聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）分析技术与附件应用

总结：本文先简要回顾扫描电镜（SEM）的工作原理（逐点扫描成像）与核心构造（电子光学系统、信号收集系统、真空系统），再重点介绍聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）的常用分析技术（SEM/FIB成像检测、EDS能谱分析、EBSD电子背散射衍射、FIB-SIMS二次离子质谱等），详细阐述各技术的原理、优势与局限。同时介绍气体注入系统（GIS）、纳米机械手等原位附件及冷冻FIB-SEM技术的应用场景与操作要点。

读者可学习到不同分析技术的选型逻辑（如轻元素检测选SIMS、晶体织构分析选EBSD）与实操方法（如EDS面扫描的三种模式），掌握FIB-SEM原位附件的使用技巧，了解冷冻FIB-SEM在敏感材料表征中的优势及多技术联用（EDS+EBSD+TEM）的协同效果，为材料科学、生物科学等领域的微观表征实验提供全面技术参考。

上文主要介绍了FIB-SEM中的聚焦束与物质相互作用的基本原理及核心部件。本文主要介绍其常用分析技术及相关附件。

1.工作原理

为方便读者理解后续内容，首先简要介绍扫描电镜的工作原理。扫描电镜的成像原理和透射电镜大不相同，它不用透镜来进行放大成像，而是逐点逐行扫描成像。

图1是扫描电镜工作原理示意图。由电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2～3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接收，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向扫描线圈的电源，也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面，即某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。

图1 扫描电镜工作原理示意图

2.构造

扫描电子显微镜是由电子光学系统、信号收集和图像显示系统、真空系统三个基本部分组成（图1）。

（1）电子光学系统（镜筒）

电子光学系统包括电子枪、电磁透镜（聚光镜和物镜）、扫描线圈和样品室。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束（直径一般为10 nm或更小）来轰击样品，使样品产生各种物理信号。

• 电子枪

扫描电子显微镜中的电子枪与透射电镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电镜低。

• 电磁透镜

扫描电镜中各电磁透镜都不用作成像透镜，而是作为聚光镜，它们的功能只是把电子枪的束斑（虚光源）逐级聚焦缩小，使原来直径约为50 μm的束斑缩小成一个只有数纳米的细小斑点。要达到这样的缩小倍数，必须用几个透镜来完成。扫描电镜一般都有三个聚光镜，前两个聚光镜是强磁透镜，可把电子束光斑缩小，第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距。布置这个末级透镜（习惯上称之为物镜）的目的在于使样品室和透镜之间留有一定的空间，以便装入各种信号检测器。扫描电镜中照射到样品上的电子束直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的分辨率就越高。采用普通热阴极电子枪时，扫描电子束的束径可达到6 nm左右。若采用六硼化镧阴极和场发射电子枪，电子束束径还可进一步缩小。

• 扫描线圈

扫描线圈的作用是使电子束偏转，并在样品表面做有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。图2为电子束在样品表面进行扫描的两种方式。进行形貌分析时都采用光栅扫描方式，见图2（a）。电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又由下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。在电子束偏转的同时还带有一个逐行扫描动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应的在样品上也呈现出一定比例图像。样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号检测器接收，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。如果电子束经上偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描，见图2（b）。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摆动的角度也越大。在进行电子通道衬度成像分析时，将采用这种方式。

图2 电子束在样品表面进行的扫描方式

• 样品室

样品室内除放置样品外，还安置信号检测器。各种不同信号的收集与相应检测器的安放位置有很大的关系，如果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从而影响分析精度。

样品台本身是一个复杂而精密的组件，它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品做平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电镜的样品室实际上是一个微型实验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却或进行机械性能试验。

（2）信号收集和图像显示系统

二次电子、背散射电子和透射电子的信号都可用闪烁计数器进行检测。常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管组成。其作用是信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和自由电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。

当收集二次电子时，为了提高收集有效立体角，常在收集器前端栅网上加上250 V偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道，到达收集器。这样就提高了收集效率，而且，即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的图像。

当收集背散射电子时，由于背散射电子能量比较高，离开样品后，受栅网上偏压的影响比较小，仍沿出射直线方向运动。收集器只能收集直接沿直线到达栅网上的那些电子。同时，为了挡住二次电子进入收集器，在栅网上加上－250 V的偏压。现在一般用同一个收集器收集二次电子和背散射电子，通过改变栅网上的偏压来实现。

将收集器安装在样品的下方，就可收集透射电子。

如前所述，由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同。所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到反映试样各点状态的扫描电子显微图像（即在荧光屏上得到与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，或者用照相的记录下来）。

（3）真空系统

为保证扫描电镜电子光学系统的正常工作，对镜筒内的真空度有一定的要求。一般情况下，如果真空系统能提供1.33×10^–2～1.33×10^–3 Pa的真空度时，就可以防止样品的污染。如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯丝寿命下降，极间放电等问题。

1.SEM和FIB的成像与检测技术

在扫描电镜（SEM）、扫描氦离子显微镜（SHIM）及聚焦离子束–扫描电镜（FIB-SEM）系统中，聚焦电子束或离子束对样品表面进行逐行扫描（或称光栅式扫描）。束流在每个采样点会短暂停留（称为驻留时间），通常介于50 ns至数微秒之间。扫描在称为视场（FOV）的矩形区域内进行，遵循自上而下的逐行扫描模式（图3）。扫描过程中，系统实时采集样品受激区域产生的信号，经处理后生成监测图像。

图3 扫描显微镜成像原理示意图

2.能谱分析技术（EDS）

作为电镜中最便捷的元素分析手段，能谱分析（Energy Dispersive Spectroscopy,EDS）通过电子束激发样品原子产生具有特定能量的特征X射线，据此判定材料元素组成。过去20年，随着硅漂移检测器与计算机技术的突破，使得输出计数率升高，现代EDS系统可实现每秒数千计数的高通量采集，并能获取图像逐像素的完整能谱。该技术空间分辨率达亚微米级，最优检测限约0.1wt%，具有显著优势。但只有使用无窗 EDS 检测器才能检测锂，无窗EDS检测锂的主要挑战之一是检测锂时缺乏足够的能量分辨率（∼50 eV）。

相比之下，软X射线发射光谱（Soft X-ray Emission Spectroscopy，SXES）通过采用光栅光谱仪和电荷耦合器件相机或X射线检测器，克服了能量分辨率限制。其更高的能量分辨率（可达0.1 eV）使锂检测能力远超无窗EDS检测器。此外，该技术还能提供反映化学键合状态的特征谱峰能量偏移测量。但SXES的光子能量较低，因此必须使用高电子束流和长时间数据采集，这带来诸多挑战：高束流下耗时的数据采集过程制约了获取效率，使得SXES技术难以适用于面扫描（mapping）成像应用；点扫描模式下的高束流可能损伤对电子敏感的材料或引发化学变化。总之，虽然无窗EDS和SXES都能检测电池材料中的锂，但仍存在一些挑战。与重元素相比，锂的K_αX射线发射要弱得多，而且锂的X射线发射的确切过程还不完全清楚，因此难以量化。此外Li K_αX射线的超软性质使其极易被样品本身吸收，尤其是在表层。

EDS面扫描（mapping）是研究样品内元素分布的常用技术，可直观呈现元素组成与排列方式。EDS面扫描有三种方法：总计数成像（gross count mapping）、定量成像（quantitative mapping）和物相成像（phase mapping）。总计数成像是最基础的实现方式，其原理是对样品中超过最低检测限的各元素特征X射线总计数进行面分布成像。该方法仅提供定性分析结果，可反映材料内部元素分布的密度概况，但无法提供各元素的定量信息。定量成像（亦称活化学成像）代表一种更先进的技术。该方法通过执行背底扣除与谱峰剥离的关键步骤，精确识别并量化样品中的元素，将样品发射的特征X射线与对应元素精确关联。如需获取元素浓度变化导致的物相信息，则需进行物相成像技术。该方法通过聚类成分相近的像素点来识别独特化学相，与前两种针对单一元素的成像技术形成鲜明对比。其核心技术是采用主成分分析（PCA，一种用于解析谱数据的统计方法），逐像素解析所属谱线，并将将每个像素归类到特定物相，从而实现对复杂样品的深度解析。

3.电子背散射衍射分析（EBSD）

4.FIB-SIMS分析技术

二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy，SIMS）是材料化学分析的核心技术，其工作原理为：通过初级离子束轰击固体材料表面，引发溅射粒子释放，其中一小部分带电粒子形成二次离子；系统收集这些二次离子，并依据其 质荷比（m/z） 进行分离检测。标准SIMS仪器通常为超高真空（UHV）环境下的专用设备，其配置多样化，通过分立离子源分别实现溅射与二次离子分析功能。此类仪器的核心分类依据在于所集成的质量分析器类型。

将紧凑型飞行时间（ToF）-SIMS集成到双束FIB/SEM显微镜中，不仅能增强成像和样品制备能力，还可将聚焦离子束（FIB）转化为分析工具。如图4所示，该复合系统常被称为“FIB-SIMS”以区别于独立SIMS设备。紧凑型ToF-SIMS采用正交加速设计对二次离子束进行脉冲化处理，使得初级聚焦离子束（FIB）能连续溅射样品表面，并同步完成所有检出二次离子的收集与质量分离。

将ToF-SIMS集成到双束SEM/FIB系统中，使得离子束不仅能用于样品制备，还可作为分析工具。然而也存在若干挑战：溅射原子电离依赖性导致的材料消耗、电离化学基体效应及质量数干扰的存在，均可能导致分子离子谱解析的不确定性。这些挑战可通过以下方法缓解：精细的样品制备工艺、优化聚焦离子束（FIB）参数，以及采用旨在降噪并提升峰归属准确性的先进数据分析算法。

图4 飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）基本原理示意图

5.X 射线光电子能谱（XPS）

X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）基于爱因斯坦光电效应，利用X射线辐照样品表面，激发原子内层电子逸出形成光电子。通过精密测量光电子的动能分布，实现对材料表面（1~10 nm深度）的元素组成、化学态及电子结构的解析。其超高表面敏感性源于光电子的平均自由程极短（通常），使信息严格限定于表层原子。但XPS的主要局限在于空间分辨率——每个代表最小分析区域的“像素“或X射线光斑尺寸，标准操作下通常为400~500 μm，近期技术进步已实现10 μm的分辨率。

6.原子探针断层扫描(APT)

原子探针断层扫描（Atom Probe Tomography，APT）能实现具有同位素选择性的高分辨率、高灵敏度成像并提供定量信息，但因样品尺寸限制、制样过程耗时及可能引入假象等问题，其应用受限。

表1总结了这些技术，值得注意的是，SEM/FIB-SIMS和SEM-EDS是两种可集成到FIB-SEM中的技术。相较于EDS，SIMS具有更优的空间分辨率、更低的检测限（尤其对锂等轻元素），并能进行深度剖析与同位素分析。但SIMS定量困难且会破坏样品。

表1 不同技术对比

除前文所述常规配置的检测器与分析技术外，气体注入系统（GIS）和纳米机械手等原位附件是FIB-SEM的关键组件。这些附件与纳米夹持器、纳米压痕仪、扫描原子探针等工具共同拓展了FIB-SEM系统的功能。借助这些原位附件，研究者可开展动态实验、实时修改样品并实现纳米级物体的精确操控。

GIS能在FIB-SEM操作期间向样品室引入气体或气态金属前驱体。该功能对开展原位实验和改变样品表面特性极具价值，注入气体可用于增强成像对比度、促进材料沉积/刻蚀过程或改善FIB铣削表面质量。

另一重要附件是钨针纳米机械手。该装置可精确控制FIB-SEM系统内纳米级物体的定位与操控，研究者能轻松移动、旋转和抬升纳米结构、TEM薄片（用于纳米级表征）或材料块体（用于FIB连续切片断层成像）。纳米机械手提供的精准可重复操控，使其成为FIB-SEM环境中纳米级研究与操作的必备工具。

过去20年间，冷冻FIB（Cryo-FIB）已成为生物与材料科学领域制备和表征电子束敏感/温度敏感或含液相样品的强有力技术。在生物科学领域，冷冻技术的关键优势在于能保持含水状态生物样品的天然结构，这对电子显微镜精准成像至关重要。冷冻FIB最初作为样品制备工具，用于：冷冻含水样本的冷冻提取（用于冷冻电子断层扫描）、玻璃化细胞在载网上的原位薄片制备（用于透射电镜分析），以及经过高压冷冻处理的厚样本冷冻提取制样（实现大体积生物样本的冷冻转移与减薄）。

另一方面，材料科学家开始采用冷冻聚焦离子束（Cryo-FIB）技术，利用其在减少束流损伤及离子与物质间反应速率方面的优势。该技术在表征各类对束流或温度敏感材料（包括化合物半导体、软质多孔膜电极组件、薄膜太阳能电池、金属有机框架晶体、以及铟等低熔点金属）方面取得的早期成功已得到广泛验证。此外，该技术已拓展至开展反应受限实验，成功防止钛合金透射电镜样品制备过程中的氢吸附现象，并抑制III-V族半导体表面纳米液滴的形成。最新进展中，冷冻聚焦离子束技术进一步应用于含液相样品的表征，包括实现固液界面表征，以及对含图案化功能液体器件的分析，在整个表征过程中可保持两相完整性。

迄今已有大量研究证实，通过结合能谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和原子探针（APT）等分析技术，冷冻聚焦离子束可保持材料原始状态。

图5展示了典型冷冻聚焦离子束系统的核心组件，包括冷冻台、样品传输装置、样品制备站和微型机械手。示意图（图5a）显示冷冻台与防污染装置通过离线杜瓦瓶中液氮热交换器输送的氮气冷却，使台面维持液氮温度。气体流量可调，以尽量减小振动与氮气消耗。铜导热带也可实现冷却，虽速率较慢但振动更小，因其依赖被动传导而非主动冷却。图5b所示为最新设计的全旋转冷冻台，通过加热元件的温度控制系统，实现30℃至－180℃的温控，为异形样品提供更大操作灵活性，扩展了动态实验与相变研究可能。

图5c展示了连接到显微镜腔体的样品传输装置，该装置含有惰性气体，可实现手套箱与电镜间的惰性气体环境样品传递。对于含有液体的样品，则需在液氮中预冷后转入电镜，此时需配合样品制备站（图5d）完成全程冷冻传输。

冷冻聚焦离子束系统还可配置其他关键附件。针对透射电镜样品制备，需采用冷冻兼容的纳米机械手（图5e），其探针臂通过夹具与防污染装置直接连接实现被动冷却，最大限度减少样品与操作器间热传递。鉴于低温下导电性通常降低，需配置微型溅射镀膜或磁控溅射系统以减少FIB-SEM加工与成像过程中的电荷积累问题。

图5 （a）冷冻FIB装置示意图，（b）全旋转式冷冻样品台，（c）惰性气体样品传输系统，（d）冷冻FIB样品制备罐，（e）用于冷冻FIB提取的EasyLift纳米机械手

参考文献：

FIB-SEM: Emerging Multimodal/Multiscale Characterization Techniques for Advanced Battery Development

Chemical Reviews 2025 125 (11), 5228-5281

DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00831

本文源自微信公众号：分析测试技术与仪器

作者：fxcsjsyyq

原文标题：《FIB-SEM: 常用分析技术及相关附件》

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/kl6hWX6rPhHxMqjY2Lg6ZA

​​原文发布时间：​​ 2025年7月4日

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