楊兵超易文才

(1.曲阜師范大學實驗教學與設備管理中心， 曲阜 273165；2.曲阜師范大學物理工程學院， 曲阜 273165)

掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope/SEM，簡稱掃描電鏡)是一種利用高能聚焦電子束掃描樣品表面，從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。掃描電鏡具有放大倍數(shù)范圍大、連續(xù)可調(diào)、分辨率高、景深大、成像富有立體感、樣品艙空間大且樣品制備簡單等特點。另外，掃描電鏡可以配備諸如EDS、BSD、EBIC等多種探測器，除形貌觀察以外可以同時進行顯微組織形貌的觀察及成分和晶體微觀結(jié)構(gòu)的分析，因此掃描電鏡在許多領域都有廣泛應用。目前掃描電鏡電子槍發(fā)射源主要有鎢燈絲、六硼化鑭燈絲和場發(fā)射(包括熱場和冷場)。本文主要以ZEISS Sigma 500熱場發(fā)射掃描電鏡為例，詳細介紹掃描電鏡的操作技巧及日常維護工作。

1 掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)與原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

掃描電子顯微鏡是利用電子光學原理使用電子束作為照明源，通過電子束在樣品表面掃描所產(chǎn)生的信息進行高倍數(shù)成像的儀器。掃描電鏡主要包括電子光學系統(tǒng)、信號探測系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源及控制系統(tǒng)[1-3](如圖1所示)，其中圖1(a)為Sigma 500的實物圖片，圖1(b)為Sigma 500的平面構(gòu)造示意圖。電子光學系統(tǒng)決定了掃描電鏡的類型及性能，是掃描電鏡的核心系統(tǒng)。 以ZEISS Sigma 500為例，電子光學系統(tǒng)自上而下主要包括：電子槍、電磁透鏡、物鏡光闌、掃描線圈和物鏡，如圖2所示。

圖1 掃描電子顯微鏡外觀及平面構(gòu)造(a).ZEISS Sigma 500的外部圖片；(b). ZEISS Sigma 500的構(gòu)造示意圖

圖2 ZEISS Sigma 500的電子光學系統(tǒng)

1.2 工作原理

以ZEISS Sigma 500為例，由肖特基場發(fā)射電子源(Schottky Field Emitter)發(fā)射的電子束，在加速電壓(0.02～30kV)的作用下，經(jīng)會聚透鏡、物鏡縮小和聚焦，在樣品表面形成一個具有一定能量、強度、斑點直徑的電子束；在掃描線圈的磁場作用下，入射電子束在樣品表面上按照一定的空間和時間順序做光柵式逐點掃描；高能電子束與樣品之間相互作用，從樣品中激發(fā)出多種信號(二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇電子、陰極熒光等)，見圖3(a)；這些信號被相應的接收器接收，經(jīng)放大器放大后傳遞到顯像管的柵極上，來調(diào)制顯像管的亮度，在熒光屏上就會出現(xiàn)與樣品上一一對應的信息，如圖3(b)所示(成像示意圖中所接收信號為二次電子)。在掃描電鏡中，用來成像的信號主要是二次電子，入射電子束在樣品表面上掃描時，二次電子的產(chǎn)額隨樣品表面起伏程度(形貌)變化，因此二次電子主要用于形貌觀察。其他信號，例如：X射線和背散射電子，主要用于成分分析。

圖3 掃描電子顯微鏡信號產(chǎn)生示意圖及成像原理圖(a).電子束與樣品相互作用產(chǎn)生信號示意圖； (b).掃描電鏡成像原理圖

2 掃描電鏡的操作與技巧

2.1樣品制備

常規(guī)電鏡樣品制備要求[4-7]：樣品必須是干燥的，不含水分或揮發(fā)性物質(zhì)；具有一定機械強度，能經(jīng)受電子束轟擊；導電性良好，被激發(fā)時能夠產(chǎn)生足夠多的二次電子(導電性不好則須進行噴鍍處理)；無磁性。

對于導電的塊狀樣品，除了大小要適合儀器樣品臺尺寸外，基本不需進行其他處理，用導電膠將樣品粘在樣品臺上，即可在掃描電鏡下觀察。

對于生物樣品要經(jīng)清洗、固定、脫水、干燥、鍍膜后才能觀察。

對于非導電或?qū)щ娦圆畹臉悠?，需進行鍍膜處理，在材料表面鍍一層導電膜，以避免在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響圖象質(zhì)量，并可以防止樣品的熱損傷。

2.2 進樣觀察

充氣后打開艙門，將樣品臺卡在基座上，抽真空至聽到機器“咔”聲響，此時Vacuum面板中System Vacuum的值約為5×10-5mbar，可以開始測試樣品。在TV模式下，通過搖桿將樣品臺移到合適的工作距離；打開并選擇合適的加速電壓(EHT)，導電性差的樣品可以選擇1～3kV，導電性好的樣品可以選擇10kV及以上的高電壓；在Aperture面板中選擇合適的光闌，一般選30μm即可(視樣品情況而定)。

選擇合適的成像探頭(一般二次電子成像選擇SE2或Inlens探頭)，調(diào)節(jié)Mag/Focus旋鈕，低倍聚焦使能看清樣品，移動樣品臺到感興趣的區(qū)域，調(diào)節(jié)亮度(Brightness)和對比度(Contrast)使圖像明暗合適；使用Reduce小窗口調(diào)焦，提高放大倍數(shù)后聚焦，如此反復直至所需要的放大倍數(shù)。如果在聚焦過程中發(fā)現(xiàn)圖像邊界模糊變形、像散嚴重，則需要調(diào)節(jié)操作面板中的消像散旋鈕(Stigmation)使模糊邊盡量減小，再聚焦直至圖像清晰。如果已經(jīng)得到所需要的圖像即可降噪保存。

2.3 出樣

將探頭由SE2模式或者Inlens模式切換為TV模式，在狀態(tài)欄中點擊All，選擇EHT off關閉高壓；在Vacuum面板中點擊Vent充氣，打開艙門取出樣品后點擊Pump重新抽真空，結(jié)束測試。

2.4 拍攝高質(zhì)量圖像的技巧

形貌觀察的目標是為了得到高質(zhì)量的理想圖像，因此對于不同種類的樣品也要采取不同的操作方法與技巧[8-11]，本文以ZEISS Sigma 500為例，從加速電壓的選擇、光闌的選擇、探頭的選擇、像散的影響以及鍍膜的影響等方面介紹了拍攝高質(zhì)量圖像的方法。

2.4.1加速電壓的選擇

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確指出：“信息技術(shù)對教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視?！边@充分說明教育信息化對現(xiàn)代教育的重要意義。很多一線教師給予信息技術(shù)高度關注，肯定了信息技術(shù)帶給教學的諸多便利。但是通過訪談和實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有些教師在觀念上存在問題，習慣于使用傳統(tǒng)的教學方式進行教學；部分教師認為能熟練操作一些基本軟件、能從網(wǎng)上下載需要的教學資源，就是擁有信息技術(shù)教學能力?，F(xiàn)在很多學校信息化教學設備資源得到快速發(fā)展，但由于教師的應用能力明顯滯后于軟硬件的發(fā)展，導致信息技術(shù)應用效果沒有達到預期目的。是否還有其他因素在影響教師應用信息技術(shù)輔助教學，值得研究。

加速電壓(EHT)的大小決定了電子槍發(fā)射電子的能量高低。原則上，高加速電壓能夠增加探測信號的產(chǎn)率與強度，提高圖像清晰度，但也需考慮樣品的導電性，選擇合適的加速電壓。如圖4所示(a，b，c，d分別為在3kV，5kV，10kV，15kV下拍攝的樣品圖像)，在不同加速電壓下，高電壓時所獲取的樣品表面信息相對減少，荷電問題隨電壓升高而加重。因此，較低的電壓有利于觀察導電性稍差的樣品表面形貌，并能有效地改善荷電問題。

2.4.2光闌的選擇

光闌的選擇應適度，光闌越大接收到的電子束束流越大，電子束的束斑直徑越小。對于不導電或?qū)щ娦圆畹臉悠罚娮邮髟酱?，樣品荷電現(xiàn)象越嚴重，難以得到理想的圖像；反之，如果電子束流過小，探測器接收到的信號減弱分辨率下降，同樣難以得到高質(zhì)量的圖片。因此光闌的選擇需視具體的測試情形而定。

2.4.3探頭的選擇

Inlens探頭的最高加速電壓為20kV，圖像分辨率更高，當需要高倍成像及觀察樣品表面細節(jié)時常選用該探頭；SE2探頭的最高加速電壓為30kV，拍攝的圖片立體感強，當樣品放電嚴重或需要大景深、強立體感時常選用該探頭。如圖5(a，b)所示，Inlens模式下圖像的分辨率更高但缺乏立體感，SE2模式下景深大、立體感強但清晰度略低于Inlens模式。

圖4 不同加速電壓下樣品成像示意圖

圖5 不同探頭模式

2.4.4像散的影響

正焦點(in focus)即為圖像不變形的點，在拍攝時欠焦(under focus)和過焦(over focus)圖像都會模糊不清或者形變(如圖6a，b，c)。因此，若拍攝過程中感覺像散消不掉、圖像調(diào)不清楚，應先檢查聚焦(focus)是不是在正焦點上，如果在正焦點上則可通過操作面板中的消像散旋鈕(Stigmation)調(diào)節(jié)X或Y軸，使模糊邊盡量減小，再聚焦直至圖像清晰；如果不是正焦點即使感覺像散消掉了圖像仍然不清晰，如圖6(d，e，f)所示。

圖6 像散的影響示意圖下樣品成像示意圖

2.4.5鍍膜的影響

為了改善樣品的導電性，消除或減輕樣品荷電現(xiàn)象，防止樣品熱灼傷，對于非導電或?qū)щ娦圆畹臉悠沸柽M行鍍膜處理。如圖7(a，b)所示，鍍膜后的Inlens圖像，黑線消失且清晰度和對比度有明顯提高，因此鍍膜也可以提高圖像質(zhì)量。

圖7 鍍膜對樣品成像的影響示意圖

3 日常維護

掃描電鏡是價格昂貴、精密復雜的大型儀器，因此，不但要求實驗室管理員能夠規(guī)范的操作儀器，更需要管理員能對其進行精細的日常維護[12-15]，以確保機器處于正常的工作狀態(tài)。以下介紹了ZEISS Sigma 500熱場發(fā)射掃描電鏡的日常維護情況。

3.1 電鏡室維護

做好日常清潔工作，保持電鏡室整潔、無塵；利用空調(diào)和除濕機等外部手段調(diào)控室內(nèi)溫度和濕度環(huán)境，使室內(nèi)溫度處于 20±5℃之間，濕度保持在60%以下，以防掃描電鏡各部件損壞。定時檢查氮氣瓶氣量開關是否打開，保證出口壓力指針處于 0.3～0.4MPa 之間。

3.2 真空系統(tǒng)維護

掃描電子顯微鏡屬于高真空系統(tǒng)的儀器。場發(fā)射掃描電鏡需長期保持開機狀態(tài)以確保電鏡具有優(yōu)良的真空值：電鏡的系統(tǒng)真空(System vacuum)一般要求在10-6mbar以上，電子槍真空(Gun vacuum)一般要求在10-9mbar 以上。如果發(fā)生停電或維修等特殊情況，來電后應盡快開機，穩(wěn)定后檢查系統(tǒng)真空和電子槍真空是否在工作范圍內(nèi)。若停電時間過長造成真空度下降過多，則需進行烘烤操作(一般需要烘10h，晾4h)。

3.3 配件維護

定時檢查機械泵的油液面是否在安全線以上。若油液面在安全線以下或泵油顏色變深，則應立即添加或更換泵油；每半年更換一次密封圈，防止因密封圈老化影響抽真空的效果。

定期清洗樣品臺、送樣桿以及離子濺射儀樣品室等易受污染的部件，以防受到灰塵等雜質(zhì)的污染而影響真空效果。清洗時可使用防靜電無塵布蘸取酒精進行擦拭。

定期檢查水冷機循環(huán)水，一般每學期換一次循環(huán)水。若發(fā)現(xiàn)水位低于警戒線，應立刻添加去離子水；若發(fā)現(xiàn)循環(huán)水混濁變質(zhì)應立刻更換，防止因循環(huán)系統(tǒng)堵塞和結(jié)垢造成水循環(huán)系統(tǒng)工作效率降低。更換時需先關機，清洗水箱后再加去離子水，并倒入半瓶抑菌劑，以防藻類和細菌生長。

4 總結(jié)

綜上所述，認真學習掃描電鏡的組成部分和工作原理，規(guī)范上機操作步驟，合理選擇不同種類樣品的觀察條件和試驗方法，積累測試經(jīng)驗才能有效保證大型精密設備的良好運轉(zhuǎn)。電鏡管理人員應具有高度的責任心與工作熱情，重視儀器的日常維護保養(yǎng)，掌握必要的故障檢測與排除技能，定檢查儀器運轉(zhuǎn)情況及時更換消耗品，確保儀器在最佳狀態(tài)下更好的服務于科研工作。