扫描电镜样品制备及图像质量影响因素分析①

马虹 徐娜 时军波 李囡 李恩霞 张宏

摘   要：样品的制备作为扫描电子显微镜观测前的必要工序，对观测结果的精确性和准确度有重要影响。本文介绍了场发射扫描电子显微镜块状和粉末样品的制备方法，归纳总结了影像图像质量的主要因素。

关键词：场发射扫描电镜  样品  制备方法  图像质量

中图分类号：TN16                                  文献标识码：A                        文章编号：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

場发射扫描电子显微镜（Field Emission Scanning Electron Microscope， FESEM）是近年来发展起来的一种简单、高效、便捷、几乎是非破坏性的表面观测设备[1]。因其分辨率高、景深大、图像更富立体感、放大倍数可调范围宽等优点而被广泛应用于金属、陶瓷、高分子、水泥等材料的显微形貌观察、相组织与晶体结构分析、微区化学成分分析等，对机械零部件的失效分析、纳米或复合新材料的表征。FESEM 用途广泛、功能强大，但对不同样品要选择合适的制样方法和测试条件，以保证测试结果的准确度和精密度，是一项基础而又必需掌握的技能。

1  样品的制备方法

样品制备对扫描电镜观察来说至关重要，样品如果制备不好可能会对观察效果有重大影响。通常希望观察的样品有尽可能好的导电性，否则会引起荷电现象，导致电镜无法进行正常观察;另外样品还需要有较好的导热性，否则轰击点位置温度升高，使得试样中的低熔点组分挥发，形成辐照损伤，影响真实的形貌观察。如果要进行微区成分定量分析，还需要样品表面尽可能平整。

1.1 块状样品

导电样品：块状试样扫描电镜的试样制备是比较简便的。对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需要进行什么制备，用导电胶带把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。

非导电样品：对于块状的非导电或导电性较差的材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜，以避免在电子束照射下产生电荷积累，影响图象质量，并可防止试样的热损伤。再用导电胶带把样品表面与样品台相连，以在样品与样品台之间形成电子通路，避免电荷积累。

1.2 粉末样品

粉末样品的制备要求是尽量在同一平面内获得分布均匀、密度适当的粉末层。在实际工作中，为了避免颗粒团聚、颗粒破碎等情况，粉体的分散方法可分为干法和湿法两类。

1.2.1 干法

用镊子把导电胶带一端固定，粘取粉末样品，用吸耳球吹掉未粘牢的粉末颗粒，然后把粘有粉末样品的导电胶带粘贴到样品座上即可。制备过程的难点是导电胶带粘取粉末样品的过程，在这个过程中取样要少量，动作要轻，以免出现样品颗粒下陷于导电胶带内而导致图像失真。粉末样品如果导电性差，还需要进行镀膜处理。

1.2.2 湿法

超声波法是实验室经常采用的方法，操作过程是将烧杯中依次加入样品和易挥发溶剂（纯水、乙醇、正己烷、环己烷等），配成一定浓度的悬浊液，用超声分散，大约5min左右用吸管取小滴滴在硅片或铜（铝）导电胶带上，就可以得到完全分散的微粒。待溶剂挥发干燥后，即可准备进行镀膜处理。

1.3 镀膜处理

镀膜处理即导电处理，又称喷镀处理，是观测不导电样品常用的处理方法。样品表面镀上一层导电薄膜后可提高样品的导电性，表面的负电荷通过导电膜释放入地，可消除荷电现象。常用的喷镀材料有C、Cr、Au、Pt或其合金。C膜均匀性好，导电导热效率高，与Au、Pt相比其是最经济的材料，但二次电子产率低，不适合高倍图像。Cr用于场发射电镜等对样品观测要求较高的场合，20万倍下膜层不会显现结构。Au 膜的二次电子产率较高，覆盖性好，镀膜容易，是最常用的材料，但是Au膜颗粒较大，高倍下观察会看到明显岛状结构，这是一种假象，因此镀Au膜适用于中低范围的分辨率，两万倍以下的图像。Pt膜与Au膜相比，Pt膜消除荷电的能力稍差，但其颗粒较Au膜小，适合于高分辨率图像。常用的导电方法有真空镀膜法和离子溅射镀膜法[4-5]，实验室选择较多的是离子溅射镀膜法。

1.3.1 真空镀膜法

真空镀膜法是使用真空镀膜仪对不导电试样表面进行导电介质的蒸镀。其原理是在高真空状态下把所要喷镀的金属加热，当加热到熔点以上时，会蒸发成极细小的颗粒喷射到样品上，在样品表面形成一层金属膜，使样品导电。喷镀用的金属材料一般选用Au或Au和C，真空镀膜法所形成的膜，金属颗粒较粗，膜不够均匀，操作较复杂并且费时。

1.3.2 离子溅射镀膜法

在低真空中进行辉光放电时，由于离子冲击，阴极金属物质有飞溅现象称为溅射。利用离子溅射仪对样品进行金属镀膜的方法，称为离子溅射镀膜法。溅射镀膜法的装置很简单，主要有真空部分（真空泵）和溅射部分（真空罩）组成，金属靶材和样品台分别作为阴极和阳极[6]，在低真空状态下，在阳极与阴极两个电极之间加上几百至上千伏的直流电压时，电极之间会产生辉光放电。在电场的作用下，罩内残余的气体分子被电离为带正电的阳离子和带负电的电子，阳离子被阴极吸引轰击金属靶，激发出金属颗粒和电子，并被阳极吸引附着在样品表面而形成金属导电膜[7]。

2  影像图像质量的主要因素

2.1 加速电压

加速电压的高低决定了入射电子能量的高低，加速电压增大，电子束注入深度增加，图像表征深度也随之加深。高加速电压可增加二次电子的强度，提高图像清晰度，照射电子击穿样品更深，反映内部信息。低加速电压电子束穿透深度浅，衬度较好，更能表现表面微观形貌。

2.2 物镜光阑

光阑越小，景深越大，分辨率越高;光阑越大，束流越大，信号越强。

2.3 工作距离

工作距离（ WD） 是指樣品表面与物镜之间的距离，是影响扫描图像质量一个非常重要的因素。工作距离越远，景深越大;工作距离越近，分辨率越高。

2.4 探针电流

探针电流越大，信号越强，衬度越好;探针电流越小，分辨率越高。

2.5 扫描速度

扫描速度越快，噪声越大，电子束对样品损伤越小;扫描速度越慢，图像越清晰，噪声越小，不导电样品充电越严重。

3  结语

总之，制备粉末样品的方法有很多。要根据粉末的尺寸、性质来选择合适的分散介质和分散方法，溶剂不能对要观察的样品有影响，否则会改变样品的初始形貌而使图像失真。还要在样品上镀上一层合适的导电膜，以提高图像的清晰度，使测量数据更加真实。在实际操作过程中，要针对图像产生的问题进行分析，选择合适的工作条件，采取相应的解决方法进行调整，以便拍摄出真实、清晰和理想的电镜图片，满足教学和科研工作的需要。

参考文献

[1] 刘紫薇，吴伟，华佳捷，等.镀膜材料对场发射扫描电镜图像的影响[J].理化检测-物理分册，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] 张大同.扫描电镜与能谱仪分析技术[M].广州：华南理工大学出版社，2009.

[5] 王醒东， 林中山，张立永，等.扫描电子显微镜的结构及对样品的制备[J].广州化工，2012，40（19）：28-30.

[6] 郑东.扫描电镜非导电样品的等离子溅射镀膜方法[A]. 北京高教学会实验室工作研究会2007年学术研讨会论文集[C].2007.

[7] 施明哲.扫描电镜和能谱仪的原理与实用分析技术[M]. 北京：电子工业出版社，2015.