SEM样品制备技巧、溅射镀膜技术对图像质量的影响、背散射电子对成像的作用

来源丨赛默飞材料与结构分析中国

初次使用扫描电镜（SEM）时，

您可能会疑惑到底能获取什么样的图像，您也可能会纠结怎样保证图像质量。其实，如果掌握了正确的样品制备技巧，您就可以轻松改善图像质量了。

首先，扫描电镜工作需要真空条件，而真空条件会对样品造成很大影响。例如，样品表面的松散颗粒会脱落，液体会即刻蒸发，易碎的材料会脱气。

图1. 苍蝇复眼的扫描电镜图像

您会发现对苍蝇很容易成像，但是要对苍蝇的幼虫成像，很可能会导致电镜中污渍飞溅。幼虫可以看作小的液体囊，如果内部水分蒸发，内部压力就会导致其皮肤崩塌甚至会发生爆炸。那么，气体和颗粒就会进入电子镜筒，并永久损害图像质量。

使用扫描电镜对水分含量高的样品成像，以下几点至关重要：

• 在低真空下成像

• 冻结样品

• 烘干样品

图2.-25°C 下苹果的扫描电镜图像

除了真空度，您还需要考虑样品表面电荷累积的影响，这会导致样品表面出现明亮的区域，从而掩盖所有细节，这种情况常常出现在聚合物和不导电材料中。

我们再强调一下，样品制备对于获得优质的图像十分关键。

使用扫描电镜对不导电样品成像时，我们应该：

• 使用金属胶带使样品接地，并在胶带附近区域成像；

• 使用金或其他导电镀膜材料在样品表面溅射镀膜

• 在低真空条件下成像

图3.不导电羊毛样品的扫描电镜图像

要获得优质的扫描电镜图像，样品制备至关重要。花些时间学习不同类型样品的制备技巧，您就可以确保始终获得最佳的图像结果。

溅射镀膜技术对扫描电镜图像质量的影响

扫描电镜（SEM）用途广泛，几乎不需要样品制备就可提供各种样品的纳米级信息。然而有时候，必须先对样品进行溅射镀膜才能使用扫描电镜获取高质量图像。

扫描电镜可以对各种样品成像，例如陶瓷、金属、合金、半导体、高分子以及生物样品等。然而，有些类型的样品并没那么容易成像，需要额外进行样品制备以获得高质量图像，包括给样品镀上一层约10纳米(nm)厚的导电材料，如金、银、铂或铬。

何时需要溅射镀膜

镀膜材料的高导电性可以提高扫描电镜成像信噪比，使成像质量更高。需要溅射镀膜才能观察的样品通常对电子束敏感，不可导电。

束敏感样品

主要指生物样品，还包括塑料材料等其他类别。扫描电镜电子束能量很高，与样品相互作用时，部分能量主要以热能的形式作用在样品上。如果样品是由对电子束敏感的材料制成，那么这种相互作用会破坏部分甚至整个样品结构。在这种情况下，使用非电子束敏感材料进行溅射镀膜可以起到保护层作用，防止样品受损。

不导电材料

因其不导电的特性，其表面起到了电子陷阱的作用，导致电子在样品表面积聚，也就是“荷电”现象，因此在样品表面形成极白的区域，影响成像效果。使用溅射镀膜技术，将导电材料作为导电通道，可移除表面积聚的电子。

（左图）不导电样品上的荷电效应

（右图）该样品表面溅射10nm金膜后的背散射电子图像

溅射镀膜的缺点

样品的溅射镀膜也存在一些弊端。首先，需要额外的时间和精力来确定最佳镀膜参数。最重要的是，镀膜后样品表面不再是原始材料，而是镀膜材料，因此会丢失原子序数衬度信息。在某些极端情况下，该技术可能会造成样品表面形貌失真或呈现虚假成分信息。

然而大多数情况下，只要谨慎选择镀膜参数，就能避免这些问题，获得清晰高质的图像。

溅射镀膜使用材料

在过去，最常用的溅射镀膜材料是金，因其导电率高、晶粒尺寸相对较小，利于形成高分辨率图像。进行能谱分析时，扫描电镜用户通常会对样品镀碳，因为碳的X射线峰值不会与其他元素的峰值发生冲突。

如今，钨、铱、铬等镀膜材料因粒度更细，可以满足超高分辨率成像要求，而铂、钯、银等镀膜材料则具有可逆性的优点。

为了获得扫描电镜的最佳成像，某些类型的样品需要额外进行样品制备。处理束敏感样品和不导电样品时，溅射镀膜技术有利于获得高质量的扫描电镜图像。

背散射电子对扫描电子显微镜的成像作用

与光学显微镜不同，扫描电子显微镜（SEM）利用电子而不是光线生成所研究样品的图像。为了理解扫描电镜的工作原理，我们必须了解背散射电子（BSEs）。

背散射电子是高能电子，可用于获取样品各元素分布的高分辨率图像。

为了描述背散射电子是如何发挥作用的，可以假设围绕地球旋转的小行星不受万有引力作用发生偏移回到太空。同样，当样品被原子轰击时，一些带负电的电子不受带正电的原子核吸引，被反射或“背散射”出样品。

入射电子与原子核相互作用后散射示意图

背散射电子的产生随元素质量的不同而不同。一般来说，较重的元素其原子核更大，对入射电子的偏转作用比较轻的元素更强烈。因此，与较轻的元素（如硅，其原子序数Z=14）相比，较重的元素（如银，其原子序数Z=47）在扫描电镜成像中显得更亮，因为更多的背散射电子从样品表面射出。

扫描电镜下的太阳能电池成像，与较轻元素硅相比，较重元素银显得更亮。

通常将探测器直接置于样品上方检测背散射电子，这种探测器由半导体材料构成（通常是硅）。撞击探测器的背散射电子激发硅电子，形成电子空穴对。半导体探测器只对高能电子敏感，因此可用于检测背散射电子。

背散射电子产生的自由电子和电子空穴对可以在重组前被分离，从而产生电流。该电流可以通过电子电路进行测量，最终将其转换为关于样品元素信息的高分辨率图像。

背散射电子图像质量可以根据研究人员的目标随意调节。例如，使用更高的加速电压，电子穿透深度会增加，使得样品表面的薄膜层难以观察。如果研究人员想要研究样品表面薄膜层，就必须使用较低加速电压的入射电子束。

5kV 和15kV加速电压下锡球样品的及其上的碳泥片背散射电子成像。碳泥片很暗，在15kV的加速电压下难以观察。

背散射电子可用于获取样品元素的高分辨率图像。通过清楚地了解背散射电子的工作原理和操纵变量，用户可以获取高分辨率图像用于研究所需。

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