制浆造纸学科的扫描电镜样品制备及成像探讨

黄滟波 王若韫

（华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640）

扫描电镜（SEM）是常见的微区分析仪器，具有分辨率高、放大倍率宽、图像三维效果好、样品适用面广等特点，常用于材料形貌表征，在制浆造纸学科有广泛的应用。

自然界中纤维的种类多样，形态各异，纤维表面形貌与其成纸性能密切相关。在制浆造纸研究领域，常需优化加工条件或对纤维进行处理，以提高成纸品质。曾健等［1］探索了不同打浆条件对纤维形态的影响，通过扫描电镜观察可以直接发现不同打浆条件对纤维的分丝帚化有显著影响。徐柏森等［2］利用扫描电镜观察纤维横截面来反映纤维内部结构的开裂情况，可用于提高纤维再生功能的研究。陈维娜等［3］利用扫描电镜-电子能谱仪实现了对静电复印纸的快速鉴别。林友锋等［4］利用扫描电镜表征尾叶桉纤维风干前后的孔隙结构变化。Lyu等［5］研究了微纤化纤维素用于碳酸钙改性加填，通过扫描电镜发现改性后微纤化纤维素和重质碳酸钙形成了桥梁结构，絮聚明显，导致微纤化纤维素比表面积下降。扫描电镜操作简单、分析快速，可对纸张及纤维内部细微结构进行清晰准确的观察，是制浆造纸研究的一种重要手段。

本课题介绍了制浆造纸研究领域扫描电镜的样品制备方法，并对常见问题进行分析，以期为制浆造纸研究提供技术参考。

1 实验

1.1 实验材料

桉木浆板及未漂白硫酸盐桉木浆购自广州造纸股份有限公司；碳酸钙购自广东亚太森博浆纸有限公司；得力A4打印纸购自本地（广州）超市；纳米纤维素膜为本实验室采用TEMPO氧化法制备；碳导电胶条、银导电胶液及硅片购于美国Ted Pella公司。

1.2 实验仪器

扫描电镜（EVO 18，德国Zeiss）；离子溅射仪（Cressington 108 Auto，美国Ted Pella）；离子束切割仪（EM TIC 3X，德国Leica）。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

本实验室扫描电镜标配样品台为九孔圆形样品台，1次能载入9个样品。因测试量较大，本实验室自制了铝基样品台，1次能载入小体积样品50个以上，可减少开关样品仓次数，提高测试效率。

制浆造纸学科常见样品包括纸张、浆板、浆料、粉末样品（造纸填料及助剂等）、膜类样品及横截面样品等。这些样品大部分为非导电材料，测试前需进行喷金处理。样品制备情况与扫描电镜成像效果密切相关，对于不同类型的样品，有不同的制样方式和技巧，以下将分别进行讨论。

1.3.1.1 纸样制备

对于纸张和浆板样品，可直接裁剪成合适大小，用碳导电胶条粘贴于样品台上，喷金后进行观察（见图1（a））。但是对于某些结构蓬松、多孔的纸张或浆板样品，常规制样方法会导致样品导电性较差，影响成像质量。因此，若要增强样品表面导电效果，可在不遮挡成像区域的前提下，裁切碳导电胶细条贴于样品表面，在样品表面与铝制样品台之间形成导电通道（见图1（b））；也可以适当延长镀膜时间，增大样品表面导电性；或两种方法同时使用，有利于导电性较差的样品成像。

1.3.1.2 纤维样品制备

实际测试过程中，有时出于统计分析或与其他仪器联合表征需要，研究者会对单根纤维表面形貌进行观测［6-7］。纤维抄纸后互相缠绕，难以表征单根纤维全貌。制样时，可将浆板或纸样疏解，配制为一定浓度的纤维悬浮液；然后吸取一定量纤维悬浮液滴于基材上，干燥后喷金再进行拍摄（见图1（c））。基材表面要求清洁、平整、大小适中，可使用铝箔、云母片、硅片等。

1.3.1.3 粉末样品制备

对于粉末样品（如碳酸钙等），可直接取一定量粉末贴于碳导电胶条表面（见图1（d））。粘贴时需要注意样品层厚度，尽量将粉末铺为薄层，以提高样品表面导电性。同时，由于扫描电镜样品仓内为高真空环境，样品仓内污染会严重影响成像效果，因此，粉末样品制样需格外注意样品固定。可使用干净的称量纸在粉末表面轻压，尽量使其固定，然后采用洗耳球轻轻吹去表面未贴牢固的粉末。

1.3.1.4 不规则样品制备

图1 不同类型样品的扫描电镜制样方法

对于不规则厚度的不导电样品，常规方法制样的导电性差，影响成像效果。要解决这一问题，一方面可参考蓬松纸样的制备方法，裁切碳导电胶细条贴于样品表面，在样品表面与铝制样品台之间形成导电通道；另一方面，也可在样品侧面覆盖一层银导电胶液，提高样品侧面导电性，待银导电胶液中溶剂挥发后镀膜，再进行观察（见图1（e））。

1.3.1.5 横截面样品制备

除了对纸张、纤维表面进行表征，研究者也常常需要观察样品横截面的形貌结构。利用本实验室自制铝制样品台，可将纸张或纤维垂直贴于样品台侧面，暴露出横截面，镀膜进行扫描电镜观测（见图1（f））。一般采用机械切割、包埋切割（石蜡或树脂）及液氮淬断等方法制备纸张及纤维的横截面。

近年来，离子束切割等新技术也用于横截面制备。与传统的横截面制备方法相比，离子束切割使用高压电离惰性气体产生离子束，对横截面进行轰击，以剥离横截面表层。传统刀片切割与离子束切割方法制备的纸张横截面的扫描电镜图如图2所示。从图2可以看出，刀片切割的纸张横截面中，纤维随着刀片划过的方向有明显的“倒伏”现象。表层的纤维覆盖了内侧横截面使其形貌无法被观察到。而采用离子束切割制备的纸张横截面样品，轰击过程无应力损伤，纤维未发生明显形变，横截面表面平整，纸张内部的孔隙等细微结构清楚可见。离子束切割是制备横截面的先进技术，在制浆造纸研究中应用前景广阔。

1.3.2 离子束切割制备横截面

将市售A4打印纸裁剪为合适大小，用碳导电胶条垂直贴于离子束切割仪样品台，暴露横截面。高纯氩气在工作电压4 kV时电离形成离子束，轰击样品横截面，轰击时间为2 h，以形成一个更小范围的离子束切割横截面。

1.3.3 扫描电镜观察

取少量干燥后样品，用碳导电胶条粘贴于样品台，根据样品特性，适当采用银导电胶液等辅助材料，经离子溅射仪喷金后，利用扫描电镜对样品进行形貌表征。

2 结果与讨论

在利用扫描电镜进行样品形貌表征的过程中常常会产生图像明暗失调、扭曲晃动、边缘位置异常发亮及成像模糊等问题。造成这些问题的原因主要有荷电效应、边缘效应、像散及样品自然衬度低等，本课题组对这些问题、产生原因及解决办法进行了探讨。

2.1 荷电效应

荷电效应是指扫描电镜成像过程中产生的局部充电现象，是影响扫描电镜成像质量最常见的问题。扫描电镜成像过程中，高能电子束入射样品表面时，使样品核外电子电离产生二次电子。入射电子数量与二次电子数量相等时，样品不带电。然而实际测试过程中，入射电子数量与二次电子数量不同，样品则会带电。如果样品是导体，多余的电荷可通过设备导走。当样品不导电或导电性不佳时，多余的电荷无法导走，并在样品表面积累，从而产生局部充电形成荷电效应。

本课题组将未进行镀膜处理的纤维样品直接用于扫描电镜观测；结果显示，荷电效应可造成图像局部发亮，明暗失调（见图3（a）），也可造成图像扭曲、晃动（见图3（b）），严重影响扫描电镜成像效果。

图2 纸张横截面扫描电镜图

图3 荷电效应扫描电镜图

解决荷电效应的关键是解决样品表面电荷积累的问题。一方面，可通过延长镀膜时间、增大镀膜电流以提高样品表面镀金膜厚度，从而提高样品导电性使得多余电荷通过设备导走，降低样品表面电荷积累；另一方面，可通过降低加速电压、减少入射电子数量来减少样品表面的多余电荷。本课题中，分别在10 kV和5 kV的加速电压下，对干燥后桉木浆进行扫描电镜成像（见图3（c）和图3（d））。从图3（c）和图3（d）可以看出，该样品中有一条纤维中部悬空，只有头尾部与样品基底相连，导致该部位导电性较差。在10 kV加速电压下，纤维悬空部分表面电荷积累，扫描电镜图像发白，无法看清细节。在其他扫描电镜参数相同的条件下，下调加速电压为5 kV时，由于入射电子束减少，荷电效应明显改善，原来发白的区域亮度趋于正常，细节清晰可见。笔者在前期研究［8］中发现，使用低真空模式对未进行镀膜的纤维样品进行直接扫描电镜观察，也可有效降低荷电效应，提高扫描电镜成像质量。

2.2 边缘效应

边缘效应是指在样品表面起伏变化大的边缘位置图像异常发亮的现象［9］，边缘效应的产生原理如图4（a）所示。

在样品边缘或凸起的尖端位置，二次电子与样品表面作用面积增大，导致二次电子逃逸到样品表面的途径也增多，使该区域二次电子发射异常增加，进而引起扫描电镜图像上该位置亮度异常高（见图4（b））。

边缘效应由异常增加的二次电子引起，因此，可通过减少边缘区域的二次电子发射量来解决边缘效应问题；而降低加速电压，可以减少入射电子，进而减少二次电子发射量。在10 kV加速电压下，样品孔隙边缘褶皱处图像有异常发白的现象（见图4（c））；当加速电压降低至5 kV时，样品孔隙边缘褶皱处可正常成像（见图4（d））。此外，当入射电子束强度一定时，二次电子信号强度随样品倾斜角的减小而减小。因此，可适当调整样品台的倾斜角度，减小样品边缘、尖端处的倾斜角度，进而减小二次电子信号强度，以解决样品扫描电镜成像的边缘效应问题。

2.3 像散

在扫描电镜仪器加工过程中，由于不可避免的加工误差导致扫描电镜的透镜磁场不对称，使得透镜电流变化时，电子束被聚焦在相互垂直的焦面不能汇聚成点，造成扫描电镜成像分辨率下降的情况称为像散［10］。

在实际测试过程中，在对样品成像调焦时，发现图像被拉长、在过焦和欠焦位置出现相互垂直的图像及正焦位置成像模糊，则可认定为扫描电镜图存在像散（见图5（a））。如果物镜存在像散，会严重影响高倍图像的分辨率，需进行手动消像散。具体操作为，可在样品中选择圆形或球形的部位，在正焦位置进行观察；交替调节消像散器的X和Y方向，再进行对焦观察，直到图像变得清晰（见图5（b））。

2.4 样品自然衬度较低

衬度是指当电子束与样品相互作用时，由于样品微区特征的差异（形貌、原子序数或化学成分等）产生的信号强度不同，导致扫描电镜图像中出现不同亮度。

图4 边缘效应产生原因示意图和扫描电镜图

图5 像散对扫描电镜成像的影响

植物纤维素成膜性能优异，在包装材料、光电材料领域有良好的应用前景。本实验室经常对纤维素、半纤维素及纳米纤维素膜类样品进行表征。此类样品表面光滑平坦、自然衬度低，利用扫描电镜表征时，常常难以得到满意图像。

膜类样品成像时，首先要确保对焦准确。由于膜类样品本身光滑、平坦，无明显参照物，对焦时易出现偏差，使得成像模糊不清。因此，可以通过在特征处对焦、中间拍摄的方法解决这个问题。具体操作为，首先，将膜的边缘或其他有明显形貌特征的位置移到扫描电镜视野下，对焦完成后，再将需要表征的位置移到视野下进行表征。此外，也可通过适当倾斜样品台，使更多的二次电子逃逸至样品表面，增加二次电子信号强度来突出膜类样品表面微小信号强度的差别。图6为纳米纤维素膜扫描电镜成像图。由图6（a）可知，当样品台处于水平位置时，由于样品本身自然衬度低，扫描电镜成像效果不理想；将样品台倾斜10°后进行扫描电镜成像，图像衬度有一定程度的改善（见图6（b））。

2.5 电子束损伤

纳米纤维素膜或其他某些聚合物类样品表现为热敏感。当高能电子束入射样品表面时，常常会导致该位置温度升高；尤其是在高倍成像时，或者利用“Reduce”模式进行对焦时，温度升高常常导致这一类热敏材料产生形变，甚至损伤结构，称为电子束损伤或热损伤。

图6 纳米纤维素膜的扫描电镜图

表征这类样品时，一方面可适当延长镀金膜的时间，使样品表面沉积更厚的金膜，在样品表面形成支撑保护；另一方面可以提高样品表面导热性能，减少热量积累。设置扫描电镜参数时，可适当降低加速电压，减少入射电子数量。图7（a）为10 kV加速电压下，热敏样品的电子束损伤扫描电镜图。从图7（a）可以看出，电子束聚集的热效应使热敏样品表面发生形变，产生裂纹（箭头标注位置）。当加速电压降至5 kV时，可解决该热敏样品表面的电子束损伤问题（见图7（b））。此外表征样品时，在满足测试需要的前提下，尽量选择低倍快速成像，减少单位面积样品上的入射电子数量，降低电子束在样品表面的停留时间，以减少电子束损伤问题。

图7 热敏样品的电子束损伤扫描电镜图

3 结论

基于笔者在扫描电镜（SEM）表面形貌分析工作中积累的经验，本课题分别介绍了造纸学科纸张、纸浆、粉末（造纸填料及助剂）、膜等不同类型样品的扫描电镜制样技术。采用粘贴碳导电胶条、使用银导电胶液等方法可增加样品表面的导电性。对于横截面样品，利用离子束切割技术可以有效避免机械切割引起的样品形变。本课题组同时对扫描电镜成像过程中的常见问题进行探讨，证实通过优化镀膜时间、加速电压等电镜参数可显著改善由荷电效应、边缘效应及电子束损伤等引起的扫描电镜成像异常。

值得注意的是，降低加速电压在一定程度上可以改善由荷电效应、边缘效应及电子束损伤等引起的扫描电镜成像问题。然而，加速电压与图像分辨率密切相关，降低加速电压会降低信号电子产率，导致图像信噪比降低，从而降低图像分辨率。因此，实际操作中，需根据样品的具体性质，协同使用各种手段，优化测试参数以达到最好的扫描电镜成像效果。