何昌偉，戴 琨，熊克智，譚煜煒，邱海林，葉潔云

（江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000）

近年來(lái)，材料研究向著高層次、高精度和高通量的方向迅速發(fā)展，材料組織結(jié)構(gòu)的精細(xì)化、納米化對(duì)材料的分析手段提出了更高的要求[1-2]。場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Field Emission Scanning Electron Microscope，F(xiàn)ESEM）具有超高分辨率，且制樣方便簡(jiǎn)單，已成為分析納米材料形貌及結(jié)構(gòu)最有效的儀器。傳統(tǒng)的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)納米尺度材料和熱敏材料的表征時(shí)遇到了一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)：①很多無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)納米材料導(dǎo)電性不佳，易于在樣品表面產(chǎn)生荷電效應(yīng)[3-7]，樣品發(fā)生荷電現(xiàn)象取決于樣品的導(dǎo)電性能，對(duì)于導(dǎo)電性好的樣品，入射樣品的電流（Iin）等于從樣品出來(lái)的電流（Iout），樣品上的電流是趨于平衡的；而對(duì)于非導(dǎo)電的樣品，Iin≠I(mǎi)out，即產(chǎn)生了荷電現(xiàn)象，從而使圖像出現(xiàn)異常反差、畸變、像散等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量，在表征納米材料時(shí)，高放大倍數(shù)下尤其明顯。②受材料本身導(dǎo)電性影響或?qū)嶒?yàn)要求（例如EBSD要求高加速電壓），會(huì)對(duì)材料造成熱損傷，熱損傷在實(shí)際掃描操作中十分影響樣品的觀察，拍攝的場(chǎng)發(fā)射掃描照片由于形狀各異的熱損傷難以使用[8]。③制樣后樣品保存不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致樣品表面存在一些污染，由于其不導(dǎo)電，在拍攝過(guò)程中會(huì)存在局部荷電現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重情況下樣品表面的污染物甚至?xí)廴緲悠穫}(cāng)。

對(duì)于荷電現(xiàn)象，目前最為常見(jiàn)的減輕荷電現(xiàn)象的方法是通過(guò)離子濺射或者蒸鍍的方法在樣品表面沉積或鍍上一層比較均勻、細(xì)膩的金屬層，從而增強(qiáng)樣品的導(dǎo)電性。但是，該方法會(huì)影響和掩蓋樣品的真實(shí)結(jié)構(gòu)[9-11]，尤其在觀察納米材料時(shí)，可能還會(huì)造成樣品的熔化變形。另一種較為常見(jiàn)的減輕荷電現(xiàn)象的方法是在樣品和樣品臺(tái)之間粘貼導(dǎo)電膠，從而形成有效的導(dǎo)電通路，幫助聚集電子導(dǎo)出，但該方法主要適用于塊狀的非導(dǎo)電樣品，且在高倍率下效果有限[12-13]。而對(duì)熱損傷情況，目前還沒(méi)有很好的方法，往往只能通過(guò)后期調(diào)整對(duì)比度的方法對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)于一些熱損傷嚴(yán)重或者熱損傷區(qū)域雜亂的情況，后期處理也無(wú)法得到清晰的圖像，只能多次拍攝以得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，浪費(fèi)人力物力。對(duì)于污染物造成的荷電現(xiàn)象，在樣品放入樣品倉(cāng)前使用噴槍對(duì)樣品反復(fù)吹氣去除雜質(zhì)，這是目前較為簡(jiǎn)單的處理方法，但是作用效果仍然有限。

掃描電鏡的電鏡工作條件（工作距離WD、加速電壓、掃描速率等）的調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單、方便。為了更好地表征上述提到的導(dǎo)電性不佳、熱敏性差的材料，可以通過(guò)嘗試調(diào)節(jié)電鏡工作條件來(lái)解決。本文以蔡司sigma型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡為例，基于荷電及熱損傷現(xiàn)象，擬探索材料的荷電及熱損傷效應(yīng)與電鏡工作條件（工作距離WD、加速電壓、掃描速率等）的關(guān)系，研究改變電鏡參數(shù)的條件下獲得高質(zhì)量圖像的工作條件，為拍攝高質(zhì)清晰的掃描圖像提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下對(duì)無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)納米材料做了表征，探索荷電效應(yīng)與電鏡工作條件（工作距離、加速電壓、探頭等）的關(guān)系。在不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下對(duì)熱敏性較強(qiáng)的鋁合金和鋼樣品做了表征，探索熱敏性材料的熱損傷效應(yīng)與電鏡工作條件的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電鏡參數(shù)對(duì)荷電現(xiàn)象的影響

2.1.1 SE2探頭與Inlens探頭區(qū)別

為了探究不同鏡頭對(duì)樣品荷電現(xiàn)象的影響，減小對(duì)試樣的損傷程度，將加速電壓設(shè)為5 kV，真空度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，采集圖像，圖1（a）是試樣在低真空SE2電子模式下的SEM圖像，圖1（b）是試樣在低真空Inlens電子模式下的SEM圖像?？梢杂^察到，同一樣品在加速電壓、工作距離相同的情況下，SE2探頭下拍攝的掃描圖片更為清晰干凈，在一定條件下改善了荷電現(xiàn)象。

圖1 不同探頭下荷電現(xiàn)象

2.1.2 SE2探頭下不同加速電壓材料荷電現(xiàn)象

為了探究SE2鏡頭下加速電壓對(duì)樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，采集圖像如圖2所示。圖2（a）中試樣加速電壓由2 kV上升到10 kV，圖像荷電現(xiàn)象加重，圖片也變得模糊。圖2（b）中試樣加速電壓由5 kV上升到10 kV，荷電現(xiàn)象加重，圖2（c）加速電壓由10 kV加到15 kV后，部分區(qū)域的荷電現(xiàn)象改善但是圖片分辨率下降，圖片模糊不清、毛邊嚴(yán)重。SE2鏡頭下WD相同時(shí)，降低加速電壓能改善荷電現(xiàn)象。

圖2 SE2探頭下不同加速電壓下的荷電現(xiàn)象

2.1.3 SE2鏡頭下不同WD材料荷電現(xiàn)象

為了探究SE2鏡頭下WD對(duì)樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)整焦距采集不同WD情況下的圖像如圖3所示，工作距離的增加一定限度上改善了材料的毛邊情況，但由于粉末材料高低厚度不同，部分區(qū)域的荷電現(xiàn)象改善，另一部分荷電現(xiàn)象又出現(xiàn)。

圖3 SE2探頭下不同WD參數(shù)下的荷電現(xiàn)象

2.1.4 Inlens鏡頭下不同加速電壓材料荷電現(xiàn)象

為了探究Inlens鏡頭下加速電壓對(duì)樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，在不同加速電壓條件下采集圖像，如圖4所示，可以觀察到試樣加速電壓由5 kV減小到2 kV后，荷電現(xiàn)象減輕，圖像變得更加清晰。

圖4 Inlens探頭下不同加速電壓下的荷電現(xiàn)象

2.1.5 Inlens鏡頭下不同WD材料荷電現(xiàn)象

為了探究Inlens鏡頭下工作距離對(duì)樣品荷電現(xiàn)象的影響，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，調(diào)整焦距采集不同工作距離下的圖像如圖5所示，可以觀察到在Inlens探頭下一定程度的增加工作距離，能明顯地改善樣品的荷電現(xiàn)象，獲得更高質(zhì)量的掃描圖像。

圖5 Inlens探頭下不同WD參數(shù)下的荷電現(xiàn)象

2.2 電鏡參數(shù)對(duì)熱損傷現(xiàn)象的影響

2.2.1 改變加速電壓對(duì)熱損傷的影響

選取荷電現(xiàn)象較輕的SE2探頭，設(shè)置真空度為5×e-5Pa，在不同加速電壓下采集圖像，探究加速電壓對(duì)樣品熱損傷現(xiàn)象的影響。從圖6中可以觀察到試樣在20 kV加速電壓下熱損傷情況較15 kV更嚴(yán)重，高加速電壓會(huì)導(dǎo)致雜亂無(wú)序的熱損傷形貌。

圖6 不同加速電壓對(duì)熱損傷的影響

2.2.2 改變WD參數(shù)對(duì)EBSD表征過(guò)程中熱損傷的影響

選取荷電現(xiàn)象較輕的SE2探頭并設(shè)置高加速電壓20 kV，真度為5×e-5Pa，調(diào)好焦距之后，在不同工作距離下做EBSD采集，探究不同WD對(duì)樣品熱損傷現(xiàn)象的影響。觀察圖7發(fā)現(xiàn)一定程度的調(diào)大工作距離使得樣品遠(yuǎn)離電子槍，可減小樣品熱損傷。

圖7 不同WD參數(shù)下的熱損傷現(xiàn)象

3 分析

3.1 電鏡參數(shù)對(duì)荷電現(xiàn)象的改善

掃描電鏡一般都內(nèi)置有多個(gè)電子探測(cè)器，如Inlens、SE2。Inlens探測(cè)器位于正光軸上，通過(guò)提升樣品臺(tái)的Z軸，縮短工作距離，減少各種像差，收集較為純凈二次電子來(lái)提高圖像分辨率，但是不足之處是拍攝的掃描圖像立體感較差，容易發(fā)生樣品表面電荷不平衡的情況。SE2探測(cè)器則位于極靴外的樣品倉(cāng)內(nèi)，在樣品臺(tái)的斜上方，收集樣品表層5～10 nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出的二次電子，對(duì)樣品表面形貌非常敏感，景深大，立體感強(qiáng)，而且SE2探測(cè)器上有偏壓，使得背向探測(cè)器區(qū)域產(chǎn)生的二次電子仍有相當(dāng)一部分可以通過(guò)彎曲的軌道到達(dá)SE2探測(cè)器[14]。

加速電壓的高低決定了入射電子能量的高低，電壓較高時(shí)，入射電子的能量高，但是由于無(wú)機(jī)非金屬材料和有機(jī)納米材料導(dǎo)電性不佳，只有部分電子被探測(cè)器收集成像，多余電荷會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)不正常對(duì)比度、漂移及變形等問(wèn)題，因此對(duì)于導(dǎo)電性不好的材料，降低電壓可以改善荷電現(xiàn)象[15-17]，如圖2、4所示降低電壓后獲得的圖像更高質(zhì)。因此，只要增加電壓，電子束穿透一定厚度的試樣實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，也能消除荷電現(xiàn)象，但會(huì)導(dǎo)致圖片分辨率下降，圖片模糊，如圖2（c）所示。

工作距離（WD），即樣品與物鏡之間的距離，是影響掃描圖片質(zhì)量一個(gè)非常重要的因素，減小WD能增加入射角，導(dǎo)致分辨率提高，即較小的WD更易獲得表面清晰的圖片[18]。但是由于一些材料表面不平整，例如粉末材料，則可采用較大的WD，以獲得較大的景深，如圖3、5所示，加大工作距離圖片更清晰。

3.2 電鏡參數(shù)對(duì)熱損傷現(xiàn)象的改善

熱損傷與荷電現(xiàn)象都是由于樣品表面電荷不平衡導(dǎo)致的，因此與荷電現(xiàn)象類(lèi)似，荷電現(xiàn)象較輕的SE2探測(cè)器下熱損傷現(xiàn)象也更輕。對(duì)熱敏性材料，電子束掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)容易損壞樣品，在樣品留下黑色框印記，低加速電壓下入射電子的能量較低，可以降低電子束對(duì)樣品的損傷[18]，如圖6所示，15 kV電壓下對(duì)圖片縮放造成的熱損傷較20 kV下改善了很多。此外，調(diào)整WD使得材料距離電子槍更遠(yuǎn)，能減少材料表面多余的電子，改善其熱損傷情況。

4 結(jié)論

SE2探測(cè)器上有偏壓，使得背向探測(cè)器區(qū)域產(chǎn)生的二次電子仍有相當(dāng)一部分可以通過(guò)彎曲的軌道到達(dá)SE2探測(cè)器，有利于樣品表面電荷平衡，對(duì)于導(dǎo)電性差及熱敏性強(qiáng)的材料，優(yōu)先選用SE2探頭，能改善荷電及熱損傷情況。

通過(guò)降低加速電壓能降低入射電子能量，有利于樣品表面電荷平衡，能有效改善材料的荷電與熱損傷現(xiàn)象。

通過(guò)調(diào)大工作距離WD能減少材料表面多余的電子，有利于樣品表面電荷平衡，能有效改善材料的荷電與熱損傷現(xiàn)象。