扫描电子显微镜在本科生创新实验中的应用教学探索

张 惠，沈玉华，谢安建

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

扫描电子显微镜是20世纪80年代以来人们研究纳米材料组织形貌和化学成分分析的一种非常重要的手段，也是近几十年来发展非常迅速的电子显微技术之一，现已成为物理、化学、生物以及材料学等自然科学研究中必不可少的基本仪器。作为刚刚开始进行创新实验训练的本科生来说，掌握此项技术不仅能够增强自己的动手能力，提升自己的科研水平，为自己的科学研究助一臂之力。还能激发其科研热情，提高科研兴趣。为此，我们为即将进行创新实验的本科生设计了一例简单易行的“扫描电子显微镜应用技术”课程。

1 实验内容

1.1 实验目的

了解扫描电子显微镜的原理、结构及应用;掌握扫描电子显微镜的样品制备方法;熟悉加速电压、物镜光栅、工作距离、像散等因素对成像的影响;实际操作获得最佳的图片。

1.2 扫描电子显微镜的原理分析

当一束聚焦的电子束沿一定的方向入射到样品上时，会发生散射。在散射的过程中，会损失一部分能量，而且会伴有热、X射线、二次电子、背散射电子、俄歇电子、反射电子等有用信号的产生。扫描电子显微镜是通过收集这些信息，再进行放大和显示成像，从而对样品进行分析的。扫描电子显微镜的组成部分有镜体和电源电路两部分。镜体包括电子光学系统(电子枪、扫描线圈等)、试样室、检测器及真空系统。具体的组成结构可参阅《电子显微分析》，章晓中编著，清华大学出版社。

1.3 仪器和材料

仪器:扫描电子显微镜(Hitach，SU1510)

材料:植物叶片，学生自行采集，烘干。

1.4 实验步骤

(1)样品制备:科学研究中所涉及的样品只要有三类:粉末类样品、膜类样品和块材。简要讨论各类样品的制备方法，具体实验室时，同学们可根据自己的样品来选择合适的制备方法。

粉末类样品:取少量的样品分散于乙醇(或其他有机试剂)，并用超声波分散均匀。然后用毛细管取一滴分散好的液体样品滴在清洗干净的硅基片上。将样品烘干，然后用导电胶固定在样品台上。

膜类样品:保持样品表面清洁，铺展均匀，然后用导电胶固定在样品台上。若样品导电型不好要进行喷金或喷碳处理，若有荷电要用导电胶将其“牵引”。

块材:制样方式和膜类样品类似。

(2)安装样品

点击操作界面或轻按仪器面板上的“EVAC”，放真空。打开试样室的盖子，将准备好的载有样品的样品台安装在载物台上。点击操作界面或轻按仪器面板上的“AIR”，抽真空。待真空度达到要求时，加高压，选择物镜光阑，反复调节放大、缩小、聚焦、像散、工作距离、加速电压、探针电流等各种参数，把图片调到最佳状态。

(3)根据自己的需要，选择合适的倍数，对最佳图片进行拍照，保存。

1.5 实验难点与重点

(1)样品的制备

样品的制备是此次实验的第一项工作，也是试验的难点之一。首先要保证样品干燥，本次实验样品为植物叶片，学生们采集后，要在烘箱中干燥数天，待其水分完全烘干后才能进行实验。其次样品要分散均匀，特别是粉末样品，必须在溶剂中充分超声待其分散非常均匀方可制样，此外浓度要尽可能的小，防止团聚。最后所测样品要导电，非导电性物质或导电性差的物质要进行喷金或喷碳处理。

(2)参数的设置

要想拍到理想的样品图片，必须对各个参数进行优化。对于扫描电镜来说，这些参数没有统一的标准。针对不同的样品，其参数要求变化很大。物镜光阑、工作距离、探针电流、加速电压四个参数相辅相成。物镜光阑越小，分辨率越高，但照射到样品的电流少，束班直径小，图像的信噪比差。探针电流越大，分辨率降低，但照射的电流多荷电现象严重，图像信噪比好。工作距离越短，分辨率越高，但景深浅。加速电压越大，电子束能量大，分辨率高，但对样品的损伤大，荷电严重。所以，根据不同的样品一定要选择合适的工作条件，这些条件是在不断的实验过程中摸索而得到的。

(3)像散的调节

这是使用扫描电镜过程中操作的细节问题，像散严重，图像质量差，所获的图像不能反映实际情况。所以在操作过程中，每调剂到一个倍数都要在聚焦后消除像散。消像散过程繁琐，同学们要有耐心。

(4)仪器的维护和保养

扫描电镜属于大型仪器，在操作过程中，我们始终强调要细致、谨慎，严格按操作步骤进行。做完之后，还要对仪器进行维护和保养。例如:务必把样品腔抽到真空后再关机、所测样品一定要符合要求，油性或者磁性样品禁止测量、选择合适的探针电流和加速电压以延长灯丝的寿命，等等。

1.6 学生所拍样品示例

样品图片如图1所示。

图1 样品图

1.7 教学效果评价

在教学实践过程中，我们从学生们掌握的关于扫描电镜的理论知识、工作参数间的关联关系以及最终实践操作后所得到的样品图片来对学生进行评价。从近期的教学效果来看，经过短时间的教学实践，学生们基本掌握了扫描电镜的基本理论，并且对其在科学研究中所起的作用有了很深刻的体会。但在实际操作中，不能很好的调节各个参数，使图片效果达到最佳。

2 结 论

实验过程中，要求学生自行采集样品，自行对样品进行前处理，自己完成样品的制备的全过程。通过实例讲授和自主操作过程的训练，学生们掌握了样品制备方法，能够自己完成整个操作过程，得到了比较完美的图片。从而激发了科研兴趣，提高了科研热情，锻炼了动手能力。也为创新实验的开展打下了一定的基础。

［1］蔡璐.扫描电子显微镜在材料分析和研究中的应用［J］.南京工程学院学报:自然科学版，2003(4):

［2］朱琳.扫描电子显微镜及其在材料科学中的应用［J］.吉林化工学院学报，2007(2):81-84.

［3］王蕾，靖丽丽，高春香等.扫描电子显微镜在无机材料分析中的应用［J］.当代化工，2007(3):318-320.

［4］唐晓山.扫描电子显微镜在纳米材料研究中的应用［J］.哈尔滨职业技术学院学报，2009(4):121-123.

［5］王艳萍，冯颖，何晓燕等.扫描电子显微镜在生物学本科实验教学中的应用［J］.通化师范学院学报，2010(10):81-83.

［6］罗敏蓉，赵亮.扫描电子显微镜在植物学教学中的应用［J］.安徽农业科学，2013(7):3267，3270.

［7］王红梅.物理实验创新教学的研究与实践［J］.大学物理实验，2014(3):123-125.