
扫描电子显微镜(SEM)具有图像清晰度高、富有立体感、细节丰富、层次分明等优点,因此已被广泛应用在教学和科研工作当中。

在使用扫描电镜(SEM)观察样品时,由于一些外界因素的影响,或者样品本身髙低、形状、位置、方向的不同及有机和无机等性质差别,电子束照射到样品上时,产生不同强度、不同数量的二次电子,由二次电子形成的图像会存在不同程度的损伤,会改变或破坏样品,样品破坏是一种不利的影响,因为它可能会改变或甚至毁坏想要观察的细节,因此要得到理想的SEM图像,必须对影响图像质量的因素进行控制。
▎喷金效应不良导体或者半导体材料,导电性较差,样品表面会岀现荷电现象,影响对图像的观察和聚焦。为了避免放电现象,一般需要对导电性较差的样品进行喷金(有的要喷碳)处理,由于金的颗粒较大,会掩盖样品的某些细节,降低SEM的分辨能力,造成表面结构的假象,喷金时间过长或者喷金电流过大也会对某些样品造成污染和损坏,掩盖样品表面真实的形貌。
喷金需注意以下几个方面
1、喷金时间喷金的总时间决定样品表面金膜的厚度。不同的喷金设备有不同的喷金速度。不同的样品要采用不同的喷金时间,一般样品金属膜的厚度控制在20nm左右,观察效果较好。
2、喷金次数在规定的总喷金时间内,应该分多次喷金(特别是对容易烧伤的样品),以避免电子束打在样品上产生高温,损伤样品表面。
3、金属膜的均匀性和连续性喷金室内应通双气.或将样品放在喷金仪样品台的中央,以保证样品表面金属膜的均匀性和连续性,避免样品局部荷电。
4、靶和样品台之间的距离金靶和样品台的间距不能太大也不能太小,间距太小易损伤样品,太大得不到均匀连续的金属膜。
▎荷电效应在SEM聚焦图像时,电子束直接照射绝缘样品,会产生荷电效应
负极荷电会局部积累,从而抑制二次电子发射,引起图像不正常的反差及样品的变形和位移,使操作者无法进行聚焦和调图,荷电效应的形成有多种因索,与样品的制备、样品本身的电学性能、样品的缺陷(如晶体缺陷及高能电子束辐照时引起的缺陷)、样品室中的环境压力和操作参数等有密切关系。
缓解荷电效应在绝缘样品表面喷涂多层导电金属调节图像参数也可以减少荷电积累如降低加速电压;减小电子束的束斑电流;适当倾斜样品,找出入射电子和样品发射电子的平衝点。
使用导电胶样品制备的好坏直接影响表面微观形貌的观察效果。为了防止样品表面荷电,有些高分子样品可在样品和样品合之间粘贴固体导电胶,或者涂抹液体导电胶,减少电子束对样品的损伤,提高二次电子发射率,改进图像质量。但是必须等液体导电胶干透之后再喷金,以防高真空条件下导电胶起泡,影响导电效果.
▎电子束损伤效应聚合物材料和生物样品抗热性很差、热导率较低,高能电子束对这些样品表面的轰击会导致表面损伤,出现反差异常,局部或者全部变亮,变黑,图像局部错位,扭动、拉长,出现闪动的亮点等。电子束还可以使样品表面发生碳的沉积。所以在观察表面形貌时,容易出现假象。
为了避免样品损坏,可以采用以下方法1、降低电子束的束斑电流,降低所用的加速电压,缩短电子束对样品的照射时间对于不耐电子束损伤的样品,如果样品表面相对比较平整,也可以在一个视场调整参数,调好后快速转移到另一个视场进行拍照。

图1电子束的图像(左图为有损伤,右图无损伤)
束斑电流照射到样品上的电子束斑直径越小,拍摄高倍率的图像越清晰,同时分辨率也会越高。扫描电镜TESCAN5136的电子探针电流与束斑直役的关系见图2

图2探针电流和束斑直径的关系
探针电流越大.束斑直径越小,某些高分子样品就容易被烧伤。因此,必须选择适合的放大倍数、观察条件(加速电压、样品倾斜角度等)和探针电流。
2、加速电压选用高加速电压
电子束能域大,激发的二次电子、背散射电子数量多,有利于改善图像的分辨率、信噪比和反差,但是如果样品导电性差,又不便喷碳、喷金时,要尽可能保持样品原来的面貌,以取得高质量的扫描照片,采用高加速电压样品容易产生充放电效应,充电区的微小电位差会造成电子束扩散,束废扩大,从而损害分辨率。加速电压的选用,取决于样品的性质(包括导电性),对图像质最的要求和倍率等。
3、调整灯丝的安装高度
灯丝安装高度灯丝的安装高度h影响灯丝的寿命,同时对样品本身的成像也有很大最响。
h过小,灯丝尖和栅极之间可能产生放电现象,此时灯丝的发射电流很大。在进行SEM拍图时会损伤某些高分子或者生物样品的表面,调肖参数时会岀现局部变黑、变暗。
h过大,发射电流太小,图像质量不清晰。因此,为了提高图像的质量,必须正确确定灯丝的安装位置。

图3三级电子枪(1.阴极2.栅极3.阴极4.偏压电阻5.高压电源h.灯丝安装高度)
▎边缘效应通常样品表面是不平坦的,表面有凹凸,如尖棱、小粒子、坑穴边缘等,这些对二次电子图像的对比度有明显影响,造成图像对比度极度反差,称为“边缘效应“。
在图像中,这些区域会特別明亮,这并不是人为操作引起的,但是通过调整仪器参数可以减少边缘效应。
主要方法是
降低加速电压,或者在垂直方向上改变样品台的角度。
一般加速电压越低,明亮的边缘部分越小,样品的微观结构越清晰。垂直方向上样品台的角度变化是根据样品本身特性来调节的。图4是在垂直方向样品台旋转10°,电压30kV和降低到20kV时分别拍得的图像,电压降低后,边缘效应明显降低,但是并不能完全消除。
图4高分子材料的图像(边缘异常増亮,改善后的边缘效果)
▎污染样品受污染或SEM受到污染都会导致图像质量变差。污染原因有以下几点:
样品在制备过程中清洗不干净,洗法不适宜,使样品表面受到污染,表面细节被掩盖.所以样品在喷金和放入电镜样品室前应该是完全干燥的。
电子束长时间照射样品某一部分,样品附近有残留气体,电子束引起气体打火,图像清晰度和对比度变差。
环境尘埃多,或者操作不当,导致电镜受到污染。此外,电子束照射样品产生的各种气体也会污染样品和仪器。
某些高分子样品因分解、发热、起泡或者沉枳等,也会造成污染。
影响SEM图像质量的因素,有些是人为造成的,有些是样品和机器本身的问题,但是针对原因可以采取措施加以消除或者減轻其影响,拍出更好更真实的图片。