在材料科學(xué)、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)等眾多科研領(lǐng)域以及制造業(yè)中，3D掃描電鏡發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠讓我們?cè)谖⒂^層面以三維的形式觀察物體的形貌和結(jié)構(gòu)。那么，這種先進(jìn)的儀器究竟是如何工作的呢？
一、電子發(fā)射與加速
3D掃描電鏡首先通過電子槍產(chǎn)生電子束，常見的電子槍有鎢絲槍、場(chǎng)發(fā)射槍等。鎢絲槍是通過加熱鎢絲，使其熱發(fā)射電子；而場(chǎng)發(fā)射槍則是利用強(qiáng)電場(chǎng)從尖銳的陰極表面抽取電子，場(chǎng)發(fā)射電子槍產(chǎn)生的電子束亮度高、能量分散度小。這些電子在高壓電場(chǎng)的作用下被加速，形成高能的電子束。
二、電子與樣品相互作用
當(dāng)高能電子束轟擊到樣品表面時(shí)，會(huì)發(fā)生多種復(fù)雜的相互作用。一方面，電子會(huì)與樣品中的原子核發(fā)生彈性散射，由于原子核的質(zhì)量較大，電子散射后的能量損失相對(duì)較小，但方向會(huì)發(fā)生改變，這部分散射電子可以反映樣品表面的形貌信息，就像用一束光照射物體，通過分析反射光的情況來了解物體的表面特征一樣。
另一方面，電子還會(huì)與樣品中的原子外層電子發(fā)生非彈性散射，在這個(gè)過程中，電子會(huì)將部分能量傳遞給樣品的原子，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種信號(hào)，比如二次電子、背散射電子等。二次電子是指被原子外層電子反彈出來的電子，其產(chǎn)額與樣品表面的形貌有關(guān)，在陡峭處產(chǎn)額較多，平坦處產(chǎn)額較少，所以它能很好地反映樣品的表面微觀形貌細(xì)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)3D成像的關(guān)鍵信號(hào)之一。背散射電子則是入射電子與樣品原子相互作用后，被原子核反彈回來的電子，其能量較高，產(chǎn)額與樣品的原子序數(shù)有關(guān)，可用于分析樣品的成分等信息。
三、信號(hào)收集與處理
3D掃描電鏡配備了專門的探測(cè)器來收集這些二次電子等信號(hào)。二次電子探測(cè)器通常采用閃爍體加光電倍增管的結(jié)構(gòu)，將收集到的微弱二次電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行放大。對(duì)于背散射電子也有相應(yīng)的探測(cè)器進(jìn)行收集。
在收集信號(hào)的過程中，通過掃描線圈控制電子束在樣品表面進(jìn)行逐行掃描，每一次掃描位置對(duì)應(yīng)著一個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)，這樣就能獲取樣品表面不同位置的二次電子等信號(hào)強(qiáng)度信息，形成二維的圖像數(shù)據(jù)。
而要實(shí)現(xiàn)3D成像，還需要借助特殊的技術(shù)。一種常見的方法是通過改變電子束的入射角度，多次掃描樣品，獲取不同角度下的二次電子圖像。然后利用計(jì)算機(jī)算法，根據(jù)這些不同角度圖像中同一特征點(diǎn)的位置變化等信息，計(jì)算出樣品表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而重構(gòu)出樣品的3D形貌圖像。
四、成像顯示
最后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后的三維數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為直觀的3D圖像顯示在屏幕上，科研人員就可以從多個(gè)角度對(duì)樣品的微觀三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析了，無論是材料的孔隙結(jié)構(gòu)、生物樣本的細(xì)胞形態(tài)還是其他復(fù)雜微觀物體的立體模樣，都能清晰地展現(xiàn)出來。
總之，3D掃描電鏡通過電子發(fā)射與加速、與樣品相互作用產(chǎn)生信號(hào)、信號(hào)收集處理以及成像顯示等一系列巧妙的工作原理環(huán)節(jié)，為我們打開了微觀世界三維成像的大門，助力眾多科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用不斷向前發(fā)展。
