环境扫描电镜工作原理及应用

2019-10-09 10:43陆海通许乾慰
上海塑料 2019年3期
关键词:电子束形貌真空

陆海通, 许乾慰

(同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201800)

0 前言

常规扫描电镜(SEM)利用电子枪发射电子束经聚焦后在试样表面进行光栅状扫描,通过检测电子与试样间相互作用产生的信号对试样表面的成分、形貌及结构等进行观察和分析[1]。为了获得足够成像的信号强度,必须保证入射电子束在从电子枪到样品的路径中不被气体散射。所以,电子轰击路径需处于高真空环境(<10-3Pa),以减少气体分子。但高真空环境的引入给SEM带来了许多限制,主要表现在常规SEM不能在自然状态下观察潮湿的、表面受污染的微生物样品。此外,非导电样品绝缘电阻大,在电子束的连续扫描下,样品表面逐渐积累负电荷,形成相当高的负电场,排斥入射电子,二次电子发射不稳定,且随机偏转二次电子轨迹,影响探测器接收,造成图像晃动、亮度突变、出现无规则的明暗条纹,即发生荷电效应,也称充电效应。因此,必须镀一层导电薄膜提高样品的导电性,使表面的负电荷通过导电薄膜释放入地以消除荷电现象[2]。这不但使样品的准备工作变得十分繁琐、复杂,而且经镀层处理后SEM观察到的图像已不再是样品表面图像,而是镀层表面图像,无法保证这两者完全相同。

为了改善上述缺点,环境扫描电镜(ESEM)应运而生。ESEM的前身是低真空扫描电镜,它初步提高了样品室的气压(可达300 Pa),减轻了对样品的要求,但其性能依然无法满足所有场合的要求。低真空扫描电镜的突破在于隔离了样品室与电子枪[3],而ESEM进一步扩大了这一优势,采用了多重狭缝技术,能大大降低样品室的真空度。样品室真空度的降低导致传统SEM二次电子信号收集装置无法运用,所以ESEM发展了自己的信号收集装置,且因此又获得了新的性能优势。

笔者就ESEM的工作原理、优缺点以及应用进行探讨。

1 工作原理

ESEM的主体部分还是SEM,基本工作原理与SEM相差无几。但ESEM采用了2项关键性的技术措施,弥补了SEM样品室高真空与无法观察绝缘样品的缺陷。

1.1 多重狭缝

ESEM在镜筒与样品室之间加装狭缝以使两者之间出现压差,从而在保证电子枪、镜筒内部高真空度的同时,大幅度降低样品室内的真空度。

流体通过狭缝时会在狭缝两侧出现压降。利用狭缝隔绝镜筒和样品室,在二者间制造压差,就可同时满足镜筒的高真空要求和样品室的低真空要求。仅仅加装了单一狭缝的SEM称为低真空扫描电镜。若制造的压差越大,所需的狭缝宽度就越小,但狭缝过窄会导致通过的电子数急剧减小,使作为激发成像物理信号的初始电子束强度严重削弱,从而严重影响仪器的成像性能。因此,低真空扫描电镜仅能维持样品室内300 Pa左右的压强,不能满足科研工作的需求。

多重狭缝可制造足够大的样品室与镜筒之间的压差,与此同时将总压差分散到各级狭缝间,所以各级狭缝不必做得过窄就可制造足够的压差。由于各级狭缝的距离很小,所以电子束通过的高气压区并不长,可以满足成像要求。加装了多重狭缝的SEM即ESEM[4]。

1.2 二次电子探头

SEM的信号探测器探头上施加了几千伏特的电压,只能在高真空模式下工作。而ESEM的探头在气体压强较高的环境下依然能正常工作。

ESEM成像原理见图1。电子枪激发加速出高能电子束1从镜筒出发,穿过压差光阑后遇到样品室内的气体分子,轰击出电子与正离子。由于多重狭缝的存在,电子穿过的距离较短,不会对电子束的强度造成太大影响。电子束轰击样品5,产生背散射电子3与二次电子4以成像。又因为电极板2和样品间被施加电场,各种电子被吸引向电极板方向。在此过程中,电子获得一定能量后便会轰击气体分子,产生更多电子与正离子,信号强度大大提高;正离子则被吸引至样品表面,以中和入射电子的电荷,所以不必在样品表面镀导电层也不会出现荷电效应,影响成像精度[5]。

图1 ESEM中气体放大原理示意图

气体二次电子探头(GSED)的出现使ESEM中的二次电子探头(SED)的性能进一步提升[6]。图2为GSED结构示意图。GSED依然安装在SED的位置,其与SED的区别是多了抑制电极和探测环2个组件。抑制电极替代SED的电极板,探测环平行悬挂于抑制电极下方,入射电子束从探测环中穿过。抑制电极距离样品较远,主要用于吸收入射电子束与背散射电子轰击气体分子产生的电子,减少噪声。探测环用于检测样品表面产生的二次电子,由于探测环距离样品近,其施加的电场可捕获大多数电子束轰击样品产生的二次电子。又因为背散射电子能量较高,且探测环面积小,所以背散射电子大多不会被探测环电场捕获而产生太大的噪声信号。

图2 GSED结构示意图

2 仪器性能与应用

2.1 仪器性能分析

2.1.1 性能指标

Quanta 650 FEG型ESEM可在3种模式下工作。高真空模式,即典型SEM模式,二次电子信号分辨率可达1.0 nm,加速电压为30 kV,样品室气压小于6×10-4Pa,气体抽空时间小于150 s。低真空模式,即低真空扫描电镜模式,二次电子信号分辨率为1.4 nm,加速电压为30 kV,样品室气压下限小于10 Pa,上限为130 Pa。ESEM工作模式,二次电子信号分辨率依然有1.4 nm,加速电压为30 kV,样品室气压下限小于10 Pa,上限为4 000 Pa,放大倍数可在6~1 000 000调节,气体抽空时间小于270 s。样品室温度可改变,采用高温样品台可在1 500 ℃下测试,冷却样品台可在-20 ℃下测试。

2.1.2 优势

ESEM的优势在于以下4点:

(1) 样品要求低。SEM无法观察含水样品,而ESEM对此要求不高。对ESEM来说,金属、高分子、无机材料、生物组织等样品大多都可观测。

(2) 制样简单。由于样品室内充斥空气电离的正离子,所以即使是绝缘体试样也无须镀导电层引流样品电流。不仅简化了试验过程,降低了试验成本,而且提高了观测的精确性。

(3) 样品室的压力、温度和气体成分可以改变,使ESEM的适用范围和成像精度得到了进一步提升,可更好模拟材料使用时的环境,测试其使用性能。与此同时,样品室能保证一定的反应环境,非常适用于连续观察样品的溶解、凝固、结晶、水化等动态过程。

(4) 可以实现SEM没有的像衬度。1997年,Griffin总结出ESEM与GSED所特有的电荷像衬度成像技术[7],当样品与GSED距离较近时, 样品表面电荷会对GSED的偏压产生影响,则所得图像能反映样品表面电荷的分布情况,即电荷像衬度。

2.1.3 劣势

虽然ESEM对SEM的缺点进行了改进,但其样品室最高气压依然只能达到5 kPa左右,无法达到标准大气压。另外,低真空条件对电镜也会造成一定的污染。ESEM依然属于电镜的范畴,无法避免电子束轰击对样品造成的损伤。

2.2 应用

ESEM因其样品制备简单、对样品要求低等优势,在许多需求SEM优点但因SEM对样品的高要求而无法使用的研究领域被广泛应用。此外,ESEM独特的像衬度和可模拟样品反应环境的优势进一步扩展了其应用领域。

2.2.1 研究聚合物材料

水凝胶作为载体在药物控释、分离萃取、固定化酶、免疫分析等方面具有良好的应用前景。高分子表面活性剂在采油、农业、医药等领域有着广泛的应用。水凝胶和高分子表面活性剂均为亲水性聚合物,它们在水中的形貌与其使用特性密切相关,并且对成像的环境条件,特别是湿度条件非常敏感。通过调节ESEM样品室的压力、温度、相对湿度等环境参数,使ESEM的观察条件接近材料的使用条件,可获得高质量的图像。

权雪玲等[8]在2 ℃、400 Pa、相对湿度为57%的水蒸气环境中,观察到热缩温敏水凝胶的多孔网络结构(见图3)。在2~50 ℃、300~600 Pa、相对湿度为42.5%~85.0%的变化过程中,原位观察到温敏水凝胶的结构变化与退溶胀平衡响应速度的关系。

图3 温敏水凝胶ESEM二次电子像

在-2 ℃、400 Pa、相对湿度为66%的水蒸气环境中,观察到羧甲基纤维素表面活性剂在水溶液中的胶束结构(见图4)。在压力连续变化的过程中(由200 Pa增加到610 Pa,再由610 Pa减小到370 Pa),观察到胶束结构随相对湿度的变化(由33%变化到100%,再由100%变化到61%),直观显示了样品对水的敏感特性。

图4 表面活性剂ESEM二次电子像

焦淑静等[9]分别采用SEM与ESEM观察聚合物水化分子状态。结果表明,SEM观察样品必须经冷冻干燥后进行喷金处理,观察效果不令人满意。图5为疏水缔合聚合物和凝胶样品冷冻干燥后的样品SEM像,可见疏水缔合聚合物样品已经缩聚成长条状,凝胶样品形成平面网状结构,2个样品都不能显示水化分子的真实形态。

(a) 疏水缔合聚合物

(b) 凝胶样品图5 冷冻干燥后的样品SEM像

图6、图7为ESEM观察疏水缔合聚合物和凝胶样品的图像。图6中疏水缔合聚合物AP-P4表现为超分子丝团状结构,块状物为样品处理时残余的冰晶。图7(a)为凝胶的网状结构,图7(b)中白色固体为添加的金属氧化物。显然,ESEM的观察效果大大优于SEM。

图6 AP-P4的超分子丝团状结构

(a) 凝胶的网状结构

(b) 金属氧化物图7 凝胶样品ESEM像

任桂久等[10]在研究纺织品纤维时也注意到了ESEM的优越性。图8展现了聚丙烯纤维材料研究中SEM喷金制样与ESEM直接观察所得图像的区别。图8(a)为SEM图像,喷镀导电层导致纤维表面形成了颗粒状粗糙结构,不能真实反映样品本身的形貌特征;而在图8(b)的 ESEM 图像中,因未经喷金处理,纤维表面十分光滑,没有 SEM 图像中的颗粒状结构。

(a) SEM

(b) ESEM图8 聚丙烯纤维的表面形态

2.2.2 研究非导电晶体材料

非导电晶体内的电荷分布取决于晶体材料的生长过程、条件、晶体结构、取向和夹杂物等多种因素。从原理上讲,常规SEM是难以记录这种电荷分布的,而ESEM特有的电荷衬度就是观察这一现象的有力工具。姚琲等[11]利用ESEM对铌酸锂进行研究。图9为铌酸锂的截面ESEM照片。该样品属于穿晶解理断裂,断口平整,无表面形貌衬度,图9中的竹叶状图案为应力引发的电荷衬度。观察结果显示,这种电荷衬度会逐渐消失,这可能是由于样品被电子束轰击升温,压电效应产生的电荷随应力消失而消除所致。

图9 铌酸锂晶体的截面ESEM照片

2.2.3 研究铁电晶体材料

某些光通信、压电和电子材料能够在电场中极化,当电场消失后仍呈现各向异性的极化状态,这是由于此类材料内铁电畴的定向排列所致。

传统SEM观察铁电畴结构时存在的技术难点是入射电子积聚产生荷电效应,导致成像失败。因为畴结构不会产生明显的表面形貌衬度,所以不能通过喷镀导电层来克服荷电效应。而采用低加速电压和探测电流以延缓荷电效应会导致畴衬度难以出现。提高二者参数固然可以提高畴衬度,但其寿命会变得十分短暂,几分钟甚至几秒就会被荷电效应破坏。ESEM无须镀导电层就可由样品室内电离的气体正离子中和样品表面的电子,入射电子加速电压对分辨率影响较小。由于能应用较高的加速电压观察铁电畴,因而其图像衬度也更明显,是研究此类材料的理想手段。

祝世宁等[12]采用ESEM观察畴结构,并通过改变加速电压的方式来模拟SEM观察状况和ESEM观察状况。使用传统SEM观察畴结构时,须采用化学腐蚀手段,利用正负畴腐蚀速率的不同来制造形貌衬度,见图10(a)。此时电镜处于SEM模式,所加电压较低(15 kV)。可以看出,此时正负畴的图像衬度很低,仅在畴壁处的形貌衬度明显。正负畴表面在这一观察条件下二次电子的发射率几乎是相同的。当抛光样品表面消除形貌衬度后,增加电压至30 kV(即调至ESEM模式),图10(b)说明正畴区表面轰击出的二次电子数目明显多于负畴区,图像衬度十分明显。显然,ESEM模式相对于SEM模式观察效率和图像衬度都要更优越。

(a) 腐蚀表面

(b) 抛光表面图10 ESEM观察LiTaO3畴衬度图像

ESEM观察电畴的另一个优点是表面粗糙度对图像衬度几乎无影响,即使在断口处取样的样品,其铁电畴的图像衬度依然十分清晰。

2.2.4 研究金属大气腐蚀过程

金属的大气腐蚀通常会经历表面结露的现象。徐乃欣等[13]曾采用光学显微镜和照相装置研究金属表面结露的影响因素,但该研究方法无实时性,研究影响因素时无关联性,因此应采用更合适的研究方法。

采用ESEM模拟大气环境研究受污染金属表面的水膜形成过程,具有分辨率高,实时性强,无须对含水、含油、表面受污染的样品进行任何处理就可进行动态观察等优点。姚琲等[14]研究LY12铝积油污表面的结露过程,温度降至0 ℃时,结露先发生在油污区,随时间的延长,露珠逐渐变大,沿着油污区扩展变成液膜。和无油污区相比,油渍增加了铝表面的可浸润性,所以有利于液膜的形成。图11、图12分别为油污区、干净区的结露状况。

图11 油污区的结露状况

图12 干净区的结露状况

2.2.5 研究含水生物样品

邵曼君等[15]对于Vero细胞的研究表明,在常规SEM中观察细胞形貌时,样品制备比较复杂,必须经历下列步骤:(1) 用2%戊二醛溶液在4 ℃固定24 h,用磷酸缓冲液冲洗;(2) 用1%锇酸溶液在4 ℃固定4 h,用磷酸缓冲液冲洗;(3) 30%、50%、70%、80%、90%、100%乙醇梯度脱水(样品在每个浓度中保持30 min);(4) 乙酸异戊酯置换,CO2临界点干燥;(5) 真空喷金。

采用ESEM时,样品制备只需经简单处理,即从培养液中取出的细胞及微载体,用磷酸缓冲盐溶液(PBS)冲洗掉表面黏稠的培养液,并在空气中放置一定的时间(10 min左右)后,便可放入显微镜进行观察。

为了比较制样方法对试验结果的影响,采用2种不同方法进行制样后均采用ESEM进行观察(见图13)。从图13可以看出:经ESEM制备的贴附在微载体上的真实细胞形貌是多个细胞外膜连接在一起的细胞群;而经过SEM样品制备(固定、脱水、干燥、喷金)后,细胞逐渐分离,最后变成堆积在一起的细胞群,这说明经过SEM制样的细胞改变了其表面形态。以上结果表明,运用ESEM能较好地获得细胞的真实形貌。

(a) ESEM制样

(b) SEM制样图13 Vero细胞的ESEM制样图像和SEM制样图像

3 结语

ESEM利用多重狭缝将样品室与电子枪分离,并改进了探测装置,继承了SEM的全部优点,如高分辨率、大景深、高放大倍数等,并发展了新的像衬度原理,扩展了其应用范围。与此同时,ESEM消除了SEM对样品导电性和含水量的苛刻要求,使得可研究对象进一步增加,也提高了观测的精度与准确性,并能连续观察某些反应,而无须制备多个样品。在高气压、高温度的环境里,ESEM依然可以提供高分辨率的电子图像。若考虑到GSED的分辨率可能相比SEM稍有劣势,那么完全可以将ESEM的GSED探头更换为SEM所用高真空探头,切换成经典SEM的工作模式。在不考虑仪器制造困难程度与维护成本等因素时,ESEM完全优于SEM。整体来看,ESEM虽然还未能达到在大气压下观测的水平,且依然存在电子束损伤样品的情况,但已经能胜任绝大多数需高精度观测样品表面形貌的任务,在聚合物材料、生物样品、压电材料、非导电晶体、金属大气腐蚀过程等的研究中举足轻重。

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