電鏡學(xué)堂丨電鏡操作之如何巧妙選擇加速電壓？

這里是TESCAN電鏡學(xué)堂將繼續(xù)為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區(qū)分析技術(shù)》(本書簡介請至文末查看)，幫助廣大電鏡工作者，利用封控在家的時(shí)間，深入了解電鏡相關(guān)技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)以及最新發(fā)展?fàn)顩r，將電鏡在材料研究中發(fā)揮出更加優(yōu)秀的性能！

第三節(jié)   常規(guī)拍攝需要注意的問題

平時(shí)電鏡使用者都進(jìn)行常規(guī)樣品的觀察，常規(guī)樣品不像分辨率標(biāo)準(zhǔn)樣品那么理想，樣品比較復(fù)雜，而且有時(shí)候關(guān)注點(diǎn)并不相同。因此我們要根據(jù)樣品類型以及所關(guān)注的問題選擇合適的電鏡條件。

關(guān)注分辨率、襯度、景深、形貌的真實(shí)性、其它分析的需要等等，不同的關(guān)注點(diǎn)之間需要不同的電鏡條件，有時(shí)甚至相互矛盾。因此我們必須明確拍攝目的，尋找最適合的電鏡條件，而不是貿(mào)然的追求大倍數(shù)。

電鏡的工作條件包括很多，加速電壓、束流束斑、工作距離、光闌大小、明暗對比度、探測器的選擇等。這一期將為大家介紹加速電壓的選擇。

§1. 加速電壓的選擇

任何電鏡都是加速電壓越高分辨率越高，但并不意味著任何試樣都是電壓越大越好。電壓的選擇是電鏡中各個(gè)工作條件中最重要的一個(gè)。有各種因素需要考慮，而各個(gè)因素之間也有矛盾相悖的，這個(gè)時(shí)候還需要適當(dāng)進(jìn)行綜合考慮或者采取其它辦法。

①   樣品損傷和荷電因素

選擇的加速電壓不能對試樣產(chǎn)生明顯的輻照損傷或者荷電，否則觀察到的圖像不是試樣的真實(shí)形貌。如果有荷電的產(chǎn)生，需要將電壓降至到V₂以下，這點(diǎn)在前面電荷效應(yīng)中已經(jīng)詳細(xì)闡述，這里不再重復(fù)。

對于金屬等導(dǎo)電導(dǎo)熱均良好的試樣，可以用較高的電壓進(jìn)行觀察，如10kV及以上；對于一些導(dǎo)電性不是很好但是比較穩(wěn)定的試樣，可以中等加速電壓，如5kV左右；對一些容易損傷的樣品，比如高分子材料、生物材料等，可能需要較低的電壓，如2kV或以下。

②   電子產(chǎn)額因素

對于單相材料來說，因?yàn)槌煞譀]有差別，我們選擇電子產(chǎn)額最大的區(qū)間V₁～V₂即可，但是對于混合物相材料來說，我們希望在有形貌襯度的同時(shí)還能有較好的成分襯度，這樣的圖片顯得襯度更好，信息量也最大，往往我們也會認(rèn)為這樣的圖片最清晰。因此我們需要選擇二次電子產(chǎn)額相差較大的區(qū)域進(jìn)行拍攝。

如圖5-13，左圖是碳和金的二次電子產(chǎn)額，中間圖片是金顆粒在1kV下的二次電子圖像，右圖是200V下的二次電子圖像。顯然，在200V下碳和金的產(chǎn)額一樣，所以此時(shí)拍攝的圖像僅呈現(xiàn)出形貌上的差別，而碳和金的成分差異無論怎么調(diào)節(jié)明暗對比度也不會出現(xiàn)。而在1kV下，碳和金的電子產(chǎn)額差異達(dá)到最大，所以除了形貌襯度外，還表現(xiàn)出極好的成分襯度。

圖5-13   金和碳在電子產(chǎn)額（左）及1kV（中）、200V（右）電壓下的SE圖像

對于一些金屬材料來說，往往較高的加速電壓下有相對較大的產(chǎn)額差異，而對于一些低原子序數(shù)試樣，較低的電壓往往電子產(chǎn)額差異更大。

如圖5-14，試樣為碳銀混合材料。左圖為5kV SE圖像，右圖為20kV SE圖像。5kV下不但能表現(xiàn)出比20kV更好的成分襯度，還有更好的表明細(xì)節(jié)。

圖5-14   碳銀混合材料在5kV（左）、20kV（右）電壓下的SE圖像

如圖5-15，試樣為銅包鋁導(dǎo)線截面，左圖為5kV SE圖像，右圖為20kV SE圖像。20kV下能夠更好的將外圈的銅層和內(nèi)部的鋁層做更好的區(qū)分。

圖5-15   銅包鋁導(dǎo)線截面在5kV（左）、20kV（右）電壓下的SE圖像

對于有些本身差別很小的物相，如果能找到二次電子產(chǎn)額差異最大所對應(yīng)的電壓，也可將其區(qū)分。當(dāng)然有的產(chǎn)額沒有參考曲線，需要經(jīng)過諸多嘗試才能找到。比如圖5-16，試樣為摻雜半導(dǎo)體基底上的本征半導(dǎo)體薄膜，其電子產(chǎn)額差異在1kV達(dá)到最大，對應(yīng)1kV的圖像能將兩層膜就行區(qū)分，而其它電壓則沒有太好的襯度。

圖5-16   半導(dǎo)體薄膜在不同電壓下的襯度對比

③   襯度的平衡

雖然通過上一點(diǎn)提到的加速電壓的選擇可以將成分襯度達(dá)到最大，但有時(shí)該條件并不是觀察形貌最佳的電壓。此時(shí)我們需要考慮究竟是注重形貌還是注重成分襯度，使用二次電子來進(jìn)行觀察，還是用背散射電子進(jìn)行觀察，或者用折中的辦法進(jìn)行觀察。這都需要操作者根據(jù)電鏡照片想說明的問題來進(jìn)行選擇。

要獲得好的形貌襯度圖像和原子序數(shù)圖像所需的電壓條件一般都不一樣，也有另外的辦法可以適當(dāng)解決。對最佳形貌襯度和最佳原子序數(shù)襯度單獨(dú)拍攝照片，后期在電鏡軟件中通過圖像疊加的方式，將不同的照片（位置需要完全一樣）按照一定的比例進(jìn)行混合，形成一張兼有兩者襯度的圖片。

④   有效放大率因素

一般電鏡在不同的電壓下都有著不一樣的極限分辨率，其對應(yīng)的有效放大率也隨之而改變。拍攝特定倍數(shù)的電鏡照片，特別是高倍照片，需要選擇電壓對應(yīng)的有效放大率能夠達(dá)到需求。否則，視為圖像出現(xiàn)了虛放大。虛放大后，圖像雖然也在放大，但是并沒有出現(xiàn)更多的信息，而且虛放大而會有更多環(huán)境因素的影響。

所以如果出現(xiàn)虛放大，可以提高加速電壓，以增加有效放大率；如果電壓不能改變，可以考慮增加圖像的采集像素，來獲得類似放大的效果。此時(shí)受環(huán)境因素或者樣品損傷因素更小。

⑤   穿透深度因素

前面已經(jīng)詳細(xì)的講述了加速電壓和電子散射之間的關(guān)系。加速電壓越高，能量越大，電子的散射區(qū)域就越大。那么產(chǎn)生的二次電子或背散射電子中，從更深處發(fā)射的比例則更多。因此較大的加速電壓雖然有更好的水平方向的分辨率，但是卻忽略了試樣很多的表面細(xì)節(jié)；而低電壓雖然水平方向分辨率相對較差，但是卻對深度方向有著更好的靈敏度，可以反映出表面更多的形貌細(xì)節(jié)。

如圖5-17，試樣為表面修飾的二氧化硅球，5kV電壓看不出任何表面細(xì)節(jié)，而2kV下則能觀察到明顯的顆粒。再如圖5-18，納米顆粒粉末在不同電壓下的表現(xiàn)，因?yàn)轭w粒團(tuán)聚嚴(yán)重，所以在5kV電壓下無法將團(tuán)聚顆粒很好的區(qū)分，顯得粒徑更大，而1kV下則能觀察到相對更細(xì)小的顆粒。

圖5-17   SiO₂球在5kV（左）、1kV（右）電壓下的圖像

圖5-18   納米顆粒在5kV（左）、1kV（右）電壓下的圖像

當(dāng)加速電壓降低到200V左右的超低水平后，電子束的作用區(qū)域變得很小，常規(guī)的邊緣效應(yīng)或者尖端效應(yīng)基本可以去除，如圖5-19。

圖5-19   200V左右的電壓可以消除邊緣效應(yīng)

不過并不是說電壓越低，表面細(xì)節(jié)越豐富就越好。有時(shí)對于一些特殊樣品反而希望有較高的穿透深度。比如，對一些包覆材料，希望看到包覆效果，需要電子束能穿透較深，將包覆內(nèi)部的信息反映出來。如果僅使用低電壓，只能看出包覆層的表面細(xì)節(jié)，而達(dá)不到預(yù)想的效果。

如圖5-20，右邊5kV拍攝的圖比左邊2kV下有有助于我們觀察到石墨烯包覆球狀物的效果。還有的樣品所感興趣的一些東西嵌在基體內(nèi)部，此時(shí)也需要較高的電壓來達(dá)到一定的穿透效果，觀察到感興趣的特征。

圖5-20 石墨烯包覆在不同電壓下穿透效果

此外，低電壓因?yàn)榇┩感?，所以對表面極為敏感，當(dāng)然對表面污染也顯得更為清楚。而有時(shí)候我們不想獲得有太多污染的圖片，此時(shí)提高電壓，增強(qiáng)電子束穿透能力也會降低表面污染的負(fù)面影響，如圖5-21。

圖5-21 表面污染物在1kV（左）和15kV（右）下的對比

所以穿透深度要根據(jù)實(shí)際的需求來進(jìn)行選擇，低電壓有助于表現(xiàn)更多表面細(xì)節(jié)，高電壓有助于觀察到樣品的內(nèi)部情況，要根據(jù)實(shí)際需要來選擇加速電壓。

⑥   信噪比因素

加速電壓變小，雖然很多物質(zhì)的電子產(chǎn)額更高，但是因?yàn)殡娮邮男盘栕內(nèi)?，所以整體二次電子和背散射電子信號也變?nèi)?。一般來說都是高電壓有著比低電壓更好的信噪比。

對于一些信噪比不好的情況，可以通過適當(dāng)增加電壓來提升信噪比；不過如果加速電壓因?yàn)槠渌虿荒芨淖?，可以通過多種方式來提升信噪比，如：增加束斑束流、選擇更大孔徑光闌、降低掃描速度、使用線積分或者面積累、減小工作距離、適當(dāng)增加探測器的偏壓、或者試樣傾轉(zhuǎn)樣品。

⑦   其它附件因素

掃描電鏡不僅僅是拍攝圖像，通常還配備了其它分析附件。不同的附件對電壓也有一定的要求。在進(jìn)行其它分析的時(shí)候，可能要優(yōu)先考慮附件工作的需要。