掃描電鏡樣品制備及圖像質(zhì)量影響因素分析①

馬虹 徐娜 時軍波 李囡 李恩霞 張宏

摘 ? 要：樣品的制備作為掃描電子顯微鏡觀測前的必要工序，對觀測結(jié)果的精確性和準確度有重要影響。本文介紹了場發(fā)射掃描電子顯微鏡塊狀和粉末樣品的制備方法，歸納總結(jié)了影像圖像質(zhì)量的主要因素。

關(guān)鍵詞：場發(fā)射掃描電鏡 ?樣品 ?制備方法 ?圖像質(zhì)量

中圖分類號：TN16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0103-02

Abstract： As a necessary procedure before scanning electron microscope observation， sample preparation has an important influence on the accuracy of observation results. In this paper， the preparation of bulk and powder samples by field emission scanning electron microscope is introduced， and the main factors of image quality are summarized.

Key Words： Field emission scanning electron microscope; Sample; Preparation method; Image quality

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope， FESEM）是近年來發(fā)展起來的一種簡單、高效、便捷、幾乎是非破壞性的表面觀測設(shè)備[1]。因其分辨率高、景深大、圖像更富立體感、放大倍數(shù)可調(diào)范圍寬等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于金屬、陶瓷、高分子、水泥等材料的顯微形貌觀察、相組織與晶體結(jié)構(gòu)分析、微區(qū)化學(xué)成分分析等，對機械零部件的失效分析、納米或復(fù)合新材料的表征。FESEM 用途廣泛、功能強大，但對不同樣品要選擇合適的制樣方法和測試條件，以保證測試結(jié)果的準確度和精密度，是一項基礎(chǔ)而又必需掌握的技能。

1 ?樣品的制備方法

樣品制備對掃描電鏡觀察來說至關(guān)重要，樣品如果制備不好可能會對觀察效果有重大影響。通常希望觀察的樣品有盡可能好的導(dǎo)電性，否則會引起荷電現(xiàn)象，導(dǎo)致電鏡無法進行正常觀察;另外樣品還需要有較好的導(dǎo)熱性，否則轟擊點位置溫度升高，使得試樣中的低熔點組分揮發(fā)，形成輻照損傷，影響真實的形貌觀察。如果要進行微區(qū)成分定量分析，還需要樣品表面盡可能平整。

1.1 塊狀樣品

導(dǎo)電樣品：塊狀試樣掃描電鏡的試樣制備是比較簡便的。對于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外，基本上不需要進行什么制備，用導(dǎo)電膠帶把試樣粘結(jié)在樣品座上，即可放在掃描電鏡中觀察。

非導(dǎo)電樣品：對于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的材料，要先進行鍍膜處理，在材料表面形成一層導(dǎo)電膜，以避免在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響圖象質(zhì)量，并可防止試樣的熱損傷。再用導(dǎo)電膠帶把樣品表面與樣品臺相連，以在樣品與樣品臺之間形成電子通路，避免電荷積累。

1.2 粉末樣品

粉末樣品的制備要求是盡量在同一平面內(nèi)獲得分布均勻、密度適當?shù)姆勰?。在實際工作中，為了避免顆粒團聚、顆粒破碎等情況，粉體的分散方法可分為干法和濕法兩類。

1.2.1 干法

用鑷子把導(dǎo)電膠帶一端固定，粘取粉末樣品，用吸耳球吹掉未粘牢的粉末顆粒，然后把粘有粉末樣品的導(dǎo)電膠帶粘貼到樣品座上即可。制備過程的難點是導(dǎo)電膠帶粘取粉末樣品的過程，在這個過程中取樣要少量，動作要輕，以免出現(xiàn)樣品顆粒下陷于導(dǎo)電膠帶內(nèi)而導(dǎo)致圖像失真。粉末樣品如果導(dǎo)電性差，還需要進行鍍膜處理。

1.2.2 濕法

超聲波法是實驗室經(jīng)常采用的方法，操作過程是將燒杯中依次加入樣品和易揮發(fā)溶劑（純水、乙醇、正己烷、環(huán)己烷等），配成一定濃度的懸濁液，用超聲分散，大約5min左右用吸管取小滴滴在硅片或銅（鋁）導(dǎo)電膠帶上，就可以得到完全分散的微粒。待溶劑揮發(fā)干燥后，即可準備進行鍍膜處理。

1.3 鍍膜處理

鍍膜處理即導(dǎo)電處理，又稱噴鍍處理，是觀測不導(dǎo)電樣品常用的處理方法。樣品表面鍍上一層導(dǎo)電薄膜后可提高樣品的導(dǎo)電性，表面的負電荷通過導(dǎo)電膜釋放入地，可消除荷電現(xiàn)象。常用的噴鍍材料有C、Cr、Au、Pt或其合金。C膜均勻性好，導(dǎo)電導(dǎo)熱效率高，與Au、Pt相比其是最經(jīng)濟的材料，但二次電子產(chǎn)率低，不適合高倍圖像。Cr用于場發(fā)射電鏡等對樣品觀測要求較高的場合，20萬倍下膜層不會顯現(xiàn)結(jié)構(gòu)。Au 膜的二次電子產(chǎn)率較高，覆蓋性好，鍍膜容易，是最常用的材料，但是Au膜顆粒較大，高倍下觀察會看到明顯島狀結(jié)構(gòu)，這是一種假象，因此鍍Au膜適用于中低范圍的分辨率，兩萬倍以下的圖像。Pt膜與Au膜相比，Pt膜消除荷電的能力稍差，但其顆粒較Au膜小，適合于高分辨率圖像。常用的導(dǎo)電方法有真空鍍膜法和離子濺射鍍膜法[4-5]，實驗室選擇較多的是離子濺射鍍膜法。

1.3.1 真空鍍膜法

真空鍍膜法是使用真空鍍膜儀對不導(dǎo)電試樣表面進行導(dǎo)電介質(zhì)的蒸鍍。其原理是在高真空狀態(tài)下把所要噴鍍的金屬加熱，當加熱到熔點以上時，會蒸發(fā)成極細小的顆粒噴射到樣品上，在樣品表面形成一層金屬膜，使樣品導(dǎo)電。噴鍍用的金屬材料一般選用Au或Au和C，真空鍍膜法所形成的膜，金屬顆粒較粗，膜不夠均勻，操作較復(fù)雜并且費時。

1.3.2 離子濺射鍍膜法

在低真空中進行輝光放電時，由于離子沖擊，陰極金屬物質(zhì)有飛濺現(xiàn)象稱為濺射。利用離子濺射儀對樣品進行金屬鍍膜的方法，稱為離子濺射鍍膜法。濺射鍍膜法的裝置很簡單，主要有真空部分（真空泵）和濺射部分（真空罩）組成，金屬靶材和樣品臺分別作為陰極和陽極[6]，在低真空狀態(tài)下，在陽極與陰極兩個電極之間加上幾百至上千伏的直流電壓時，電極之間會產(chǎn)生輝光放電。在電場的作用下，罩內(nèi)殘余的氣體分子被電離為帶正電的陽離子和帶負電的電子，陽離子被陰極吸引轟擊金屬靶，激發(fā)出金屬顆粒和電子，并被陽極吸引附著在樣品表面而形成金屬導(dǎo)電膜[7]。

2 ?影像圖像質(zhì)量的主要因素

2.1 加速電壓

加速電壓的高低決定了入射電子能量的高低，加速電壓增大，電子束注入深度增加，圖像表征深度也隨之加深。高加速電壓可增加二次電子的強度，提高圖像清晰度，照射電子擊穿樣品更深，反映內(nèi)部信息。低加速電壓電子束穿透深度淺，襯度較好，更能表現(xiàn)表面微觀形貌。

2.2 物鏡光闌

光闌越小，景深越大，分辨率越高;光闌越大，束流越大，信號越強。

2.3 工作距離

工作距離（ WD） 是指樣品表面與物鏡之間的距離，是影響掃描圖像質(zhì)量一個非常重要的因素。工作距離越遠，景深越大;工作距離越近，分辨率越高。

2.4 探針電流

探針電流越大，信號越強，襯度越好;探針電流越小，分辨率越高。

2.5 掃描速度

掃描速度越快，噪聲越大，電子束對樣品損傷越小;掃描速度越慢，圖像越清晰，噪聲越小，不導(dǎo)電樣品充電越嚴重。

3 ?結(jié)語

總之，制備粉末樣品的方法有很多。要根據(jù)粉末的尺寸、性質(zhì)來選擇合適的分散介質(zhì)和分散方法，溶劑不能對要觀察的樣品有影響，否則會改變樣品的初始形貌而使圖像失真。還要在樣品上鍍上一層合適的導(dǎo)電膜，以提高圖像的清晰度，使測量數(shù)據(jù)更加真實。在實際操作過程中，要針對圖像產(chǎn)生的問題進行分析，選擇合適的工作條件，采取相應(yīng)的解決方法進行調(diào)整，以便拍攝出真實、清晰和理想的電鏡圖片，滿足教學(xué)和科研工作的需要。

參考文獻

[1] 劉紫薇，吳偉，華佳捷，等.鍍膜材料對場發(fā)射掃描電鏡圖像的影響[J].理化檢測-物理分冊，2015，51（2）：92-96.

[2] C. M. Hussain， S. Mitra. Nanomaterials for Sample Preparation[J].Comprehensive Sampling and Sample Preparation，2012（2）：389-418.

[3] Kamani Ratnayake， Daryl C. Joyce， Richard I. Webb. A convenient sample preparation protocol for scanning electron microscope examination of xylem-occluding bacterial biofilm on cut flowers and foliage[J].Scientia Horticulturae，2012（140）：12-18.

[4] 張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009.

[5] 王醒東， 林中山，張立永，等.掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及對樣品的制備[J].廣州化工，2012，40（19）：28-30.

[6] 鄭東.掃描電鏡非導(dǎo)電樣品的等離子濺射鍍膜方法[A]. 北京高教學(xué)會實驗室工作研究會2007年學(xué)術(shù)研討會論文集[C].2007.

[7] 施明哲.掃描電鏡和能譜儀的原理與實用分析技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2015.