電鏡工作條件對特殊樣品荷電及熱損傷效應的影響＊

何昌偉，戴 琨，熊克智，譚煜煒，邱海林，葉潔云

（江西理工大學材料冶金化學學部，江西 贛州 341000）

近年來，材料研究向著高層次、高精度和高通量的方向迅速發(fā)展，材料組織結(jié)構(gòu)的精細化、納米化對材料的分析手段提出了更高的要求[1-2]。場發(fā)射掃描電鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，F(xiàn)ESEM）具有超高分辨率，且制樣方便簡單，已成為分析納米材料形貌及結(jié)構(gòu)最有效的儀器。傳統(tǒng)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡對納米尺度材料和熱敏材料的表征時遇到了一些問題和挑戰(zhàn)：①很多無機非金屬材料和有機納米材料導電性不佳，易于在樣品表面產(chǎn)生荷電效應[3-7]，樣品發(fā)生荷電現(xiàn)象取決于樣品的導電性能，對于導電性好的樣品，入射樣品的電流（Iin）等于從樣品出來的電流（Iout），樣品上的電流是趨于平衡的；而對于非導電的樣品，Iin≠Iout，即產(chǎn)生了荷電現(xiàn)象，從而使圖像出現(xiàn)異常反差、畸變、像散等現(xiàn)象，嚴重影響圖像質(zhì)量，在表征納米材料時，高放大倍數(shù)下尤其明顯。②受材料本身導電性影響或?qū)嶒炓螅ɡ鏓BSD要求高加速電壓），會對材料造成熱損傷，熱損傷在實際掃描操作中十分影響樣品的觀察，拍攝的場發(fā)射掃描照片由于形狀各異的熱損傷難以使用[8]。③制樣后樣品保存不當往往會導致樣品表面存在一些污染，由于其不導電，在拍攝過程中會存在局部荷電現(xiàn)象嚴重，嚴重情況下樣品表面的污染物甚至會污染樣品倉。

對于荷電現(xiàn)象，目前最為常見的減輕荷電現(xiàn)象的方法是通過離子濺射或者蒸鍍的方法在樣品表面沉積或鍍上一層比較均勻、細膩的金屬層，從而增強樣品的導電性。但是，該方法會影響和掩蓋樣品的真實結(jié)構(gòu)[9-11]，尤其在觀察納米材料時，可能還會造成樣品的熔化變形。另一種較為常見的減輕荷電現(xiàn)象的方法是在樣品和樣品臺之間粘貼導電膠，從而形成有效的導電通路，幫助聚集電子導出，但該方法主要適用于塊狀的非導電樣品，且在高倍率下效果有限[12-13]。而對熱損傷情況，目前還沒有很好的方法，往往只能通過后期調(diào)整對比度的方法對圖像進行調(diào)整，但對于一些熱損傷嚴重或者熱損傷區(qū)域雜亂的情況，后期處理也無法得到清晰的圖像，只能多次拍攝以得到較好的實驗結(jié)果，浪費人力物力。對于污染物造成的荷電現(xiàn)象，在樣品放入樣品倉前使用噴槍對樣品反復吹氣去除雜質(zhì)，這是目前較為簡單的處理方法，但是作用效果仍然有限。

掃描電鏡的電鏡工作條件（工作距離WD、加速電壓、掃描速率等）的調(diào)節(jié)非常簡單、方便。為了更好地表征上述提到的導電性不佳、熱敏性差的材料，可以通過嘗試調(diào)節(jié)電鏡工作條件來解決。本文以蔡司sigma型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡為例，基于荷電及熱損傷現(xiàn)象，擬探索材料的荷電及熱損傷效應與電鏡工作條件（工作距離WD、加速電壓、掃描速率等）的關(guān)系，研究改變電鏡參數(shù)的條件下獲得高質(zhì)量圖像的工作條件，為拍攝高質(zhì)清晰的掃描圖像提供參考。

1 實驗方法

在不同實驗參數(shù)下對無機非金屬材料和有機納米材料做了表征，探索荷電效應與電鏡工作條件（工作距離、加速電壓、探頭等）的關(guān)系。在不同實驗參數(shù)下對熱敏性較強的鋁合金和鋼樣品做了表征，探索熱敏性材料的熱損傷效應與電鏡工作條件的關(guān)系。

2 實驗結(jié)果

2.1 電鏡參數(shù)對荷電現(xiàn)象的影響

2.1.1 SE2探頭與Inlens探頭區(qū)別

為了探究不同鏡頭對樣品荷電現(xiàn)象的影響，減小對試樣的損傷程度，將加速電壓設(shè)為5 kV，真空度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，采集圖像，圖1（a）是試樣在低真空SE2電子模式下的SEM圖像，圖1（b）是試樣在低真空Inlens電子模式下的SEM圖像?？梢杂^察到，同一樣品在加速電壓、工作距離相同的情況下，SE2探頭下拍攝的掃描圖片更為清晰干凈，在一定條件下改善了荷電現(xiàn)象。

圖1 不同探頭下荷電現(xiàn)象

2.1.2 SE2探頭下不同加速電壓材料荷電現(xiàn)象

為了探究SE2鏡頭下加速電壓對樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，采集圖像如圖2所示。圖2（a）中試樣加速電壓由2 kV上升到10 kV，圖像荷電現(xiàn)象加重，圖片也變得模糊。圖2（b）中試樣加速電壓由5 kV上升到10 kV，荷電現(xiàn)象加重，圖2（c）加速電壓由10 kV加到15 kV后，部分區(qū)域的荷電現(xiàn)象改善但是圖片分辨率下降，圖片模糊不清、毛邊嚴重。SE2鏡頭下WD相同時，降低加速電壓能改善荷電現(xiàn)象。

圖2 SE2探頭下不同加速電壓下的荷電現(xiàn)象

2.1.3 SE2鏡頭下不同WD材料荷電現(xiàn)象

為了探究SE2鏡頭下WD對樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)整焦距采集不同WD情況下的圖像如圖3所示，工作距離的增加一定限度上改善了材料的毛邊情況，但由于粉末材料高低厚度不同，部分區(qū)域的荷電現(xiàn)象改善，另一部分荷電現(xiàn)象又出現(xiàn)。

圖3 SE2探頭下不同WD參數(shù)下的荷電現(xiàn)象

2.1.4 Inlens鏡頭下不同加速電壓材料荷電現(xiàn)象

為了探究Inlens鏡頭下加速電壓對樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，在不同加速電壓條件下采集圖像，如圖4所示，可以觀察到試樣加速電壓由5 kV減小到2 kV后，荷電現(xiàn)象減輕，圖像變得更加清晰。

圖4 Inlens探頭下不同加速電壓下的荷電現(xiàn)象

2.1.5 Inlens鏡頭下不同WD材料荷電現(xiàn)象

為了探究Inlens鏡頭下工作距離對樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)整焦距采集不同工作距離下的圖像如圖5所示，可以觀察到在Inlens探頭下一定程度的增加工作距離，能明顯地改善樣品的荷電現(xiàn)象，獲得更高質(zhì)量的掃描圖像。

圖5 Inlens探頭下不同WD參數(shù)下的荷電現(xiàn)象

2.2 電鏡參數(shù)對熱損傷現(xiàn)象的影響

2.2.1 改變加速電壓對熱損傷的影響

選取荷電現(xiàn)象較輕的SE2探頭，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，在不同加速電壓下采集圖像，探究加速電壓對樣品熱損傷現(xiàn)象的影響。從圖6中可以觀察到試樣在20 kV加速電壓下熱損傷情況較15 kV更嚴重，高加速電壓會導致雜亂無序的熱損傷形貌。

圖6 不同加速電壓對熱損傷的影響

2.2.2 改變WD參數(shù)對EBSD表征過程中熱損傷的影響

選取荷電現(xiàn)象較輕的SE2探頭并設(shè)置高加速電壓20 kV，真度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，在不同工作距離下做EBSD采集，探究不同WD對樣品熱損傷現(xiàn)象的影響。觀察圖7發(fā)現(xiàn)一定程度的調(diào)大工作距離使得樣品遠離電子槍，可減小樣品熱損傷。

圖7 不同WD參數(shù)下的熱損傷現(xiàn)象

3 分析

3.1 電鏡參數(shù)對荷電現(xiàn)象的改善

掃描電鏡一般都內(nèi)置有多個電子探測器，如Inlens、SE2。Inlens探測器位于正光軸上，通過提升樣品臺的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，但是不足之處是拍攝的掃描圖像立體感較差，容易發(fā)生樣品表面電荷不平衡的情況。SE2探測器則位于極靴外的樣品倉內(nèi)，在樣品臺的斜上方，收集樣品表層5～10 nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出的二次電子，對樣品表面形貌非常敏感，景深大，立體感強，而且SE2探測器上有偏壓，使得背向探測器區(qū)域產(chǎn)生的二次電子仍有相當一部分可以通過彎曲的軌道到達SE2探測器[14]。

加速電壓的高低決定了入射電子能量的高低，電壓較高時，入射電子的能量高，但是由于無機非金屬材料和有機納米材料導電性不佳，只有部分電子被探測器收集成像，多余電荷會導致圖像出現(xiàn)不正常對比度、漂移及變形等問題，因此對于導電性不好的材料，降低電壓可以改善荷電現(xiàn)象[15-17]，如圖2、4所示降低電壓后獲得的圖像更高質(zhì)。因此，只要增加電壓，電子束穿透一定厚度的試樣實現(xiàn)導電，也能消除荷電現(xiàn)象，但會導致圖片分辨率下降，圖片模糊，如圖2（c）所示。

工作距離（WD），即樣品與物鏡之間的距離，是影響掃描圖片質(zhì)量一個非常重要的因素，減小WD能增加入射角，導致分辨率提高，即較小的WD更易獲得表面清晰的圖片[18]。但是由于一些材料表面不平整，例如粉末材料，則可采用較大的WD，以獲得較大的景深，如圖3、5所示，加大工作距離圖片更清晰。

3.2 電鏡參數(shù)對熱損傷現(xiàn)象的改善

熱損傷與荷電現(xiàn)象都是由于樣品表面電荷不平衡導致的，因此與荷電現(xiàn)象類似，荷電現(xiàn)象較輕的SE2探測器下熱損傷現(xiàn)象也更輕。對熱敏性材料，電子束掃描時間過長容易損壞樣品，在樣品留下黑色框印記，低加速電壓下入射電子的能量較低，可以降低電子束對樣品的損傷[18]，如圖6所示，15 kV電壓下對圖片縮放造成的熱損傷較20 kV下改善了很多。此外，調(diào)整WD使得材料距離電子槍更遠，能減少材料表面多余的電子，改善其熱損傷情況。

4 結(jié)論

SE2探測器上有偏壓，使得背向探測器區(qū)域產(chǎn)生的二次電子仍有相當一部分可以通過彎曲的軌道到達SE2探測器，有利于樣品表面電荷平衡，對于導電性差及熱敏性強的材料，優(yōu)先選用SE2探頭，能改善荷電及熱損傷情況。

通過降低加速電壓能降低入射電子能量，有利于樣品表面電荷平衡，能有效改善材料的荷電與熱損傷現(xiàn)象。

通過調(diào)大工作距離WD能減少材料表面多余的電子，有利于樣品表面電荷平衡，能有效改善材料的荷電與熱損傷現(xiàn)象。