燃煤超细颗粒物的扫描电镜图像优化方法

徐国荣， 黄 琳， 丁宏刚， 周子健， 陈 文

(华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

0 引 言

大气颗粒物中可吸入颗粒物PM2.5是目前我国城市空气的首要污染物之一，已经对空气质量、大气能见度等产生了严重影响。燃煤超细颗粒物是大气中可吸入颗粒物PM2.5的主要来源之一[1],因此科研工作者们一直致力于研究燃煤超细颗粒物的生成和排放规律，希望有效控制其排放[2]。而燃煤超细颗粒物的生成规律与其微观结构（如表面形貌、尺寸等）密切相关，因此通过对燃煤超细颗粒物的微观结构进行有效观察是燃煤颗粒物研究的重要手段[3]。

场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope，FESEM)因具有分辨率高、景深长、立体感强和细节丰富等特点，可以对材料进行显微结构形貌表征，已成为目前分析材料形貌及结构最方便且最有效的方法之一[4]。然而燃煤超细颗粒物属于不导电粉体材料，使用FESEM观察非导体材料时，其差的导电性会导致入射电荷数量多于出射电荷数量，从而导致电荷聚焦，产生荷电效应。荷电效应会导致SEM图像出现异常反差、图像畸变、图像漂移、亮点、亮线等问题[5-6]，从而造成图像失真，无法获得样品的真实表面形貌信息。因此，有效地减轻荷电现象是燃煤超细颗粒物等不导电样品获得高质量SEM图像的必要条件。目前，改善荷电现象以获得高质量SEM照片的主要方式包括匹配的制样方式[7-9]和合适的参数设置[10-14]两种方式。然而针对燃煤超细颗粒物的扫描电镜参数优化目前还没有相关文章，为了深入分析颗粒物，尤其是燃煤颗粒物的形成规律，亟需通过高质量的SEM图片分析颗粒物的表面微观结构。基于此，本文主要首先探讨蔡司Sigma300 FESEM的工作原理，通过研究分析探测器、加速电压、工作距离、光阑大小等参数对SEM图像质量的影响，得出了FESEM参数的选择原则，为颗粒物粉尘研究人员和电镜工作者选用合适的参数提供参考。

1 FESEM的基本原理

扫描电镜是利用电子枪发射电子束，经过电磁透镜聚焦成极细的电子束，并由扫描线圈使电子束在样品表面规则地来回扫描。入射电子与试样相互作用将激发出二次电子(入射电子束轰击出来并离开样品表面的样品中的核外电子)、背散射电子（被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其能量与入射电子相当）、俄歇电子、特征X射线等各种信息[15]。如图1所示，这些信息由相应的探测器收集、放大、处理。FESEM主要利用二次电子、背散射电子以及特征X射线等信号对样品表面的特征进行分析。其中二次电子主要用于样品表面形貌观察，背散射电子可用于样品的成分分析、成像及元素分布、晶体结构分析等，而X射线则用于样品元素信息的分析。

图1 入射电子束在样品上激发出的各种信号

2 参数探讨

2.1 探测器的选择

图2(a)、(b)是分别用InLens、SE2探测器拍的燃煤超细颗粒物12 k(放大倍数12 000)图像，由图可见，InLens探测器拍的图像表面细节比较丰富，但由于受荷电效应影响，有亮线，图像较扁平。而SE2探测器拍的图像立体感较强，没有出现放电效应，图像比较有质感，但是样品表面细节欠丰富。图2(c)、(d)是分别用InLens、SE2探测器拍的燃煤超细颗粒物的高倍图像（50 k），由图像证实，InLens探测器更适合拍摄高倍图像，而SE2探测器由于接受到样品极浅表面的电子较少，导致图像模糊。

图2 探测器对图片质量的影响

FESEM一般都内置有多个电子探测器，如InLens，SE2，HDBSD(背散射电子探测器)等。InLens探测器位于正光轴上，通过提升样品台的Z轴，缩短工作距离、减少各种像差，收集较为纯净二次电子来提高图像分辨率，可以观察样品浅表信息，但是不足之处是拍摄的图像立体感较差，容易受荷电效应影响，使得图片出现反差，有亮线等问题。当需要高倍成像及观察样品表面细节时可选用InLens成像。SE2探测器位于极靴外的样品仓内，在样品台的斜上方，收集样品表层5～10 nm深度范围内发射出的二次电子，对样品表面形貌非常敏感，景深大，立体感强，特别适用于粗糙颗粒的观察研究。而且SE2探测器上有偏压，使得背向探测器区域产生的二次电子仍有相当一部分可以通过弯曲的轨道到达SE2探测器，从而可以防止阴影效应。当样品放电严重或者需要大景深、强立体感时可选用SE2成像。HDBSD探测器可放置于极靴下方，收集能量较大的背散射电子，发射深度为0.1～1 μm，主要反映样品的原子序数衬度、成分衬度，一般情况下，分辨率不及二次电子图像，主要配合能谱使用。

2.2 加速电压

加速电压在SEM中是一个极为重要的参数。FESEM的加速电压范围一般在0.1～30 kV，分档或连续可调。针对燃煤超细颗粒物不导电的特性，分别采用InLens、SE2探测器在2 kV、3 kV、5 kV、8 kV的加速电压进行图像采集。由图3可知，用InLens探测器拍摄的2 kV图像轮廓最清晰，表面细节最丰富，随着电压增加，照片边缘逐渐模糊，样品表面细节消失，而且有发亮区域，荷电条纹明显；用SE2探测器拍摄的2～3 kV的图像轮廓很清晰，景深强，可是随着电压增加，轮廓逐渐模糊，表面细节消失。这是因为加速电压越高入射电子束的能量越高，入射电子的扩展范围也越广[14]，电子束穿透深度大，表面细节被掩盖，另外，使用高加速电压时，激发出的二次电子越多，越不利于样品表面电荷趋于平衡，荷电现象明显[16]。相反，使用低加速电压时，电子束与样品的作用深度浅，激发出的二次电子来源于入射区极表层，因此样品表面细节非常丰富。而且电子束能量低，对样品的损伤也较小。所以，低加速电压不仅可以减少样品的损伤，还能有效地减少荷电现象，更适于观测燃煤超细颗粒物。

图3 加速电压对图片质量的影响

2.3 工作距离

工作距离也是影响FESEM成像的重要参数。FESEM的工作距离是指极靴与样品表面的距离[17]，通常用WD数字显示，在实际测试中，FESEM真实距离是电子束聚焦到样品表面所显示的WD。

当采用InLens探测器成像，同时采用低加速电压时，减小工作距离可以获取更多的信号，而且能够增加入射角，使得电子束斑直径变小，可以提高分辨率，获得更加清晰的图片[11]。蔡司Sigma300采用半内透镜成像方式，当工作距离小于3 mm时，样品处于极靴附近的磁场中，如果粉末样品粘不牢固，可能受荷电作用飘进极靴，造成极靴污损，所以建议较为安全的工作距离是大于3 mm。从图4中可以发现，采用InLens探测器成像，在2 kV的加速电压下，当工作距离由8 mm降至3.2 mm时，图像分辨率提高，煤灰表面细节变得更加清晰。

图4 采用InLens探测器时工作距离对图片质量的影响

采用SE2探测器成像，工作距离并不是越近越好。SE2探测器在样品仓内，位于样品台的斜上方，工作距离过大过小都可能造成SE2探测器接收的信号不足，使得图像不够清晰。采用SE2探测器成像，在2 kV的加速电压下，工作距离分别为3 mm、5 mm、8 mm的成像结果见图5所示。其中，工作距离5 mm的图像分辨率较工作距离3 mm、8 mm的图像分辨率高，而且有较佳的景深，样品上下表面均能聚焦。所以用蔡司Sigma300拍摄燃煤超细颗粒物时，SE2探测器的最佳距离是5 mm左右。

图5 SE2探测器时工作距离对图片质量的影响

2.4 光阑大小的选择

扫描电镜的光阑主要用于遮挡非旁轴的杂散电子，同时可以调节束斑尺寸。选择小光阑，电子束的束斑尺寸也相应减小，有利于提高图像的分辨率；然而，入射电子束束流变小，激发信号电子数量变少，导致信噪比降低。而大光阑则相反。本文在InLens、SE2探测器 26 k倍数下，分别采用 20，30，60 μm的光阑对燃煤超细颗粒物进行拍摄，结果见图6、7。从图中可以发现，对于这两种探测器，20 μm的光阑拍摄的图片信噪比较低，而60 μm的光阑的束斑尺寸过大导致图片分辨率差。相对来说30 μm光阑对应的信噪比和图像分辨率都较高，所以拍摄燃煤超细颗粒物样品，对于InLens、SE2探测器都建议采用30 μm光阑。

图6 InLens探测器下光阑对图片质量的影响

图7 SE2探测器下光阑对图片质量的影响

3 结束语

本文通过采用设置合适的探测器、调节电压、工作距离、光阑等参数的方法，获得了高质量的燃煤超细颗粒物SEM图像：

1）InLens探测器收集样品浅表面信息，但是不足之处是拍摄的图像立体感较差，容易受荷电效应影响，适用于高倍成像及观察样品表面细节；SE2探测器对样品表面形貌非常敏感，景深大，立体感强，特别适用于粗糙颗粒的观察研究。

2）低加速电压不仅可以减少样品的损伤，还能有效地减少荷电现象，更适于观测燃煤超细颗粒物。

3）较小的工作距离可以获取更多的信号，使得电子束斑直径变小，可以提高分辨率，获得更加清晰的图片。

4）30 μm光阑对应的信噪比和图像分辨率都较高。

当燃煤超细颗粒物样品放电严重或者需要大景深、强立体感时可选用SE2探测器，工作距离WD=5 mm，电压3 kV左右，光阑30 μm的参数条件下进行拍摄；当需要高倍成像及观察样品表面细节时可选用InLens探测器，工作距离WD=3.2 mm，电压2 kV，光阑30 μm的参数条件下进行拍摄。