低真空掃描電鏡技術在材料研究中的應用

１ 引言
低真空掃描技術是指樣品處在低真空條件下，完成顯微觀測的技術。低真空掃描電鏡的成像原理基本上與普通掃描電鏡一樣，它們的區別在于樣品室的真空狀態，常規掃描電鏡樣品室真空度必須優于１０－３ Ｐａ，不導電樣品需要表面噴鍍導電層，樣品上多余的電子由導電層引走；而低真空掃描電鏡樣品室需要通入氣體適當降低真空度，處在低真空狀態中樣品上多余的電子被樣品室內的殘余氣體離子中和，因而即使樣品不導電也不會出現充電現象。


用常規掃描電鏡觀察非導材料樣品表面形貌特征時，由于入射電子的作用，電子會在樣品表面上不斷聚集，引起放電現象，所以需要預先對樣品進行噴鍍導電層等處理，在消除樣品表面上的堆積電子后才能在常規掃描電鏡的高真空條件下進行觀察。濺射的導電層很薄，樣品表面的形貌細節無大損傷，但對于有些樣品如含水、多孔以及不耐電子束燒傷的樣品等，在進行常規電鏡掃描時，不可避免地會產生如樣品的收縮變形、出現結構假象等人為因素的影響，觀察到的往往不是樣品的真正表面面貌。掃描電鏡低真空條件下操作可以在一定程度上解決此問題。本文采用低真空模式進行了初步試驗，結果證明對于部分樣品采用低真空模式可以減少荷電、降低樣品污染，同時對多孔和含水樣品也可以得到理想的電鏡照片，提高了低真空電鏡技術的應用范圍。


２ 低真空工作原理
低真空掃描電鏡技術是通過在樣品室內通入少量的氣體實現的。少量的空氣進入掃描電鏡樣品室，在電子和氣體分子之間通過碰撞產生正離子，當這些正離子電流達到樣品完全抵消全部負電荷時，也就是出現了所謂的電荷平衡。對于絕緣體樣品表面積存有入射電子的電荷帶有負電，但在樣品室發生的陽離子被負電荷所收集，因此會將防止樣品出現荷電現象。


圖ｌ是ＴＥＳＣＡＮ ＳＥＭ ＬＶＳＴＤ在低真空狀態下使用的低真空專用二次電子檢測器以及樣品室的接受電子的工作原理示意圖。進入低真空狀態時，電子透鏡的鏡筒部分和低真空二次電子檢測器內部都保持在高真空狀態，只有樣品室處在低真空狀態。高、低真空部分由處于檢測器最前側的微柵隔開，探頭內部由位于最后側的小型分子泵單獨抽到高真空狀態。使用ＬＶＳＴＤ檢測器，可直接獲取到二次電子信號，得到真實高分辨二次電子圖像。如果停止向樣品室導入氣體，那么樣品室的真空度便增高，可用作普通的高真空ＳＥＭ使用。


圖１ ＴＥＳＣＡＮ ＳＥＭ ＬＶＳＴＤ低真空工作原理示意圖


３ 實驗儀器及工作條件
掃描電子顯微鏡采用的是ＴＥＳＣＡＮ公司的ＴＳ ５１３６ＭＭ儀器，觀察時采用儀器自帶的ＬＶＳＴＤ（Ｌｏｗ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ＴＥＳＣＡＮ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）檢測器和二次電子（ＳＥ）檢測器，樣品室內壓力范圍可調１～１５０Ｐａ。工作條件：加速電壓２０ｋＶ；工作距離５～１０ｍｍ；低真空條件：１～１５０Ｐａ；


４ 在材料研究中的應用
（１）低真空技術對某些樣品能減輕荷電效應掃描電鏡在高真空模式的工作條件下，經過電子束連續掃描后，樣品的表面將逐漸積累負電荷，過多的電荷積累會導致圖像異常明亮，嚴重時在照射點附近形成的負電場影響電子束的正常掃描引起圖象畸變，即使是已經噴鍍導電層的某些樣品也會成相當高的負電場，使得二次電子發射不穩定，并隨著電荷的積累會不斷偏轉二次電子軌跡，影響探測器接收，造成亮度突變或者無規則的明暗條紋，如圖２所示，嚴重影響樣品的表面信息采集的效果。然而利用低真空操作模式對相同樣品ＣａＣＯ３進行原位觀察，發現能很好的消除樣品表面的荷電效應，取得了較好的形貌圖像，如圖３所示。

 
圖２ 高真空模式下的ＣａＣＯ３電鏡照片



圖３ 低真空模式下的ＣａＣＯ３電鏡照片


（２）低真空技術能降低樣品污染和損壞
某些低熔點的高分子樣品在進行掃描電鏡高真空模式下觀察時，首先會經過一系列脫水、干燥和噴鍍導電層等處理。當入射電子束打到這些樣品上，仍會在樣品表面產生電荷的積累，最終導致樣品灼傷污染，破壞樣品的細微結構，如圖４所示，高分子多孔支架材料上的細絲在高真空拍攝過程中已經損壞并斷裂，基本看不見細絲的存在。而采用低真空操作模式條件工作，可以有效的抑制樣品表面的電荷積累效應，同時還更有效的抑制樣品在拍攝和調節參數過程中引起的電子束誘導損壞和污染，如圖５所示可以得到樣品的原貌信息，能清晰的看到多孔支架的絲狀結構。


圖４ 高真空模式下的多孔支架電鏡照片