基于普通模式和电子束减速模式的加速电压对FESEM图像的影响

赵健全 吴金金 卢 照 陈 霞 郜鲜辉 宋武林

(华中科技大学分析测试中心，武汉 430074)

扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)技术开始于20世纪60年代，它的出现使得人类观察微观世界的能力发生了质的飞跃。SEM依靠其高分辨率、良好的景深和简单方便的操作迅速发展成为研究微观世界的有力工具，很多重大发现和研究成果都是通过SEM观察获得[1-3]。近10多年来，随着纳米科技的兴起，对纳米材料超微尺寸和超微结构表面形貌的观察提出了更高的要求。场发射扫描电子显微镜(Field Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM)的应用为纳米材料的观察提供了新的手段。相比于SEM传统的热发射枪，FESEM的场发射枪大大提高了电镜的分辨率，并使图像的信噪比得到很大的改善。目前，FESEM是国内外研究材料领域显微结构最重要的分析手段之一[4-6]。

在使用FESEM进行样品表征时，影响电镜图像质量的因素较多，包括加速电压、工作距离、探测器的选择等等[7-13]。因此，要得到理想的FESEM图像，必须对影响其图像质量的关键因素进行研究探讨。其中，加速电压对FESEM图像质量的影响最为关键，包括对图像的分辨率、图像畸变、样品表面荷电现象、表面信息量、样品的损伤和背散射信号量等方面的影响。普通模式下，高加速电压时，入射电子能量较高，能量分布范围较窄，图像的分辨率较高；电子束能量高，作用样品深度较深，有利于忽略样品表面有机污染物信号和样品内部相组成的观察。但是，高加速电压却对不耐电子束的样品如有机薄膜、聚合物等材料易造成图像畸变或样品损伤，对于导电性不好的样品，表面累积电荷造成荷电现象和样品漂移，都严重影响了样品表征。而低加速电压与样品的作用深度较浅，二次电子来自于入射区附近最表层，有利于样品表面的微观形貌表征；此外，低加速电压可以有效地减少图像畸变和样品的损伤，减少荷电现象，更适于表征导电性不好甚至是不导电的样品[14,15]。然而，低加速电压下电镜的分辨率较低，图像的信噪比也不好，因此，如何既能有效减少图像畸变和样品的损伤又能保证电镜具有较高的分辨率就成为最为关注的技术难题之一。FESEM的电子束减速模式(Beam Deceleration Mode, BDM)很完美的解决了该技术难题。一方面，该模式下高能量的入射电子束保证了电镜的高分辨率；另一方面，通过在样品和CBS(Concentric Backscattered)探头之间加一个负压装置，其所产生的减速场既降低了入射电子束与样品的着陆能量，减少图像畸变和样品的损伤，还能加速样品中发射出的二次电子和背散射电子[16-18]，增加CBS探头对电子的收集效率。

本研究以FEI公司的Noval NanoSEM 450型FESEM为表征手段，以4种典型材料为表征对象，通过比较普通模式和BDM下不同加速电压FESEM图像的差异，从理论上分析产生差异的原因，为电镜工作者及自主上机操作者在进行FESEM表征时选择合理的电镜模式和加速电压提供科学的依据和指导。

1 相互作用区与原子序数和加速电压的关系

图1为入射电子束与样品相互作用区与样品原子序数Z和加速电压Vacc的关系示意图。从图1a中可以看到，当样品原子序数小时，其相互作用区为“梨形”，入射电子束在穿透样品的初始阶段只有相当少的横向散射，形成梨形区的颈部，当电子不断深入，其能力逐渐减少，发生弹性散射的几率上升，电子横向扩散，形成了下部的球形区；当样品原子序数大时，入射电子束在样品中所经受的弹性散射事件多，平均散射角度大，电子易偏离起始方向，减小了在样品中的穿透深度，其相互作用区为“弓形”(如图1b所示)[3]。“梨形”的相互作用区易导致电子在样品表面和内部积累，从而引起“荷电现象”和“图像畸变”；相比“梨形”的相互作用区，“弓形”的相互作用区减小了电子束在样品中的穿透深度，也增加了样品表面电荷的扩散面积。同时，当加速电压增加时，入射电子束能量增加，电子束在样品中向深度范围扩散，相互作用区的尺寸增加，但形状没有发生改变。因此，在表征低原子序数的样品时，宜采用较低的加速电压；在表征高原子序数的样品时，则宜采用较高的加速电压。

图1 相互作用区与原子序数和加速电压的关系示意图

2 BDM工作原理

图2 FESEM电子束减速模式的原理图

FESEM电子束减速模式的原理如图2所示。加速电压Vacc产生的高能入射电子束通过物镜之后被加载在样品台和CBS探头之间的减速电压(Deceleration voltage,Vdec)装置所减速，最终入射电子束与样品之间作用的着陆电压(Landing voltage,Vlan)被降低了，如公式Vlan=Vacc- Vdec所示。高能量的入射电子决定了高的电镜分辨率，低的着陆电压有效的避免图形畸变和电子束对样品的损伤。同时，电子束与样品作用产生的信号电子如二次电子和背散射电子又能被减速电压装置产生的减速场所加速，加速信号电子的溢出，减少电子在样品表面和内部的积累，增加CBS探头收集二次电子和背散射电子的效率。

3 实验与讨论

3.1 加速电压对聚酰胺FESEM图像的影响

图3为不同加速电压下聚酰胺的FESEM形貌图。从图中可以看出，随着加速电压的增加，图像的分辨率越来越高，信噪比越来越好。当加速电压分别为3 kV和5 kV时(图3a和3b)，聚酰胺的FESEM图像完整，样品无损伤畸变，这主要归因于低加速电压所产生的入射电子能量较低，与样品的作用深度较浅，喷镀的Pt膜能够及时将入射电子束在样品表面积累的电荷导走。但是当加速电压增加到10 kV时(图3c)，聚酰胺出现了图像畸变；当加速电压继续增加到15 kV时，聚酰胺的FESEM图像畸变更加明显(图3d)，这主要有两方面的原因：一方面，低原子序数的有机物聚酰胺与入射电子束相互作用区为“梨形”，这种形状的相互作用区易导致电子在样品内部积累，在照射点附件形成负电场，影响电子束的正常扫描，从而引起图像畸变[19]；另一方面，有机聚合物聚酰胺的软化温度较低，易于受到电子束轰击的影响[7]。因此，在对低原子序数材料进行FESEM表征时，宜选择较低的加速电压。

3.2 加速电压对二氧化锆FESEM图像的影响

图4为不同加速电压下二氧化锆(ZrO2)的FESEM形貌图。如图4a所示，当加速电压为3 kV时，ZrO2的FESEM形貌图像完整，但是图像分辨率不高，信噪比较差；当加速电压分别增加到5 kV、10 kV和15 kV时，其FESEM图像清晰完整，分辨率较高，信噪比好(图4b、4c和4d)。随着加速电压的增加，相比于有机材料PLGA，无机非金属材料ZrO2原子序数较高，其与样品的相互作用区接近“弓形”，这种形状的相互作用区减小了入射电子束在样品中的穿透深度，增加了样品表面电荷的扩散面积，使得入射电子束在样品表面和内部产生的电荷通过表面喷镀的Pt膜能够有效导走，从而避免放电现象和FESEM图像畸变[3]；同时，ZrO2是一种耐高温的陶瓷材料，其软化温度较高，不易被电子束影响而产生损伤。因此，在对高原子序数材料进行FESEM表征时，宜选择较高的加速电压，也可结合材料的特性选择合适的加速电压。

图4 不同加速电压下二氧化锆的FESEM形貌图 (a) .3 kV; (b) .5 kV; (c) .10 kV; (d) .15 kV

3.3 加速电压对铝-锌-镁-铜合金FESEM图像的影响

图5为不同加速电压下铝-锌-镁-铜合金(Al-Zn-Mg-Cu alloys)的FESEM图像，当加速电压为3 kV或者5 kV时，合金表面的污染物清晰可见(图5a和5b)；当加速电压分别增加到10 kV和15 kV时，样品表面的污染物显示不明显，同时FESEM图像的分辨率和信噪比提高，相界面更加的清晰可见，更有利于铝-锌-镁-铜合金内部相的表征(图5c和5d)。因此，当需要对金属材料的内部相进行FESEM表征时，则需要选择较高的加速电压，有利于忽略样品表面的污染物信号。

图5 不同加速电压下铝-锌-镁-铜合金的FESEM形貌图 (a) .3 kV; (b) .5 kV; (c) .10 kV; (d). 15 kV

3.4 普通模式和电子束减速模式下加速电压对三氧化二铝(Al2O3)FESEM图像的影响

图6为普通模式和电子束减速模式不同加速电压下三氧化二铝的FESEM形貌图。从图6a和6b中可以看到，普通模式下，随着FESEM加速电压的增加(5 kV→10 kV)，FESEM图像的分辨率增高，信噪比变好，但是图像的畸变也越来越大，图像失真越来越严重，这主要是由于低原子序数的三氧化二铝与入射电子束的相互作用区为“梨形”，易受高能入射电子束的影响，电压越高，入射电子束与样品的作用深度越深。当采用BDM时，FESEM加速电压为5 kV，减速场电压为3 kV，实际的着陆电压为2 kV，相比较于图6a(普通模式5 kV)，从图6c中可以看到在相同倍数下FESEM图像清晰完整，信噪比好，立体形貌非常明显。这主要归因于BDM下，5 kV的加速电压保证了电镜的分辨率；较低的着陆电压(2 kV)与样品的作用深度较浅，有利于样品表面微观形貌的表征，能够有效地避免样品的图像畸变和电子束对样品的损伤；同时，减速场(3 kV)的存在能够加速从样品中溢出的二次电子和背散射电子，增加了CBS探头对信号电子的收集效率。BDM下当FESEM加速电压由5 kV增加到10 kV时，实际的着陆电压由2 kV增加到7 kV，FESEM图像清晰，信噪比好，但是可以看到图像出现了畸变(如图6d所示)，这主要是由于7 kV的实际着陆电压超过了三氧化二铝的EⅡ值(4.2 kV)[3]，对低原子序数的三氧化二铝的影响较大，入射电子束与样品的作用深度较深。因此，在BDM下对不耐电子束的样品进行表征时，应保证实际的着陆电压稍低于样品的EⅡ值以保证FESEM图像清晰完整，信噪比好，立体表面形貌明显。

图6 不同加速电压下三氧化二铝的FESEM形貌图普通模式(a) 5 kV; (b) 10 kV; 电子束减速模式(c) BDM 5 kV; (d) BDM 10 kV

4 结语

综合上述实例的比较研究可知在对不同类型的样品进行FESEM表征时，可根据样品本身的特点及表征要求，选择合适的表征模式和加速电压。普通模式下，对低原子序数的样品进行FESEM表征时，由于入射电子束与样品相互作用区为“梨形”，样品易受电子束影响而发生“荷电现象”和“图像畸变”，宜选择较低的加速电压；对高原子序数样品进行FESEM表征时，入射电子束与样品相互作用区为“弓形”，可以有效减小电子束在样品中的穿透深度，增加样品表面电荷的扩散面积，宜选择较高的加速电压；当需要对材料的内部相进行FESEM表征时，则需要选择较高的加速电压，有利于忽略样品表面的污染物信号。电子束减速模式下选择合适的加速电压既能保证电镜具有较高的分辨率，又能有效地避免样品的图像畸变和电子束对样品的损伤，因此在对不耐电子束的样品的表征方面具有独特的优势。