粉末樣品制備方法對掃描電子顯微鏡成像質(zhì)量的影響

王馨楠

（大連理工大學(xué) 化工學(xué)院分析測試中心，遼寧 大連 116024）

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，納米材料在各個學(xué)科領(lǐng)域中不可或缺[1-3].納米材料的化學(xué)物理特性、機(jī)械性能等都與其尺寸、表面微觀結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)，因此對納米材料的微觀表征是對其深入研究的必要條件[4-5].掃描電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡相比，有更高的分辨率和景深，能夠直接觀察樣品的微納米結(jié)構(gòu)，還可以在對樣品進(jìn)行形貌觀察的同時進(jìn)行成分分析.與透射電子顯微鏡相比，樣品適用性廣、制樣方法簡單且圖像的放大范圍廣.掃描電子顯微鏡在觀察材料微觀形貌上的優(yōu)勢使得其廣泛應(yīng)用于化學(xué)化工、生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)以及機(jī)械材料等領(lǐng)域[6-8].

使用掃描電子顯微鏡對納米材料進(jìn)行微觀表征時，其成像質(zhì)量的影響因素有：樣品的自身特性、測試條件的改變以及樣品的制備方法等[9-10].（1）樣品的自身特性.如果樣品具有良好的導(dǎo)電性以及較高的二次電子產(chǎn)率會提高成像質(zhì)量，這樣的樣品在掃描電子顯微鏡測試中難度較小，很容易獲得高質(zhì)量圖像.（2）測試條件的改變.測試條件（如：加速電壓、束斑尺寸以及工作距離）的調(diào)整對掃描電子顯微鏡結(jié)果有著非常大的影響，這部分工作在已發(fā)表的文章中也有討論[11-12].（3）樣品的制備方法.選取合適的樣品制備方法可以改善成像質(zhì)量.納米材料以粉末形式居多，比表面積大，在范德華力作用下顆粒容易發(fā)生自發(fā)團(tuán)聚，形成的團(tuán)聚體尺寸較大，從納米級增加至微米級，形貌上也會發(fā)生巨大的變化，無法觀察到樣品真實(shí)的形貌和尺寸.在掃描電子顯微鏡樣品制備中，較為常用的粉末樣品的制樣方法是將粉末直接涂抹在導(dǎo)電碳膠上，此方法不需要提前處理樣品，導(dǎo)電碳膠也較易獲得.對于納米級粉末樣品，可以采用乙醇、水等溶劑作為分散劑，有效的將團(tuán)聚的納米材料分散開，防止發(fā)生聚集.將分散的納米材料溶液滴涂在基底上，干燥后在掃描電子顯微鏡下觀察.對于納米級粉末樣品，不同的制樣方式得到的掃描電子顯微鏡圖像不盡相同.因此，優(yōu)化制樣方法從而準(zhǔn)確觀察納米粉末的真實(shí)形貌和尺寸是非常重要的[13-16].

二氧化硅小球、分子篩以及聚苯乙烯小球是較為常見的非金屬材料，尺寸在納米量級，常應(yīng)用于化學(xué)化工領(lǐng)域[17-18]，其導(dǎo)電性差，二次電子產(chǎn)率低，制備后通常以粉末形式保存、運(yùn)輸和應(yīng)用.這三種材料的掃描電子顯微鏡表征比較有挑戰(zhàn)性.本文以上述三種材料為研究對象，在不鍍金屬膜的前提下，研究不同制樣方法對三種材料掃描電子顯微鏡下成像質(zhì)量的影響，優(yōu)化出最為合適且較為通用的不導(dǎo)電納米粉末樣品的制樣方式.在化學(xué)、化工及生物等領(lǐng)域，常見的粉末多具有導(dǎo)電性差的特點(diǎn)，在掃描電子顯微鏡表征中有一定測試難度，因此本文只討論不導(dǎo)電樣品的制樣方法，對導(dǎo)電性好的樣品就不再多做討論.

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FEI 公司，Novananosem450）；鍍膜儀（Quorum Q150T ES）和超聲波清洗器（上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司，SK3300）.所用試劑均為分析純，試驗(yàn)用水為去離子水.

1.2 樣品制備

二氧化硅小球采取經(jīng)典的Stober 合成法[1]；ZSM-5 分子篩納米片和聚苯乙烯小球的制備方法參考已有文獻(xiàn)報道[2-3].

1.3 粉末樣品的制樣方法

方法一：涂抹固定于導(dǎo)電碳膠.將導(dǎo)電碳膠粘在樣品臺上，用藥匙將粉末樣品均勻的涂在導(dǎo)電碳膠上，然后用氮?dú)鈿鈽尨祾叩粑凑忱喂痰姆勰悠?

方法二：涂抹固定于銀膠.將銀膠搖晃均勻，用刷子蘸取適量的銀膠刷在樣品臺表面，待銀膠即將風(fēng)干時，將粉末樣品涂抹在銀膠上，使其固定，同樣用氮?dú)鈿鈽尨祾叩粑垂潭ǖ姆勰悠?

方法三：滴涂在不同基底上.二氧化硅樣品：將樣品研磨后，取5 mg 粉末于10 mL 離心管中，加入5 mL 乙醇，搖晃均勻后放入超聲儀中超聲分散3 min，待用.ZSM-5 分子篩樣品：將樣品研磨后，取5 mg 粉末于10 mL 離心管中，加入5 mL 去離子水，搖晃均勻后放入超聲儀中超聲分散3 min，待用.聚苯乙烯樣品：同ZSM-5 分子篩樣品處理方法.三種粉末樣品分散后，用移液槍移取10 μL 液體滴在不同基底上，自然干燥后放入掃描電子顯微鏡樣品室進(jìn)行測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末涂抹固定于導(dǎo)電碳膠

導(dǎo)電碳膠是電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室中最為常見的制樣基底材料.采用將粉末樣品涂抹固定于導(dǎo)電碳膠的方法，簡便快捷，樣品無需經(jīng)過前期處理，干燥的樣品都可以固定在導(dǎo)電碳膠上.該制樣法是掃描電子顯微鏡表征最為常用的樣品制備方法.本文將所制備的二氧化硅、ZSM-5 分子篩、聚苯乙烯粉末樣品分別涂抹在導(dǎo)電碳膠上進(jìn)行掃描電子顯微鏡表征.由于所選取的三種粉末樣品均屬于無機(jī)、有機(jī)非金屬材料，自身特性決定了其在掃描電子顯微鏡表征中的難度.其中二氧化硅樣品為無機(jī)非金屬氧化物，其導(dǎo)電性不佳，分子篩樣品不耐電子束轟擊.聚苯乙烯樣品為有機(jī)聚合物，其導(dǎo)電性差、不耐電子束轟擊、荷電效應(yīng)尤為明顯.根據(jù)已有的文獻(xiàn)和已發(fā)表的關(guān)于分子篩樣品的掃描電子顯微鏡測試條件，表明選擇較低的加速電壓進(jìn)行形貌觀察可以有效的減小荷電效應(yīng)[11-12].此條件不僅適用于分子篩樣品，對于大多數(shù)納米尺寸顆粒樣品，低加速電壓能夠避免荷電的影響，保留樣品表面的細(xì)小結(jié)構(gòu)，獲得更為真實(shí)的圖像信息.故本文選擇在加速電壓為2 kV 的條件下進(jìn)行樣品形貌表征，束斑尺寸為3.0，工作距離在4～5 mm 之間.

圖1（a）～（c）分別為二氧化硅、ZSM-5 分子篩和聚苯乙烯粉末樣品直接涂抹在導(dǎo)電碳膠上的掃描電子顯微鏡圖像.從圖1（a）（c）中可以看到二氧化硅和聚苯乙烯形貌均為球形顆粒.但由于其自發(fā)聚集的特性，顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，圖像中只能看到堆疊幾層或者十幾層的團(tuán)聚體，無法觀察到單層或單個顆粒.不僅如此，團(tuán)聚在一起的二氧化硅小球和聚苯乙烯小球，無法將電荷順利導(dǎo)出，因此在圖像中形成了黑白條紋，即荷電效應(yīng).圖1（b）可以觀察到ZSM-5 分子篩粉末樣品的形貌.所制備的ZSM-5分子篩樣品為長方形的薄片，片層厚度為納米尺寸.納米片狀為比較少見的ZSM-5 分子篩形貌，因此在表征過程中需要清晰觀察到納米片的大小以及厚度.但由于納米材料自發(fā)聚集的性質(zhì)，導(dǎo)致片狀結(jié)構(gòu)堆疊嚴(yán)重，從圖1（b）中很難分辨出單個ZSM-5分子篩樣品的尺寸大小、片層厚度等，不利于樣品形貌的觀察.除納米顆粒堆疊嚴(yán)重影響形貌觀察外，三種粉末樣品的元素組成主要為碳、氧、硅和鋁，其二次電子產(chǎn)率較低，使得圖像整體信號較弱，圖像偏暗.

圖1 粉末樣品直接涂抹在導(dǎo)電碳膠上的掃描電子顯微鏡圖片（a）二氧化硅粉末，（b）ZSM-5 分子篩粉末，（c）聚苯乙烯粉末Fig.1 SEM images of powder samples on conductive tape(a) silica, (b) ZSM-5 zeolite, (c) polystyrene

2.2 粉末涂抹固定于銀膠

將二氧化硅、ZSM-5 分子篩以及聚苯乙烯粉末樣品分別涂抹固定于銀膠上進(jìn)行掃描電子顯微鏡表征，結(jié)果如圖2 所示.從圖2（a）和圖2（c）中可以看出二氧化硅和聚苯乙烯為球形納米顆粒，與圖1（a）和圖1（c）一致，但球形納米顆粒仍然聚集在一起，并未得到樣品的單個形貌信息.從圖2（b）中可以觀察到ZSM-5 分子篩粉末樣品也堆疊在一起，形成聚集體，無法觀察到單個片狀結(jié)構(gòu)的具體形貌信息（如納米片的長、寬以及厚度）.對比圖2 和圖1的亮度參數(shù)和對比度參數(shù)，兩者相差無幾，但圖2的亮度卻明顯高于圖1，說明相同樣品涂抹在導(dǎo)電碳膠和銀膠上，產(chǎn)生的信號強(qiáng)度有所差別.這是由于銀的原子序數(shù)高于碳的原子序數(shù)，其二次電子產(chǎn)率較高，因此得到的圖像信號會強(qiáng)一些，圖片會亮一些.另外銀的導(dǎo)電性也優(yōu)于碳膠，對于樣品電荷導(dǎo)出更有利.對比圖1 和圖2 還可以看出，圖2（a）的黑白條紋已經(jīng)消失，說明銀膠能夠有效的將樣品表面產(chǎn)生的電荷導(dǎo)出，避免產(chǎn)生荷電效應(yīng).圖2（c）中雖然還有少量的黑白條紋，但與圖1（c）相比，荷電效應(yīng)較弱.這是因?yàn)樵谙嗤臈l件下，聚苯乙烯樣品的自身導(dǎo)電性比另外兩個樣品的導(dǎo)電性差.

圖2 粉末樣品直接涂抹在銀膠上的掃描電子顯微鏡圖像（a）二氧化硅粉末，（b）ZSM-5 分子篩粉末，（c）聚苯乙烯粉末Fig.2 SEM images of powder samples on silver paint(a) silica, (b) ZSM-5 zeolite, (c) polystyrene.

從圖1、2 的掃描電子顯微鏡結(jié)果可以看出，對于納米級的粉末樣品，采用直接涂抹在導(dǎo)電碳膠和銀膠上的制樣方式，粉末樣品都會發(fā)生聚集，無法獲得單分散的形貌，尤其對于ZSM-5 分子篩這種特殊的片狀結(jié)構(gòu)，用涂抹的方法很難獲得單分散的形貌信息.如果想更為準(zhǔn)確地了解納米顆粒的尺寸以及單分散的形貌就需要選用其他的制樣方式.

2.3 粉末分散于溶劑中滴涂在基底上

要想獲得分散性好的形貌信息，上述涂抹固定在導(dǎo)電碳膠和銀膠上的制樣方法不可行.因此選擇將粉末在溶劑中進(jìn)行超聲分散，分散后滴涂在基底上，待自然晾干后進(jìn)行掃描電子顯微鏡的表征測試.根據(jù)樣品制備的溶劑環(huán)境選擇合適的溶劑，避免樣品在溶劑中形貌發(fā)生變化，比較常見的溶劑為水和乙醇.選用的研究對象中，二氧化硅小球的制備環(huán)境為乙醇，ZSM-5 分子篩和聚苯乙烯小球?yàn)樗嗪铣?因此在選擇分散溶劑時，二氧化硅小球用乙醇分散，其余兩種粉末選用水分散.

以二氧化硅小球?yàn)檠芯繉ο?，選擇不同的基底，將用乙醇分散好的二氧化硅小球分別滴涂在軟基底（導(dǎo)電碳膠、銀膠）及硬基底（銅網(wǎng)碳載膜、鋁箔、玻璃片和硅片）上.得到的掃描電子顯微鏡結(jié)果如圖3、4 所示.導(dǎo)電碳膠和銀膠是較軟的基底，樣品滴涂在表面時容易陷入膠內(nèi)，使得納米顆粒觀測起來不具有立體效果.圖3（a）可以看出襯底凹凸不平，少量二氧化硅小球密集排布在部分區(qū)域，沒有獨(dú)立分開的顆粒，且整體信號較弱，荷電效應(yīng)明顯，效果不甚理想.圖3（b）結(jié)果與圖3（a）相似，二氧化硅小球的導(dǎo)電性不佳導(dǎo)致圖像中荷電效應(yīng)非常明顯，在銀膠基底上，小球同樣緊密排列，分散性差，不利于觀察單個小球的形態(tài)和尺寸.導(dǎo)電碳膠和銀膠均存在有機(jī)物質(zhì)，而二氧化硅小球的分散溶劑是乙醇，根據(jù)相似相溶原理，碳膠和銀膠上的有機(jī)物質(zhì)在乙醇作用下少量溶出，導(dǎo)致納米小球緊密排列在一起分散不開，并形成有機(jī)薄膜包覆在顆粒表面，無法觀察到材料本身的細(xì)致結(jié)構(gòu).雖然導(dǎo)電碳膠和銀膠是實(shí)驗(yàn)室比較常見的制樣材料，但是將二氧化硅小球分散在乙醇溶劑中滴涂在導(dǎo)電碳膠和銀膠上的制樣方式都不是理想的選擇.

圖3 二氧化硅小球滴涂在（a）導(dǎo)電碳膠和（b）銀膠上的掃描電子顯微鏡圖像Fig.3 SEM images of silica nanospheres drop-coated on(a) conductive tape and (b) silver paint

使用硬基底可以避免上述問題.硬基底如銅網(wǎng)碳載膜、鋁箔、玻璃片和硅片也是實(shí)驗(yàn)室較為常見的材料.這4 種材料相對于導(dǎo)電膠來說是硬支撐材料，具有表面平整的特點(diǎn)，比較適合作為溶液滴涂的基底.圖4 是將乙醇分散的二氧化硅小球分別滴涂在銅網(wǎng)碳載膜、鋁箔、玻璃片和硅片上的掃描電子顯微鏡圖像.從圖4 中可以看到，4 種基底相對平整，而且不會與溶劑發(fā)生相互作用.通過加入溶劑超聲處理的制樣方法，可以非常有效地將納米顆粒分散開，防止團(tuán)聚.從圖4 中可以觀察到單分散的二氧化硅小球，清楚地得到小球的形態(tài)和尺寸，獲得更真實(shí)的材料形貌信息.4 種基底材料的特性不同，得到的掃描電子顯微鏡圖像也不盡相同.其中銅網(wǎng)碳載膜是碳材料，其二次電子產(chǎn)率低，膜表面不夠光滑，因此在圖4（a）中可以看到圖像整體有些偏暗，是由基底二次電子產(chǎn)率低導(dǎo)致的，同時也可以看到一些黑色的圖案，是碳膜表面不夠光滑造成的.鋁箔表面也不夠光滑，故在圖4（b）中也可以明顯看到基底上不平整的條紋，對小球樣品形貌觀察的影響不大，但如果是其他形貌的樣品就會有些許影響，而且基底的條紋在圖片中也不夠美觀.玻璃基底雖然平整度高，但導(dǎo)電性不佳，故在圖4（c）中可以看到明顯的黑色條紋，是由于電荷累積引起的荷電效應(yīng)，圖片不夠美觀，對形貌的觀察也有一定的影響.硅片基底平整光滑且無雜質(zhì)，在圖4（d）中可以看到二氧化硅小球單層平鋪在基底上，球形邊界清晰，分散性好，納米小球直徑在158 nm 左右.

圖4 二氧化硅小球滴涂在（a）銅網(wǎng)碳載膜、（b）鋁箔、（c）玻璃片和（d）硅片上的掃描電子顯微鏡圖像Fig.4 SEM images of silica nanospheres drop-coated on(a) copper mesh, (b) aluminum foil, (c) glass slide and(d) silicon wafer

從圖4 可以看出，分散劑的引入能夠非常有效地解決納米顆粒聚集的問題，而且在4 種硬基底上均可以觀察到單分散的二氧化硅納米顆粒.除了確定二氧化硅顆粒的形狀、納米級尺寸外，還可以確定納米顆粒大多是獨(dú)立存在，而非粘連在一起.4 種基底平整度、潔凈度以及導(dǎo)電性上各有差異，但都在成像上發(fā)揮了最基本的作用.其中硅片平整光滑，表面潔凈，滴涂在硅片上的二氧化硅小球可以清晰的觀察到小球的納米尺寸和真實(shí)形貌，基底對樣品的觀察沒有任何影響，是非常理想的基底材料.

以硅片作為基底，將ZSM-5 分子篩粉末和聚苯乙烯粉末分散在水中后滴涂在其上，待干燥后進(jìn)行掃描電子顯微鏡表征，得到圖5.從圖5（a）中可以看到，單層ZSM-5 分子篩片狀顆粒分散在硅片上，或平躺，或側(cè)立，與圖1（b）和圖2（b）粉末直接涂抹的方法相比，分散溶劑的引入有效地解決了ZSM-5 分子篩納米顆粒的堆疊問題.從掃描電子顯微鏡圖像中可以準(zhǔn)確觀察到ZSM-5 分子篩的片狀結(jié)構(gòu)，并且可以在放大的條件下測量薄片的寬度和厚度，確定其具體形貌和尺寸.圖5（a）中測得ZSM-5 分子篩納米片的寬度為90～200 nm，厚度為20～30 nm，這是在涂抹方法制樣中無法實(shí)現(xiàn)的.圖5（b）是用水分散后滴涂在硅片上的聚苯乙烯小球，可以看到小球粒徑在250 nm 左右，邊界清晰，且在硅片上的納米顆粒荷電效應(yīng)減小，圖像不再有大量黑白條紋，圖像清晰度較好.

圖5 （a）ZSM-5 分子篩粉末和（b）聚苯乙烯小球滴涂在硅片基底上的掃描電子顯微鏡圖像Fig.5 SEM images of (a) ZSM-5 zeolite and(b) polystyrene nanospheres drop-coated on silicon wafer

聚苯乙烯小球?qū)儆诟叻肿泳酆衔?，其?dǎo)電性、導(dǎo)熱性均不佳，在掃描電子顯微鏡的測試中經(jīng)常出現(xiàn)荷電效應(yīng)，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量.一般會在樣品表面鍍一層金屬膜來增加導(dǎo)電性，再進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察.圖6 為聚苯乙烯小球鍍金屬膜和未鍍金屬膜的掃描電子顯微鏡圖像，其中選擇鉑作為鍍膜材料.對比圖6（a）和圖6（b），鍍金屬膜的聚苯乙烯小球荷電效應(yīng)消失，圖像整體亮度提升，但小球的立體感較弱，圖像看起來有些厚重.未鍍金屬膜的聚苯乙烯小球雖然還存在些許黑白條紋，但不影響圖像質(zhì)量，小球邊界清晰，立體感強(qiáng).結(jié)果表明， 對于聚苯乙烯小球這種導(dǎo)電性差的樣品滴涂在硅片上進(jìn)行掃描電子顯微鏡測試時，在未鍍金屬膜的情況下，可以看到清晰的納米級小球結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確獲得形貌尺寸信息.因此，通過溶劑分散滴涂的方式進(jìn)行粉末樣品的形貌測試時，即使省去鍍膜的步驟，也可以得到高質(zhì)量的掃描電子顯微鏡圖像.同時，以硅片作基底，表面平整、光滑、潔凈，其優(yōu)良的導(dǎo)電性能幫助樣品導(dǎo)出電荷，增加樣品的導(dǎo)電性，同時提高圖像的質(zhì)量.因此，對于觀察納米級材料，硅片作基底可獲得高質(zhì)量圖像效果.

圖6 聚苯乙烯小球滴涂在硅片上的掃描電子顯微鏡圖像（a）鍍金屬膜，（b）未鍍金屬膜Fig.6 SEM images of polystyrene nanospheres dropcoated on silicon wafer(a) sprayed metal film, (b) unsprayed metal film

通過上述三種納米材料在不同制樣方式的掃描電子顯微鏡表征，可以發(fā)現(xiàn)，對于不導(dǎo)電、不耐電子束且二次電子產(chǎn)率低的無機(jī)、有機(jī)非金屬材料來說，粉末樣品直接涂抹在導(dǎo)電膠上，只能觀察到聚集的形貌和狀態(tài)，無法得到納米材料真實(shí)確切的形貌信息.如果用溶劑分散后滴涂在硅片上，可以非常清晰的觀察到單分散納米顆粒的形貌尺寸等信息.可見，對于納米顆粒粉末，通過選擇乙醇、水等溶劑進(jìn)行分散的制樣方法，可以有效地將納米顆粒分散開，防止其發(fā)生團(tuán)聚.

3 結(jié)論

優(yōu)化粉末樣品的制樣方法是得到高質(zhì)量掃描電子顯微鏡圖像的重要前提.直接涂抹在導(dǎo)電碳膠的制樣方法簡便易操作，適合不易結(jié)塊或者顆粒尺寸較大的粉末樣品.使用溶劑分散滴涂在基底的方法較為繁瑣，但對于納米級粉末能夠有效分散顆粒，防止發(fā)生聚集，獲得單分散的掃描電子顯微鏡圖像.因此，測試人員需要了解樣品的特性，根據(jù)樣品的實(shí)際情況選擇適合的制樣方式，這樣不僅可以得到優(yōu)質(zhì)的圖像，而且可以提高樣品的測試效率，在最短時間獲得樣品最佳的掃描電子顯微鏡圖像，從而分析樣品的真實(shí)形貌和特征.