納米材料是指三維尺寸中至少有一維尺寸為 1-100 nm的材料，包含了顆粒、纖維、薄膜等形態(tài)。納米材料顯示出常規材料所不具備的特殊性質(zhì)，在使用時(shí)可取得超常的效果。
納米粉體通常以顆粒的形式存在，可分為金屬、高分子和陶瓷納米粉體。陶瓷納米粉體在塑料、橡膠、涂料、造紙、藥物、油墨、磨料、傳統建筑陶瓷和高性能陶瓷等領(lǐng)域有著(zhù)極為廣泛的應用。例如，納米Al2O3、SiO2加入到普通橡膠中可以提高橡膠的彈性、耐磨性和介電特性，添加到塑料中可提高塑料的強度、韌性、致密性和防水性；納米CaCO3、ZnO可改善聚氨酯涂料的硬度和機械性能。納米Al2O3、ZrO2 粉末燒結成的各種高性能陶瓷可降低燒成溫度、減少能耗，且力學(xué)及熱學(xué)性能都得到極大改善。
納米粉體在上述應用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，在很大程度上依賴(lài)于其形貌、粒徑( 或孔徑) 及其分布，因此，對納米粉體進(jìn)行準確表征十分關(guān)鍵。在常用的測試方法中，激光粒度儀的反演算法有時(shí)難以讓人滿(mǎn)意; BET氮吸附法缺乏顯微形貌信息; 因為納米顆粒不容易分散，透射電鏡獲取的又是二維投影圖像，觀(guān)察時(shí)需盡量避開(kāi)堆疊區域，導致視場(chǎng)狹小并缺乏統計性，所以在形貌和尺寸分布的判斷上仍需謹慎。而掃描電子顯微鏡（SEM）能夠彌補以上方法的不足。
圖1 SEM的技術(shù)特點(diǎn)總結
SEM發(fā)明于1937年，并于1965年被廣泛使用。隨后推出的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡兼顧了高分辨、大視野和高景深的特點(diǎn)，在陶瓷納米粉體的表征上有重要的應用價(jià)值。但是，通常電鏡的加速電壓≥5 kV，入射電子束會(huì )在絕緣樣品表面產(chǎn)生過(guò)多的電子或空穴，形成不穩定電場(chǎng)，在顯微圖像上顯示為明暗相間的條紋或畸曲的圖像，通常被稱(chēng)為荷電效應或充電效應。
荷電效應不僅降低圖像分辨率，而且嚴重影響了對樣品的形貌、成分和結構信息的獲取。荷電效應會(huì )導致納米粉體的圖像出現畸變，為減輕荷電效應而采取的鍍膜方法也難免會(huì )遮蓋粉體本身的形貌。
?圖2 在常規電壓下，荷電效應會(huì )觀(guān)察陶瓷納米粉體的觀(guān)察
圖3 鍍 Pt 膜對納米陶瓷粉體顯微形貌的影響，鍍膜（左圖）不鍍膜（右圖）
如何拍攝陶瓷納米粉體?-Apreo2的成像策略
而掃描電鏡Apreo2在低加速電壓上做的性能優(yōu)化，非常適合陶瓷納米粉體的拍攝。以下是Apreo2鏡筒的設計示意圖及鏡筒內信號示意圖。
圖5 Apreo2鏡筒設計示意圖及鏡筒內信號示意圖
Apreo2設計了三位探測器（T1/T2/T3），充分利用了鏡筒內的豐富信號。T1探測器靠近極靴的位置，可以對非導電、易電子束損傷有機樣品的進(jìn)行高分辨BSE成像，即使在＜3PA的束流，也能夠保持高信噪比。T2探測器可以不鍍金對非導電樣品的高分辨成像、而且可以在大工作距離下保持（WD=10mm）高分辨成像，WD=10mm的工作距離可以兼顧能譜的分析。T3主要針對導電樣品的高分辨成像，以及平整樣品的電位襯度成像。
以下是Apero2拍攝陶瓷納米粉體的案例。
納米級Al2O3粉末具有超塑性，可以制備低溫塑性氧化鋁陶瓷；也可滿(mǎn)足多層電容器的電子陶瓷元件的厚度要求小于10μm；也可作為極薄的透明涂料，噴涂在諸如玻璃、塑料、金屬、漆器、大理石上；也可以分散在金屬中，提高鋁的強度。
1931年Kister通過(guò)水解水玻璃的方法首次制備出氣凝膠.納米量級顆粒相互聚合形成的連續三維網(wǎng)絡(luò )結構，多孔非晶態(tài)。二氧化硅氣凝膠復合材料可用在隔熱保溫材料、催化劑及載體、聲阻抗耦合材料等領(lǐng)域。
圖8 陶瓷納米粉體
研磨前（左圖）和研磨后（右圖）對比，研磨后的顆粒為20nm左右，可以對砂磨機的研磨效果進(jìn)行評估。
為什么說(shuō)Apreo2的T1和T2探測器能夠輕松實(shí)現陶瓷納米粉體的高分辨觀(guān)察？
要回答這個(gè)問(wèn)題前，我們要討論電荷效應產(chǎn)生的原因及尋找E2平衡點(diǎn)的便捷性。首先，在常規的實(shí)際電鏡操作中，為消除荷電效應，需要極大的耐心尋找 E2 值來(lái)維持電荷平衡，且不同電壓來(lái)回切換需要重新合軸和消像散，導致測試效率不高，因此，單純通過(guò)尋找平衡電壓來(lái)消除荷電效應的方法存在諸多限制。第二，電荷特別容易集中在正光軸的位置，如果鏡筒內的探測器施加偏壓，就特別容易把電荷信號一并收集過(guò)來(lái)。
圖10 電荷效應產(chǎn)生示意圖及電荷信號發(fā)射方向示意圖（沿正光軸位置最強）
而T2探測器位置設計，無(wú)偏壓吸引電子信號（包括荷電效應的電子信號），可以最大程度的避開(kāi)了沿中軸方向的荷電信號，同時(shí)保持了較高的信噪比。這樣，就把過(guò)去需要尋找的E2平衡點(diǎn)，拓寬成一個(gè)平衡范圍，操作上就非常輕松。這也是T2探測器能輕松拍攝陶瓷納米粉體的原因之一。
掃描電鏡低電壓技術(shù)的概念雖然早在 1960 年就被提出，但是在2000年后才開(kāi)始大規模應用。說(shuō)明低電壓技術(shù)本身存在很多限制因素。低電壓時(shí)入射電子束能量較低，帶來(lái)信號產(chǎn)生區小、更能反映表面信息等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是也受制于電子光學(xué)，比如更明顯的衍射效應和較大的色差。
在考慮空間分辨率時(shí)，較小的信號產(chǎn)生區會(huì )有益于分辨率的提高，而電子光學(xué)對束斑的限制則阻礙了分辨率的提高。通過(guò)減小工作距離可以減小物鏡的色差和球差系數，仍能獲得較高分辨率的圖像，但是該措施存在極限和限制。如果在整個(gè)光路上，電子束持續保持在恒定的低能量，衍射差和色差帶來(lái)束斑的擴展還是無(wú)可避免地妨礙分辨率的提升，所以，在電子光學(xué)和鏡筒設計上，現代高分辨掃描電鏡采用了諸多優(yōu)化措施，而場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Apreo2 無(wú)疑是其中杰出的代表。
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