燃煤超細(xì)顆粒物的掃描電鏡圖像優(yōu)化方法

徐國榮， 黃 琳， 丁宏剛， 周子健， 陳 文

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

大氣顆粒物中可吸入顆粒物PM2.5是目前我國城市空氣的首要污染物之一，已經(jīng)對(duì)空氣質(zhì)量、大氣能見度等產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。燃煤超細(xì)顆粒物是大氣中可吸入顆粒物PM2.5的主要來源之一[1],因此科研工作者們一直致力于研究燃煤超細(xì)顆粒物的生成和排放規(guī)律，希望有效控制其排放[2]。而燃煤超細(xì)顆粒物的生成規(guī)律與其微觀結(jié)構(gòu)（如表面形貌、尺寸等）密切相關(guān)，因此通過對(duì)燃煤超細(xì)顆粒物的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效觀察是燃煤顆粒物研究的重要手段[3]。

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope，F(xiàn)ESEM)因具有分辨率高、景深長(zhǎng)、立體感強(qiáng)和細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn)，可以對(duì)材料進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)形貌表征，已成為目前分析材料形貌及結(jié)構(gòu)最方便且最有效的方法之一[4]。然而燃煤超細(xì)顆粒物屬于不導(dǎo)電粉體材料，使用FESEM觀察非導(dǎo)體材料時(shí)，其差的導(dǎo)電性會(huì)導(dǎo)致入射電荷數(shù)量多于出射電荷數(shù)量，從而導(dǎo)致電荷聚焦，產(chǎn)生荷電效應(yīng)。荷電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致SEM圖像出現(xiàn)異常反差、圖像畸變、圖像漂移、亮點(diǎn)、亮線等問題[5-6]，從而造成圖像失真，無法獲得樣品的真實(shí)表面形貌信息。因此，有效地減輕荷電現(xiàn)象是燃煤超細(xì)顆粒物等不導(dǎo)電樣品獲得高質(zhì)量SEM圖像的必要條件。目前，改善荷電現(xiàn)象以獲得高質(zhì)量SEM照片的主要方式包括匹配的制樣方式[7-9]和合適的參數(shù)設(shè)置[10-14]兩種方式。然而針對(duì)燃煤超細(xì)顆粒物的掃描電鏡參數(shù)優(yōu)化目前還沒有相關(guān)文章，為了深入分析顆粒物，尤其是燃煤顆粒物的形成規(guī)律，亟需通過高質(zhì)量的SEM圖片分析顆粒物的表面微觀結(jié)構(gòu)?；诖?，本文主要首先探討蔡司Sigma300 FESEM的工作原理，通過研究分析探測(cè)器、加速電壓、工作距離、光闌大小等參數(shù)對(duì)SEM圖像質(zhì)量的影響，得出了FESEM參數(shù)的選擇原則，為顆粒物粉塵研究人員和電鏡工作者選用合適的參數(shù)提供參考。

1 FESEM的基本原理

掃描電鏡是利用電子槍發(fā)射電子束，經(jīng)過電磁透鏡聚焦成極細(xì)的電子束，并由掃描線圈使電子束在樣品表面規(guī)則地來回掃描。入射電子與試樣相互作用將激發(fā)出二次電子(入射電子束轟擊出來并離開樣品表面的樣品中的核外電子)、背散射電子（被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，其能量與入射電子相當(dāng)）、俄歇電子、特征X射線等各種信息[15]。如圖1所示，這些信息由相應(yīng)的探測(cè)器收集、放大、處理。FESEM主要利用二次電子、背散射電子以及特征X射線等信號(hào)對(duì)樣品表面的特征進(jìn)行分析。其中二次電子主要用于樣品表面形貌觀察，背散射電子可用于樣品的成分分析、成像及元素分布、晶體結(jié)構(gòu)分析等，而X射線則用于樣品元素信息的分析。

圖1 入射電子束在樣品上激發(fā)出的各種信號(hào)

2 參數(shù)探討

2.1 探測(cè)器的選擇

圖2(a)、(b)是分別用InLens、SE2探測(cè)器拍的燃煤超細(xì)顆粒物12 k(放大倍數(shù)12 000)圖像，由圖可見，InLens探測(cè)器拍的圖像表面細(xì)節(jié)比較豐富，但由于受荷電效應(yīng)影響，有亮線，圖像較扁平。而SE2探測(cè)器拍的圖像立體感較強(qiáng)，沒有出現(xiàn)放電效應(yīng)，圖像比較有質(zhì)感，但是樣品表面細(xì)節(jié)欠豐富。圖2(c)、(d)是分別用InLens、SE2探測(cè)器拍的燃煤超細(xì)顆粒物的高倍圖像（50 k），由圖像證實(shí)，InLens探測(cè)器更適合拍攝高倍圖像，而SE2探測(cè)器由于接受到樣品極淺表面的電子較少，導(dǎo)致圖像模糊。

圖2 探測(cè)器對(duì)圖片質(zhì)量的影響

FESEM一般都內(nèi)置有多個(gè)電子探測(cè)器，如InLens，SE2，HDBSD(背散射電子探測(cè)器)等。InLens探測(cè)器位于正光軸上，通過提升樣品臺(tái)的Z軸，縮短工作距離、減少各種像差，收集較為純凈二次電子來提高圖像分辨率，可以觀察樣品淺表信息，但是不足之處是拍攝的圖像立體感較差，容易受荷電效應(yīng)影響，使得圖片出現(xiàn)反差，有亮線等問題。當(dāng)需要高倍成像及觀察樣品表面細(xì)節(jié)時(shí)可選用InLens成像。SE2探測(cè)器位于極靴外的樣品倉內(nèi)，在樣品臺(tái)的斜上方，收集樣品表層5～10 nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出的二次電子，對(duì)樣品表面形貌非常敏感，景深大，立體感強(qiáng)，特別適用于粗糙顆粒的觀察研究。而且SE2探測(cè)器上有偏壓，使得背向探測(cè)器區(qū)域產(chǎn)生的二次電子仍有相當(dāng)一部分可以通過彎曲的軌道到達(dá)SE2探測(cè)器，從而可以防止陰影效應(yīng)。當(dāng)樣品放電嚴(yán)重或者需要大景深、強(qiáng)立體感時(shí)可選用SE2成像。HDBSD探測(cè)器可放置于極靴下方，收集能量較大的背散射電子，發(fā)射深度為0.1～1 μm，主要反映樣品的原子序數(shù)襯度、成分襯度，一般情況下，分辨率不及二次電子圖像，主要配合能譜使用。

2.2 加速電壓

加速電壓在SEM中是一個(gè)極為重要的參數(shù)。FESEM的加速電壓范圍一般在0.1～30 kV，分檔或連續(xù)可調(diào)。針對(duì)燃煤超細(xì)顆粒物不導(dǎo)電的特性，分別采用InLens、SE2探測(cè)器在2 kV、3 kV、5 kV、8 kV的加速電壓進(jìn)行圖像采集。由圖3可知，用InLens探測(cè)器拍攝的2 kV圖像輪廓最清晰，表面細(xì)節(jié)最豐富，隨著電壓增加，照片邊緣逐漸模糊，樣品表面細(xì)節(jié)消失，而且有發(fā)亮區(qū)域，荷電條紋明顯；用SE2探測(cè)器拍攝的2～3 kV的圖像輪廓很清晰，景深強(qiáng)，可是隨著電壓增加，輪廓逐漸模糊，表面細(xì)節(jié)消失。這是因?yàn)榧铀匐妷涸礁呷肷潆娮邮哪芰吭礁?，入射電子的擴(kuò)展范圍也越廣[14]，電子束穿透深度大，表面細(xì)節(jié)被掩蓋，另外，使用高加速電壓時(shí)，激發(fā)出的二次電子越多，越不利于樣品表面電荷趨于平衡，荷電現(xiàn)象明顯[16]。相反，使用低加速電壓時(shí)，電子束與樣品的作用深度淺，激發(fā)出的二次電子來源于入射區(qū)極表層，因此樣品表面細(xì)節(jié)非常豐富。而且電子束能量低，對(duì)樣品的損傷也較小。所以，低加速電壓不僅可以減少樣品的損傷，還能有效地減少荷電現(xiàn)象，更適于觀測(cè)燃煤超細(xì)顆粒物。

圖3 加速電壓對(duì)圖片質(zhì)量的影響

2.3 工作距離

工作距離也是影響FESEM成像的重要參數(shù)。FESEM的工作距離是指極靴與樣品表面的距離[17]，通常用WD數(shù)字顯示，在實(shí)際測(cè)試中，F(xiàn)ESEM真實(shí)距離是電子束聚焦到樣品表面所顯示的WD。

當(dāng)采用InLens探測(cè)器成像，同時(shí)采用低加速電壓時(shí)，減小工作距離可以獲取更多的信號(hào)，而且能夠增加入射角，使得電子束斑直徑變小，可以提高分辨率，獲得更加清晰的圖片[11]。蔡司Sigma300采用半內(nèi)透鏡成像方式，當(dāng)工作距離小于3 mm時(shí)，樣品處于極靴附近的磁場(chǎng)中，如果粉末樣品粘不牢固，可能受荷電作用飄進(jìn)極靴，造成極靴污損，所以建議較為安全的工作距離是大于3 mm。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，采用InLens探測(cè)器成像，在2 kV的加速電壓下，當(dāng)工作距離由8 mm降至3.2 mm時(shí)，圖像分辨率提高，煤灰表面細(xì)節(jié)變得更加清晰。

圖4 采用InLens探測(cè)器時(shí)工作距離對(duì)圖片質(zhì)量的影響

采用SE2探測(cè)器成像，工作距離并不是越近越好。SE2探測(cè)器在樣品倉內(nèi)，位于樣品臺(tái)的斜上方，工作距離過大過小都可能造成SE2探測(cè)器接收的信號(hào)不足，使得圖像不夠清晰。采用SE2探測(cè)器成像，在2 kV的加速電壓下，工作距離分別為3 mm、5 mm、8 mm的成像結(jié)果見圖5所示。其中，工作距離5 mm的圖像分辨率較工作距離3 mm、8 mm的圖像分辨率高，而且有較佳的景深，樣品上下表面均能聚焦。所以用蔡司Sigma300拍攝燃煤超細(xì)顆粒物時(shí)，SE2探測(cè)器的最佳距離是5 mm左右。

圖5 SE2探測(cè)器時(shí)工作距離對(duì)圖片質(zhì)量的影響

2.4 光闌大小的選擇

掃描電鏡的光闌主要用于遮擋非旁軸的雜散電子，同時(shí)可以調(diào)節(jié)束斑尺寸。選擇小光闌，電子束的束斑尺寸也相應(yīng)減小，有利于提高圖像的分辨率；然而，入射電子束束流變小，激發(fā)信號(hào)電子數(shù)量變少，導(dǎo)致信噪比降低。而大光闌則相反。本文在InLens、SE2探測(cè)器 26 k倍數(shù)下，分別采用 20，30，60 μm的光闌對(duì)燃煤超細(xì)顆粒物進(jìn)行拍攝，結(jié)果見圖6、7。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這兩種探測(cè)器，20 μm的光闌拍攝的圖片信噪比較低，而60 μm的光闌的束斑尺寸過大導(dǎo)致圖片分辨率差。相對(duì)來說30 μm光闌對(duì)應(yīng)的信噪比和圖像分辨率都較高，所以拍攝燃煤超細(xì)顆粒物樣品，對(duì)于InLens、SE2探測(cè)器都建議采用30 μm光闌。

圖6 InLens探測(cè)器下光闌對(duì)圖片質(zhì)量的影響

圖7 SE2探測(cè)器下光闌對(duì)圖片質(zhì)量的影響

3 結(jié)束語

本文通過采用設(shè)置合適的探測(cè)器、調(diào)節(jié)電壓、工作距離、光闌等參數(shù)的方法，獲得了高質(zhì)量的燃煤超細(xì)顆粒物SEM圖像：

1）InLens探測(cè)器收集樣品淺表面信息，但是不足之處是拍攝的圖像立體感較差，容易受荷電效應(yīng)影響，適用于高倍成像及觀察樣品表面細(xì)節(jié)；SE2探測(cè)器對(duì)樣品表面形貌非常敏感，景深大，立體感強(qiáng)，特別適用于粗糙顆粒的觀察研究。

2）低加速電壓不僅可以減少樣品的損傷，還能有效地減少荷電現(xiàn)象，更適于觀測(cè)燃煤超細(xì)顆粒物。

3）較小的工作距離可以獲取更多的信號(hào)，使得電子束斑直徑變小，可以提高分辨率，獲得更加清晰的圖片。

4）30 μm光闌對(duì)應(yīng)的信噪比和圖像分辨率都較高。

當(dāng)燃煤超細(xì)顆粒物樣品放電嚴(yán)重或者需要大景深、強(qiáng)立體感時(shí)可選用SE2探測(cè)器，工作距離WD=5 mm，電壓3 kV左右，光闌30 μm的參數(shù)條件下進(jìn)行拍攝；當(dāng)需要高倍成像及觀察樣品表面細(xì)節(jié)時(shí)可選用InLens探測(cè)器，工作距離WD=3.2 mm，電壓2 kV，光闌30 μm的參數(shù)條件下進(jìn)行拍攝。