性较差，部分材料受到国外严格管控，突破“卡脖子”的关键战略材料，具有十分重要的战略意义。
关键战略材料的发展重点主要有特种合金、高性能复合材料、新型能源材料、新型生物医用材料、电子陶瓷和人工晶体、稀土功能材料、先进半导体材料等。它们是重大工程的基础，关键战略材料技术全面突破时代已经到来。我国的关键工程战略材料转移高端、加大国产化比重迫在眉睫。
而在材料的研制过程中，均会应用到电子显微镜对材料的结构和微观形貌进行表征，分析其对材料性能的影响，从而成功获得具备优异性能的关键战略材料。所以，电子显微镜是材料研制的核心设备。那么什么是电子显微镜呢？本文将揭开此精密仪器的神秘面纱。
什么是电子显微镜
电子显微镜是一种常用的高分辨率显微镜，能够对物质进行高分辨率成像和原子级别的分析，主要分为两类透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）。
●电子显微镜的发展历程
丨1926年汉斯·布什研制了第一个磁力电子透镜。
丨1931年恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔研制了第一台透射电子显微镜。
丨1934年锇酸被提议用来加强图像的对比度。
丨1937年第一台扫描透射电子显微镜推出。一开始研制电子显微镜最主要的目的是显示在光学显微镜中无法分辨的病原体如病毒等。
丨1949年可投射的金属薄片出现后材料学对电子显微镜的兴趣大增。
丨1960年代透射电子显微镜的加速电压越来越高来透视越来越厚的物质，此时电子显微镜达到了可以分辨原子的能力。
丨1980年代人们能够使用扫描电子显微镜观察湿样品。
丨1990年代中电脑越来越多地用来分析电子显微镜的图像，同时使用电脑也可以控制越来越复杂的透镜系统，同时电子显微镜的操作越来越简单。
▲电子显微镜之父与世界上第一台电子显微镜
●电子显微镜工作原理
理论上，光学显微镜所能达到的最大分辨率，d受到照射在样品上的光子波长λ以及光学系统的数值孔径NA的限制：
电子具有波粒二象性，而他们的波动特性意味着一束电子具有与一束电磁辐射相似的性质。电子波长可以通过徳布罗意公式使用电子的动能得出。由于在TEM中，电子的速度接近光速，需要对其进行相对论修正：
其中，h表示普朗克常数，m0表示电子的静质量，E是加速后电子的能量。电子显微镜中的电子通常通过电子热发射过程从钨灯丝上射出，或者采用场电子发射方式得到。随后电子通过电势差进行加速，并通过静电场与电磁透镜聚焦在样品上。透射出的电子束包含有电子强度、相位、以及周期性的信息，这些信息将被用于成像。
●电子显微镜的应用
❶材料科学：电子显微镜在材料科学领域的应用非常广泛。它可以用于观察材料的微观结构、晶体结构和缺陷，对材料的物理、化学性质进行分析和表征，帮助研究人员了解材料的性能和行为，并指导新材料的设计与制备。
▲①面心立方奥氏体不锈钢孪晶结晶TEM图②钢铁中原子尺度上晶格错位的TEM图③多孔材料SEM图
❷纳米技术：由于其高分辨率和原子级别分辨能力，电子显微镜成为纳米技术研究中不可或缺的工具。它可以用于观察纳米材料的形貌和结构，探究纳米尺度下的物理、化学和生物特性，为纳米器件和纳米结构的制备和优化提供支持。
▲纳米材料SEM图
❸生物学：电子显微镜在生物学研究中也有着重要的应用。它可以提供细胞、细胞器和生物分子等生物样品的高分辨率成像，帮助科研人员深入了解细胞和生物结构的组成和功能，研究生物分子相互作用和生物过程。
▲植物花粉SEM图
电子显微镜与真空技术
透射电子显微镜（TEM）电子可以穿过样品，因此样品必须非常薄。故该电镜可以观察到样品内部的晶体结构特征。
TEM包含有若干元件，其中有一个用于传输电子束的真空系统，用于产生电子束的电子发射源，一系列的电磁透镜以及静电盘，还需要一个设备将样品移入或移出电子束通路，以及在通路中移动。成像设备随后使用射出前述系统的的电子束成像。
其中TEM抽成达到需要的真空度的真空设备包含有若干级：
丨使用旋片泵或者隔膜泵将TEM抽成低真空。
丨涡轮分子泵或者扩散泵将TEM抽至操作所需要的高度真空。
为了让前级真空泵不必连续运转，而涡轮分子泵连续的进行操作，前级真空泵的真空端需要与涡轮分子泵级联。
TEM使用时需达到不同的真空度(高分辨率TEM或者场发射TEM的电子枪处，需要真空度达到10-4~10-7Pa，甚至更高，而高压TEM需极高的真空度，通常要达到10-7~10-9Pa以防止产生电弧，特别TEM的阴极处)。若TEM的真空度达不到所需要的量级，会引起若干的问题，如进入TEM的气体会通过一种成为电子束致沉淀的过程沉淀于待观察的样品上，或者在更严重的情况下会导致阴极损伤。由于样品导致的真空问题可以通过冷阱技术来吸收样品附近升华的气体。
▲TEM仪器和TEM光学元件布局图
扫描电子显微镜（SEM）中的电子束尽量聚焦在样本的一小块地方，然后一行一行地扫描样本，故它观察到的是样品的表面形貌及表面的化学组成。
扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。
真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵将真空柱内抽真空。有机械泵、油扩散泵以及涡轮分子泵三大类。机械泵+油扩散泵的组合可以满足配置钨枪的SEM的真空要求，对于装置了场致发射枪或六硼化镧枪的SEM，则需要机械泵+涡轮分子泵的组合。
成像系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为密封室，用于放置样品。之所以要用真空，主要基于以下两点原因：
❶电子束系统中的灯丝在普通大气中会迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM时需要用真空以外，平时还需要以纯氮气或惰性气体充满整个真空柱。
❷为了增大电子的平均自由程，从而使得用于成像的电子更多，造成图像不清晰。
▲无论是TEM还是SEM，都是靠电子束照射样品来获取图像，其主要部分包含电子源（电子枪）、电子透镜、扫描线圈、检测器等，这些部件通常自上而下地装在一个高真空的腔室（镜筒）内。
若需观察的是样品的内部结构和表面形貌的话，那么这种电镜被称为扫描透射电子显微镜（ScanningTransmissionElectronMicroscopy，STEM）。冷冻电镜就是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术（Cryo-SEM）可实现直接观察液体、半液体及对电子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。
●真空在电子显微镜中的作用
电子显微镜中的真空环境是保证显微镜稳定运行的重要因素之一。
❶避免气体散射：在真空条件下，可以将气体从显微镜中排除，减少气体与电子束的相互作用，避免气体散射的出现，从而提高图像的对比度和分辨率。
❷防止样品氧化：许多样品在常压下容易与空气中的氧气反应，导致氧化过程。在真空环境下，可以防止样品与氧气反应，保持其原始状态，从而获得准确的成像和分析结果。
❸减少碰撞和散射：在真空环境下，电子束与大气分子之间的碰撞和散射几率较低，减少了图像中的背景噪声，提高了图像的质量。
❹保持仪器稳定：真空环境有助于保持仪器的稳定性，减少来自外界环境的干扰，提供稳定的工作条件和准确的成像结果。
安捷伦电子显微镜真空解决方案
安捷伦真空对电子显微镜之类的聚束系统真空应用有着非常丰富的经验，为了满足SEM、TEM系统高真空、真空检测、低电磁噪声和低振动的要求，开发了一系列的产品。
●离子泵：作为离子泵的发明者，安捷伦真空可以生产多种类型的离子泵。采用专利设计的安捷伦SEM专用离子泵，具有更加稳定和精准的压力读数，以及更少的粒子产生，特别适合安装于电子枪处（电子枪处对温度、磁场的要求都比较高，一般的冷阴极或热阴极真空计对其正常工作会有影响，而普通的离子泵测量的压力偏差又比较大）。安捷伦真空独有的StarCell离子泵在保留较高活性气体抽速的同时，还具有相当高的惰性气体抽速，一般将其安装于镜筒的下部，与电子枪上的SEM离子泵相结合，为电子显微镜提供一个强大的高真空抽气组合。
分子泵：安捷伦TwisTorr涡轮分子泵采用独有的AFS悬浮轴承技术，工作时振动非常低，被广泛的应用在世界各地的众多电子显微镜上。一个位于日本的业界领袖，从2015年起，在其生产的电子显微镜上使用了1000多台安捷伦分子泵，泵的可靠性非常接近100%，实测的振动水平低于0.01米/秒2，噪声等级更是只有40dB(A)。
阻尼减振器：为了进一步减小分子泵振动对电子显微镜等高灵敏度分析仪器的影响，安捷伦真空专门开发了一款阻尼减震器，该减震器可以将涡轮分子泵在满转速时的振动减小到原来的1/40左右（CF法兰）。
除此之外，安捷伦真空可以提供各种抽速的涡旋干泵、各种类型的真空计、电磁噪声几乎为零的各种真空泵控制器等，另外，基于在聚束系统广泛的知识和灵活的制造能力，安捷伦还可以为特定系统定制特殊的离子泵，为敏感的显微镜应用提供最先进的振动模拟和测试。
