扫描电子显微镜中的唯物辩证法

陈莉，徐泽忠

（1.合肥幼儿师范高等专科学校艺术系，安徽合肥 230013；2.合肥学院分析测试中心，安徽合肥 230601）

唯物辩证法是思辨性与实证性相统一的哲学方法，是科学的世界观和方法论[1]。“辩证法”这个术语，在哲学发展进程中的不同阶段和不同哲学家的认知方面存在明显差异。目前，被人们广为熟知的马克思主义辩证法的三大根本规律被人们认为是从《逻辑学》中提炼出来的，在整个哲学发展史上受到广泛遵从。同样，哲学中的唯物辩证法三大规律也完全适用于自然科学，对自然科学有着重要的指导作用。笔者现就该三大规律在扫描电镜实验中的实际应用进行分析和探讨。

一、对立统一规律在扫描电镜中的应用

对立统一规律即对立面的统一和矛盾的规律。任何一种事物中都可能存在自身的矛盾性，同时又始终处在自身的统一体中。这种既对立又统一的内在矛盾性直接推动着事物的发展变化。矛盾其实就是一种对立统一的关系。统一性和对立性之间相互牵制。以扫描电子显微镜为例，衡量扫描电镜性能最为重要的参数是电子枪亮度。光源亮度是衡量显微镜分辨能力或成像能力的最直接最核心的因素。光源亮度与显微镜的分辨能力或成像能力成正比。人们通常比较喜欢以光源类型来对这些光学显微镜进行分类，通过扫描成像的电镜自然也不例外。依据光源亮度大小对电镜进行分类，我们可以将他们分为：钨灯丝（多晶）热发射、单晶热发射、热场、冷场，它们的亮度逐渐增大，分辨及处理图像的能力也依次提高[2]。电子枪的亮度公式如下：

这里的亮度β指的是电子枪的约化亮度，反映了电子枪的本征特性。

电子枪的亮度β决定着电子枪的性能。在电镜的真空环境中，我们可以认为亮度β满足统计力学中的刘维尔相空间不变定理的要求。因此，根据该定理在电镜中的应用，我们可以认为该亮度β在整个系统中守恒。也就是说，在透镜系统中，各会聚点的束流密度、立体角或电子枪的加速电压都可以发生变化，但是亮度β保持不变。因此，我们可以认为束流密度、立体角、加速电压是矛盾的各方，任何一方的变动都会引发其他各方同步发生变化，但他们无论如何变化，都将受到亮度β这个统一体的限制。

当束流密度增大时，对提升图像的分辨能力有正向效应，然而，会聚角的进一步增宽将直接导致试样表面信号的弥散分布范围扩大。显然，这对于我们获取更高分辨能力的图像是无益的。在扫描电镜的测试环境中，加速电压一经选定就不会随意变化。因为本征（约化）亮度遵循刘维尔定理保持不变状态（相当于统一体），所以束流密度和会聚角之间是一对具有内在关联的矛盾统一体。束流密度逐渐增加，就必然推动着会聚角不断增大，而这两个变量对最终图像分辨能力的影响又完全相对立。我们要想得到理想的分析测试结果，就一定要在矛盾的对立统一中逐渐找到平衡点。这一基本思路应始终贯穿于扫描电镜实验的具体操作和研究过程中。所谓辩证、理性、科学地思考问题，就是指我们要用联系的、发展的、全面的观点去思考问题，而不是用片面的、狭隘的观点去思考问题。

二、量变和质变规律在扫描电镜中的应用

量变往往是质变的起点，质变则又会是另一个量变的开端。量变是事物在数量上的增减。质变是事物从一种质态向另一种质态的转变，是量变的中断和停止。是否超过度是区分量变和质变的重要标志。

在扫描电镜实验的操作中，增加束流密度对获取清晰完美的超高分辨图像有利[3]。然而，增加束流密度也会带来一定的负面影响：一是会聚角增大对获取高分辨图像不利；二是大的束流密度直接导致样品表面温度快速升高，进而对样品产生破坏，特别是对于热敏材料等比较脆弱的样品，这些因素显然无助于高分辨测试。但是这种负面影响也有个限度，当束流密度增加，其负面效应对最终测试结果的影响微乎其微时，选择高束流密度对获取高分辨图像依然是有益的。因此，遵从适度原则是量变和质变规律思想在扫描电镜测试中的具体体现。重视量的不断积累、坚持适度原则是量变质变规律在工作方法上的具体体现。

三、否定之否定规律在扫描电镜中的应用

肯定与否定这两种因素总是与事物如影随形，其对立统一总会协同促使事物发展、变化。综合考查一事物需要我们同时兼顾事物的肯定和否定两个方面，不可厚此薄彼。我们要坚持用全面、系统的立场看待问题，尽量避免由于片面、形而上学的传统思维方式带来的认知偏差。

在扫描电镜测试中，对样品荷电的认识同样充满着肯定、否定这两个方面的对立统一。大多数电镜专家及测试工作者将样品荷电现象简单地归结为样品是否“导电”。不导电样品喷金以增强其“导电性”，以降低荷电对样品测试的不利影响。早期的理论和实践似乎都倾向于支持此观点[4]。

金纳米线、蒸金的花粉样品都被认为表面的“导电性”良好而没有荷电现象。二氧化硅包覆MOF以及硫化铜等导电性差的样品被认为易形成荷电现象。图1、图2、图3、图4的电镜图片似乎完全证实了这个结论。

图1 金纳米线

图2 蒸金的花粉颗粒

图3 二氧化硅包覆的MOF

图4 硫化铜

但在实际的测试工作中常常出现反常现象，很多“导电性”良好的样品也有荷电现象，而许多所谓“导电性”差的材料却鲜见荷电现象的出现。

银、锡是众所周知的导电性良好的样品。如图5、图6所示，一个是银纳米棒，另一个是锡纳米球，他们的结构都较为松散，因此，他们也出现了极为严重的荷电现象，出现反常情况。

图5 银纳米棒

图6 锡纳米球

图7 普鲁斯蓝

图8 碳酸钙

图9 硫化铜

图10 氧化锌

普鲁斯蓝、碳酸钙、硫化铜、氧化锌的导电性都不好，理应出现非常明显的荷电现象，但这些样品的荷电现象很不明显，这是为何呢？这不得不引发电镜爱好者的思考。除了上述反常现象，同样的样品，不同的放大倍数，其荷电情况也不一样。同样的样品处于不同的位置，其荷电现象也不尽相同。

从图11、图12不难看出，在电镜参数其他条件不变的情况下，随着放大倍数的变化，图像出现明显的差异。放大倍数为15万倍时，图像非常清晰。放大倍数为80万倍时，图像变得模糊，出现明显的荷电情况。

图11 硫化铜

图12 硫酸铜

从图13、图14、图15、图16的电镜照片中我们不难发现，在电镜测试参数设置不变的情况下，测试时选择的样品位置不同，图像也会存在明显的差异。图13、图15的图像很清晰，未出现荷电现象，而图14、图16出现明显的荷电。

图13 （m）钼酸镉

图14 （n）钼酸镉

图15 （0）钼酸镉

图16 （p）钼酸镉

从上述实例不难看出，用一个简单的“导电性”来归结样品荷电现象，似乎显得比较苍白。荷电是指一种静电现象，但“导电性”这样的提法值得商榷，因为导电通常是指固体或液体中的电子或离子在电场作用下发生的定向移动，而试样表面其实并没有这样的电场存在。

综合以上实例，我们得出这样的观点：电子束轰击测试样品，由于扫描电镜样品一般较厚，当电子束无法击穿样品时，就会有多余的电荷留存于样品中（部分电子溢出样品，形成样品的表面信号）。对于紧密、连续的晶体结构或极小且分散的纳米颗粒（几十纳米），他们的漏电性较好，电荷无法在其上形成堆积，在这些部位的荷电现象就较弱或几乎没有。对于那些松散、不连续、非晶态的大颗粒及其堆积体（只要拥有一条），他们的漏电效果较差，电荷容易在这些部位聚集形成静电场，从而影响该部位表面信号的正常溢出（二次电子能量较弱，更容易受到他们的影响）。图像上非正常的变亮或变暗就是样品的荷电现象。

随着测试量不断增加，我们对荷电现象的认知也更加深入。全面地看问题往往就来自这种对既往认识的不断否定。整个自然科学以及哲学的发展观，也往往来自经典理论中的悖论。马克思主义哲学既反对用哲学代替科学的“自然哲学”倾向，也反对用科学取消哲学的实证主义倾向，认为哲学与自然科学是既相互区别又相互联系的整个认识系统中的两大分支。

四、结束语

加速电压、工作距离、位置衬度、原子序数衬度、信噪比、信号的扩散度[5]，这些都是影响扫描电镜的图像质量的重要参数，他们互相牵制又相互补充。如果我们能充分把握这些参数之间的关联性，在唯物辩证法的精准指导下明确“联系”“发展”“矛盾”三者的关系，那么，我们将会获得更完美的测试结果。