如何獲取導電不良樣品的高質量SEM圖

       掃描電鏡的使用者都不愿意遇到的一大類試樣就是導電不良的樣品，比如聚合物薄膜、玻璃、陶瓷等，由于這些試樣電導率都較低，尤其是玻璃，甚至低于10^-10S/m，由此帶來的荷電效應問題，使得我們想要得到一張高質量的SEM圖難度較大，今天我們就來聊一聊如何解決此類問題。

      首先，進入大部分用戶腦海的肯定是“鍍金"一詞，即采用離子濺射儀在試樣表面鍍上一層薄薄的金屬膜，改善導電性，但其中的問題是Pt/Au顆粒尺寸一般是納米級，如Pt顆粒尺寸一般是2~3nm，但是由于真空度的影響，在較低的真空下，這些納米顆粒趨于團聚，往往會形成幾百納米大小的島狀結構。

圖1 （a）未鍍金的光刻膠 （b）鍍金后的光刻膠

    如圖1所示，玻璃上的光刻膠鍍金后，5萬倍的SEM圖中，Pt團聚顆粒便清晰可見，對試樣表面的本征形貌的表征造成假象，因此這一方案無法用于高倍SEM成像，只適合獲取低倍的SEM圖。

         那么如何在不鍍金的基礎上獲取高質量的SEM呢？賽默飛掃描電鏡Apreo2給出方案是低電壓（不高于5kV）成像。

       如圖2和表1所示，當加速電壓降低時，入射電子與試樣的相互作用范圍減小，即散射范圍縮小，如15keV的電子束的散射范圍近1μm，大于很多納米顆粒或片層尺寸，因此為了獲取此類納米級特征，必須將加速電壓降低，從而獲取試樣淺表面的形貌特征。

圖2  不同加速電壓的電子束與試樣相互作用范圍的示意圖

表1  不同能量的入射電子束在試樣中的散射范圍

      當然，加速電壓降低后，入射電子束能量降低，透鏡的色差會增加，色差擴散彌散斑直徑增加，而且低加速電壓下的電子束的波長增加，根據Abbe公式導致圖像的分辨率下降。

      針對這一問題，Apreo 2的解決方案是配備樣品臺減速功能，即在樣品臺上加一個反向減速電場，使得離開鏡筒的電子束被減速，如電子束初始加速電壓為5kV，在樣品臺上施加4kV的減速電壓，著陸到樣品上的加速電壓即為1kV，既保持了高電壓的電子束亮度和信噪比，減小了色差，也減小了電子束的擴展范圍，提高了顯微分析的空間分辨率。

圖3  不同加速電壓下的無水磷酸鐵的SEM圖

       如圖3所示，降低加速電壓至1kV后，搭配減速模式，清楚獲取到了無水磷酸鐵的納米片層結構。

        Apreo 2系列電鏡還配備了YAG材質的T1背散射探測器。此類材質的探測器靈敏度，可獲取低電壓下的成分襯度像，如圖4為表面負載碳的NCM顆粒的T1像，通過原子序數的差異清晰顯示了用于改善NCM導電性的碳包覆物的分布情況。

圖4 鋰電池三元正極材料NCM

圖5 鋰電池干法隔膜

         當然，開啟Apreo 2中的樣品臺減速功能后，T1探測器也可以獲取試樣的形貌像，如圖5所示，在200V的低電壓下，開啟減速模式后，T1探測器獲取形貌信息，清晰呈現干法隔膜表面的紋路結構。

        Apreo 2還在鏡筒內配備了T2二次電子探測器，其也為YAG材質，靈敏度自然，搭配樣品臺減速功能，便可以實現低電壓下獲取淺表面的形貌信息而高分辨成像。

圖6  Al₂O₃微球  

圖7 MnO₂催化劑

        如圖6所示，10萬倍的氧化鋁微球的T2像，可清晰觀察到表面的多面體結構，圖7為30萬倍的MnO₂催化劑，其直徑小于10nm的納米棒狀結構清晰可見。

Apreo 2探測成像系統

        Apreo 2在鏡筒內配置了超高靈敏度的T1探測器，可實現超低加速電壓下的高信噪比成像，非常適合高分子材料、氧化物、陶瓷、玻璃等導電不良的樣品的顯微分析。同時，Apreo 2還配備了樣品臺減速功能，其在1kV加速電壓下的分辨率高達1.0nm，可輕松分析納米球、納米線等納米尺度的材料。因此，Apreo 2是一款分析導電不良樣品的科研神器。