張 惠，沈玉華，謝安建

(安徽大學(xué)，安徽 合肥 230601)

掃描電子顯微鏡是20世紀(jì)80年代以來人們研究納米材料組織形貌和化學(xué)成分分析的一種非常重要的手段，也是近幾十年來發(fā)展非常迅速的電子顯微技術(shù)之一，現(xiàn)已成為物理、化學(xué)、生物以及材料學(xué)等自然科學(xué)研究中必不可少的基本儀器。作為剛剛開始進行創(chuàng)新實驗訓(xùn)練的本科生來說，掌握此項技術(shù)不僅能夠增強自己的動手能力，提升自己的科研水平，為自己的科學(xué)研究助一臂之力。還能激發(fā)其科研熱情，提高科研興趣。為此，我們?yōu)榧磳⑦M行創(chuàng)新實驗的本科生設(shè)計了一例簡單易行的“掃描電子顯微鏡應(yīng)用技術(shù)”課程。

1 實驗內(nèi)容

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

了解掃描電子顯微鏡的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用;掌握掃描電子顯微鏡的樣品制備方法;熟悉加速電壓、物鏡光柵、工作距離、像散等因素對成像的影響;實際操作獲得最佳的圖片。

1.2 掃描電子顯微鏡的原理分析

當(dāng)一束聚焦的電子束沿一定的方向入射到樣品上時，會發(fā)生散射。在散射的過程中，會損失一部分能量，而且會伴有熱、X射線、二次電子、背散射電子、俄歇電子、反射電子等有用信號的產(chǎn)生。掃描電子顯微鏡是通過收集這些信息，再進行放大和顯示成像，從而對樣品進行分析的。掃描電子顯微鏡的組成部分有鏡體和電源電路兩部分。鏡體包括電子光學(xué)系統(tǒng)(電子槍、掃描線圈等)、試樣室、檢測器及真空系統(tǒng)。具體的組成結(jié)構(gòu)可參閱《電子顯微分析》，章曉中編著，清華大學(xué)出版社。

1.3 儀器和材料

儀器:掃描電子顯微鏡(Hitach，SU1510)

材料:植物葉片，學(xué)生自行采集，烘干。

1.4 實驗步驟

(1)樣品制備:科學(xué)研究中所涉及的樣品只要有三類:粉末類樣品、膜類樣品和塊材。簡要討論各類樣品的制備方法，具體實驗室時，同學(xué)們可根據(jù)自己的樣品來選擇合適的制備方法。

粉末類樣品:取少量的樣品分散于乙醇(或其他有機試劑)，并用超聲波分散均勻。然后用毛細(xì)管取一滴分散好的液體樣品滴在清洗干凈的硅基片上。將樣品烘干，然后用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上。

膜類樣品:保持樣品表面清潔，鋪展均勻，然后用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上。若樣品導(dǎo)電型不好要進行噴金或噴碳處理，若有荷電要用導(dǎo)電膠將其“牽引”。

塊材:制樣方式和膜類樣品類似。

(2)安裝樣品

點擊操作界面或輕按儀器面板上的“EVAC”，放真空。打開試樣室的蓋子，將準(zhǔn)備好的載有樣品的樣品臺安裝在載物臺上。點擊操作界面或輕按儀器面板上的“AIR”，抽真空。待真空度達(dá)到要求時，加高壓，選擇物鏡光闌，反復(fù)調(diào)節(jié)放大、縮小、聚焦、像散、工作距離、加速電壓、探針電流等各種參數(shù)，把圖片調(diào)到最佳狀態(tài)。

(3)根據(jù)自己的需要，選擇合適的倍數(shù)，對最佳圖片進行拍照，保存。

1.5 實驗難點與重點

(1)樣品的制備

樣品的制備是此次實驗的第一項工作，也是試驗的難點之一。首先要保證樣品干燥，本次實驗樣品為植物葉片，學(xué)生們采集后，要在烘箱中干燥數(shù)天，待其水分完全烘干后才能進行實驗。其次樣品要分散均勻，特別是粉末樣品，必須在溶劑中充分超聲待其分散非常均勻方可制樣，此外濃度要盡可能的小，防止團聚。最后所測樣品要導(dǎo)電，非導(dǎo)電性物質(zhì)或?qū)щ娦圆畹奈镔|(zhì)要進行噴金或噴碳處理。

(2)參數(shù)的設(shè)置

要想拍到理想的樣品圖片，必須對各個參數(shù)進行優(yōu)化。對于掃描電鏡來說，這些參數(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。針對不同的樣品，其參數(shù)要求變化很大。物鏡光闌、工作距離、探針電流、加速電壓四個參數(shù)相輔相成。物鏡光闌越小，分辨率越高，但照射到樣品的電流少，束班直徑小，圖像的信噪比差。探針電流越大，分辨率降低，但照射的電流多荷電現(xiàn)象嚴(yán)重，圖像信噪比好。工作距離越短，分辨率越高，但景深淺。加速電壓越大，電子束能量大，分辨率高，但對樣品的損傷大，荷電嚴(yán)重。所以，根據(jù)不同的樣品一定要選擇合適的工作條件，這些條件是在不斷的實驗過程中摸索而得到的。

(3)像散的調(diào)節(jié)

這是使用掃描電鏡過程中操作的細(xì)節(jié)問題，像散嚴(yán)重，圖像質(zhì)量差，所獲的圖像不能反映實際情況。所以在操作過程中，每調(diào)劑到一個倍數(shù)都要在聚焦后消除像散。消像散過程繁瑣，同學(xué)們要有耐心。

(4)儀器的維護和保養(yǎng)

掃描電鏡屬于大型儀器，在操作過程中，我們始終強調(diào)要細(xì)致、謹(jǐn)慎，嚴(yán)格按操作步驟進行。做完之后，還要對儀器進行維護和保養(yǎng)。例如:務(wù)必把樣品腔抽到真空后再關(guān)機、所測樣品一定要符合要求，油性或者磁性樣品禁止測量、選擇合適的探針電流和加速電壓以延長燈絲的壽命，等等。

1.6 學(xué)生所拍樣品示例

樣品圖片如圖1所示。

圖1 樣品圖

1.7 教學(xué)效果評價

在教學(xué)實踐過程中，我們從學(xué)生們掌握的關(guān)于掃描電鏡的理論知識、工作參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及最終實踐操作后所得到的樣品圖片來對學(xué)生進行評價。從近期的教學(xué)效果來看，經(jīng)過短時間的教學(xué)實踐，學(xué)生們基本掌握了掃描電鏡的基本理論，并且對其在科學(xué)研究中所起的作用有了很深刻的體會。但在實際操作中，不能很好的調(diào)節(jié)各個參數(shù)，使圖片效果達(dá)到最佳。

2 結(jié) 論

實驗過程中，要求學(xué)生自行采集樣品，自行對樣品進行前處理，自己完成樣品的制備的全過程。通過實例講授和自主操作過程的訓(xùn)練，學(xué)生們掌握了樣品制備方法，能夠自己完成整個操作過程，得到了比較完美的圖片。從而激發(fā)了科研興趣，提高了科研熱情，鍛煉了動手能力。也為創(chuàng)新實驗的開展打下了一定的基礎(chǔ)。

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