官人代发：扫描电镜中的辩证法

牛牛0322

2019/10/31

私聊

扫描电镜（SEM/EDS）

作者：安徽大学现代实验技术中心林中清

“辩证法”即思辨与实证相统一的方法，是科学的世界观和方法论。“辩证法”一词源于古希腊，原意是指在辩论中发现对方议论中矛盾之处并克敌制胜的方法。“辩证法”这个术语，在哲学史的不同历史时期和不同哲学家那里都有不同的含义。目前常说的辩证法三大规律是恩格斯从黑格尔《逻辑学》中所提炼，其在哲学上的普遍性达到了极限程度。同样在自然科学中也常常看到它们的存在：对立统一规律、量变质变规律、否定之否定规律。

一、对立统一规律
对立统一规律又称对立面的统一和矛盾规律。它认为任何事和物都存在着内在的矛盾性，同时又都是矛盾的统一体，是事物发展变化的源泉和动力。
矛盾是指事物内部或事物之间的既对立又统一的关系。统一性将受到对立性的制约，对立的形式、规模和范围又被统一性所规制。
扫描电镜中的实例：
电子显微镜中最为关键的指标：电子枪亮度
光源亮度是决定显微镜分辨能力的最关键因素。光源亮度越大显微镜的分辨能力越强，因此显微镜也往往以光源类型来分类。
扫描电镜也是一样，按照光源亮度大小分类依次为：冷场、热场、单晶热发射（六硼化镧）、钨灯丝（多晶）热发射。它们的亮度依次减弱，分辨能力也是依次减弱。
电子枪本征亮度β = 束流密度/(立体角 × 加速电压)
电子枪本征亮度β决定着电子枪的性能。是电子枪品质的反应，一旦电子枪生产完成，该值就确定了。
束流密度的增加会增加样品单位面积的表面信号量，这有利于提升图像的分辨能力，而会聚角（立体角）的增加将会使得样品表面信号的弥散范围扩大，不利于获取高分辨的形貌像。
电子束的发射亮度β'= 束流密度/(会聚角（立体角）)
在扫描电镜测试中加速电压一经选定，该值（β'）依据统计力学中的刘维尔定理，电子束在镜筒运行过程中，虽然各会聚点的电子束束流密度和会聚角（立体角）会发生变化，但β'保持不变。因此束流密度和会聚角（立体角）这两个变量将成为一对内在的矛盾体，统一在电子束的发射亮度β'之中。
束流密度的增加必然伴随着会聚角的增加，而它们对图像分辨的影响又相互对立，要想获取最好的结果就必须在矛盾的对立双方中寻求综合效果最好的。这一思路应当贯穿于扫描电镜所有测试条件选择的过程之中。
所谓辩证地思考问题，就是用联系的、发展的、全面的观点，特别是用对立统一的观点看问题。从对立中把握统一，从统一中把握对立。避免形而上学思想方法的绝对化和片面性。
二、否定之否定规律
任何事物都包含肯定与否定这两种因素，其对立统一促使事物自身发展。观察一个事物必须同时看到事物的肯定与否定这两个方面，在肯定中看到否定，在否定中看到肯定。全面的看问题，避免片面、形而上学的思维方式给我们带来的认识偏差。
扫描电镜的实例：
还是以电子束发射亮度β'的两个变量束流密度、会聚角（立体角）为例。我们从前面的描述中知道束流密度和会聚角（立体角）这两个变量是相互矛盾的统一在β'这个整体中，而它们对最终结果的影响又是相互联动否定。提升其中一个因素另一个必然跟着提升，对最终结果互相限制、互相否定。那么最后结果到底如何？这就引申出下一个规律：量变到质变。
三、量变、质变规律
从量变开始，质变是量变的终结。质―事物区别于他物的属性表现；量―事物可量化的规定性; 度―事物保持其质、量的界限，适度原则是实践活动的正确准则。量变―事物数量的变更。质变―事物根本性质的变化，是量变的中断，量变和质变的区分标志―是否过度。
在扫描电镜测试中，增加束流密度有利于获取完美的高分辨图像，但是增加束流密度也会带来以下问题：1.会聚角变大不利于获得高分辨图像，2.大的束流密度也会使得样品表面温度提高从而对样品产生破坏（ΔT ＝4.8 ×V 0 i/kd，i：束流，d：束斑直径），这些都不利于我们进行高分辨测试。这里就存在一个度的问题。当会聚角（立体角）增大这个量变所产生的负面效应成为影响最后结果的主体时，提高束流密度将会对我们获得高分辨图像形成不利影响。球差校正无法在扫描电镜中取得运用，正是基于这样的原因。
球差校正：是对透镜边缘球面像差引起的离焦电子进行校正并会聚到焦点上。它减弱了焦点附近的弥散斑，提升了电子束的束流密度有利于高分辨像，但是会聚角（立体角）也将同步的增大。这对透射电镜提升分辨率很有用，但对扫描电镜测试会产生不利的影响。
其原因在于以下两点：
1.透射电镜样品很薄，因此电子束会聚角（立体角）增加所引起的样品内部信号扩散范围可以忽略不计；扫描电镜的样品相对入射电子是无穷厚，信号扩散的影响是无法忽略的。
2.电子束会聚角（立体角）的增大对于透射电镜BF/DF探测器对Z衬度信息的区分更为有利。扫描电镜信号探头主要是二次电子以及背散射电子探头，接收信号类型以及成像方式与BF/DF探测器差别很大，信号扩散对探头接收样品的细节信息会产生不利影响。
球差校正引起电子束会聚角（立体角）变化，这个不利因素的量变，相对于扫描电镜来说是“过度”的，将成为影响最终结果的主要因素，造成球差校正对扫描电镜分辨力的不利影响。所以在扫描电镜上我们看不到有球差校正器的安装。对透射电镜来说，球差校正所引起的束流密度和会聚角（立体角）变化对改善分辨力都是有利的，因此我们看到球差校正透射电镜越来越红火。当然球差校正对于电镜也是有要求的，电子枪的本征亮度具有很大作用，很难看到在热发射（钨灯丝、六硼化镧）透射上装球差校正。这也是量变和质变的问题，电子枪亮度太低，校正球差太过困难，效果也很难让人满意。
重视量的积累、坚持适度性原则是量变质变规律在实际工作方法上的具体体现。是我们认识问题，选择正确方式处理问题的关键。
正确的世界观是我们选择正确方式处理问题的根本。坚持用自然辩证法的三大规律来认识并分析事物，会使得我们能准确的找到事物关键点，采用正确的方法获得满意的结果。
“辩证法”即思辨与实证相统一的方法，是科学的世界观和方法论。“辩证法”一词源于古希腊，原意是指在辩论中发现对方议论中矛盾之处并克敌制胜的方法。“辩证法”这个术语，在哲学史的不同历史时期和不同哲学家那里都有不同的含义。目前常说的辩证法三大规律是恩格斯从黑格尔《逻辑学》中所提炼，其在哲学上的普遍性达到了极限程度。同样在自然科学中也常常看到它们的存在：对立统一规律、量变质变规律、否定之否定规律。
一、对立统一规律
对立统一规律又称对立面的统一和矛盾规律。它认为任何事和物都存在着内在的矛盾性，同时又都是矛盾的统一体，是事物发展变化的源泉和动力。
矛盾是指事物内部或事物之间的既对立又统一的关系。统一性将受到对立性的制约，对立的形式、规模和范围又被统一性所规制。
扫描电镜中的实例：
电子显微镜中最为关键的指标：电子枪亮度
光源亮度是决定显微镜分辨能力的最关键因素。光源亮度越大显微镜的分辨能力越强，因此显微镜也往往以光源类型来分类。
扫描电镜也是一样，按照光源亮度大小分类依次为：冷场、热场、单晶热发射（六硼化镧）、钨灯丝（多晶）热发射。它们的亮度依次减弱，分辨能力也是依次减弱。
电子枪本征亮度β = 束流密度/(立体角 × 加速电压)
电子枪本征亮度β决定着电子枪的性能。是电子枪品质的反应，一旦电子枪生产完成，该值就确定了。
束流密度的增加会增加样品单位面积的表面信号量，这有利于提升图像的分辨能力，而会聚角（立体角）的增加将会使得样品表面信号的弥散范围扩大，不利于获取高分辨的形貌像。
电子束的发射亮度β'= 束流密度/(会聚角（立体角）)
在扫描电镜测试中加速电压一经选定，该值（β'）依据统计力学中的刘维尔定理，电子束在镜筒运行过程中，虽然各会聚点的电子束束流密度和会聚角（立体角）会发生变化，但β'保持不变。因此束流密度和会聚角（立体角）这两个变量将成为一对内在的矛盾体，统一在电子束的发射亮度β'之中。
束流密度的增加必然伴随着会聚角的增加，而它们对图像分辨的影响又相互对立，要想获取最好的结果就必须在矛盾的对立双方中寻求综合效果最好的。这一思路应当贯穿于扫描电镜所有测试条件选择的过程之中。
所谓辩证地思考问题，就是用联系的、发展的、全面的观点，特别是用对立统一的观点看问题。从对立中把握统一，从统一中把握对立。避免形而上学思想方法的绝对化和片面性。
二、否定之否定规律
任何事物都包含肯定与否定这两种因素，其对立统一促使事物自身发展。观察一个事物必须同时看到事物的肯定与否定这两个方面，在肯定中看到否定，在否定中看到肯定。全面的看问题，避免片面、形而上学的思维方式给我们带来的认识偏差。
扫描电镜的实例：
还是以电子束发射亮度β'的两个变量束流密度、会聚角（立体角）为例。我们从前面的描述中知道束流密度和会聚角（立体角）这两个变量是相互矛盾的统一在β'这个整体中，而它们对最终结果的影响又是相互联动否定。提升其中一个因素另一个必然跟着提升，对最终结果互相限制、互相否定。那么最后结果到底如何？这就引申出下一个规律：量变到质变。
三、量变、质变规律
从量变开始，质变是量变的终结。质―事物区别于他物的属性表现；量―事物可量化的规定性; 度―事物保持其质、量的界限，适度原则是实践活动的正确准则。量变―事物数量的变更。质变―事物根本性质的变化，是量变的中断，量变和质变的区分标志―是否过度。
在扫描电镜测试中，增加束流密度有利于获取完美的高分辨图像，但是增加束流密度也会带来以下问题：1.会聚角变大不利于获得高分辨图像，2.大的束流密度也会使得样品表面温度提高从而对样品产生破坏（ΔT ＝4.8 ×V 0 i/kd，i：束流，d：束斑直径），这些都不利于我们进行高分辨测试。这里就存在一个度的问题。当会聚角（立体角）增大这个量变所产生的负面效应成为影响最后结果的主体时，提高束流密度将会对我们获得高分辨图像形成不利影响。球差校正无法在扫描电镜中取得运用，正是基于这样的原因。
球差校正：是对透镜边缘球面像差引起的离焦电子进行校正并会聚到焦点上。它减弱了焦点附近的弥散斑，提升了电子束的束流密度有利于高分辨像，但是会聚角（立体角）也将同步的增大。这对透射电镜提升分辨率很有用，但对扫描电镜测试会产生不利的影响。
其原因在于以下两点：
1.透射电镜样品很薄，因此电子束会聚角（立体角）增加所引起的样品内部信号扩散范围可以忽略不计；扫描电镜的样品相对入射电子是无穷厚，信号扩散的影响是无法忽略的。
2.电子束会聚角（立体角）的增大对于透射电镜BF/DF探测器对Z衬度信息的区分更为有利。扫描电镜信号探头主要是二次电子以及背散射电子探头，接收信号类型以及成像方式与BF/DF探测器差别很大，信号扩散对探头接收样品的细节信息会产生不利影响。
球差校正引起电子束会聚角（立体角）变化，这个不利因素的量变，相对于扫描电镜来说是“过度”的，将成为影响最终结果的主要因素，造成球差校正对扫描电镜分辨力的不利影响。所以在扫描电镜上我们看不到有球差校正器的安装。对透射电镜来说，球差校正所引起的束流密度和会聚角（立体角）变化对改善分辨力都是有利的，因此我们看到球差校正透射电镜越来越红火。当然球差校正对于电镜也是有要求的，电子枪的本征亮度具有很大作用，很难看到在热发射（钨灯丝、六硼化镧）透射上装球差校正。这也是量变和质变的问题，电子枪亮度太低，校正球差太过困难，效果也很难让人满意。
重视量的积累、坚持适度性原则是量变质变规律在实际工作方法上的具体体现。是我们认识问题，选择正确方式处理问题的关键。
正确的世界观是我们选择正确方式处理问题的根本。坚持用自然辩证法的三大规律来认识并分析事物，会使得我们能准确的找到事物关键点，采用正确的方法获得满意的结果。

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