電鏡學堂丨掃描電子顯微鏡樣品要求及製備 (一) - 常規樣品製備

這裡是TESCAN電鏡學堂第6期，將繼續為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》(本書簡介請至文末查看)，幫助廣大電鏡工作者深入了解電鏡相關技術的原理、結構以及最新發展狀況，將電鏡在材料研究中發揮出更加優秀的性能！

樣品製備對掃描電鏡觀察來說也至關重要，樣品如果製備不好可能會對觀察效果有重大影響。

通常希望觀察的樣品有儘可能好的導電性，否則會引起荷電現象，導致電鏡無法進行正常觀察；另外樣品還需要有較好的導熱性，否則轟擊點位置溫度升高，使得試樣中的低熔點組分揮發，形成輻照損傷，影響真實的形貌觀察。如果要進行EDS/WDS/EPMA定量檢測，還需要樣品表面儘可能平整。

第一節  常規樣品製備

樣品製備主要包括取樣、清洗、粘樣、鍍膜處理幾個步驟。

§1. 取樣

在進行掃描電鏡實驗時，在可能的條件下，試樣應該儘量小，試樣有代表性即可。特別在分析不導電試樣時，小試樣能改善導電性和導熱性能。另外，大試樣放入樣品室會有較多氣體放出，特別是多孔材料，不但影響真空度，還大幅度增加抽真空的時間，可能也會引入更多的汙染。因此對於多孔材料在放入電鏡前，可以在不損傷樣品的前提下，對樣品進行一定的熱處理，比如電吹風吹，紅外燈烘烤，或者放入烘箱低溫加熱一段時間，將其空隙的氣體排出，以減小進入電鏡後的抽真空時間。

對於薄膜截面來說最好能夠進行切割、鑲嵌、拋光等處理。在鑲嵌時最好能將試樣一分為二，將要觀察的膜面朝裡然後對粘，然後再進行鑲嵌、拋光處理。這樣做的好處是避免在拋光過程中因為膜面和鑲嵌料之間的力學性能有一定的差異，而引起薄膜的脫落或者出現裂紋和縫隙，如圖4-1。對粘後的膜面兩面力學性能一樣，會改善此種情況。

 

圖4-1 單膜面力學性能不對稱引起的損傷

對於比較軟的樣品在制截面時，一般不要用剪刀直接剪斷，直接剪斷的截面經過了剪切的拉扯，質量較差。可以考慮用鋒利的刀片切斷，比如手術刀片等。或者在將試樣浸泡在液氮中進行冷凍脆斷。在冷凍脆斷前可以先切一個小缺口，這樣凍硬的樣品可以順著切口用較小的力就可發生斷裂。有條件的話可以考慮用截面離子束拋光或者FIB拋光。

對於粉末樣品來說，取樣要少量，否則粉末堆疊在一起會影響導電性和穩定性。粉末樣品團聚嚴重的話，可以考慮將粉末混合在易揮發溶劑中（如純水、乙醇、正己烷、環己烷等），配成一定濃度的懸濁液，用超聲分散，然後取小滴滴在試樣座或者矽片、銅（鋁）導電膠帶上。此時不要使用碳導電膠帶，因為碳導電膠帶不夠緻密，會使得樣品嵌入在空隙中影響觀察。等待溶劑揮發乾燥後，粉體靠表面吸附力粘附在基底上，如圖4-2。

 

圖4-2 粉末超聲分散制樣

不過值得注意的是溶劑的選擇，溶劑不能對要觀察的試樣有影響，否則會改變試樣的初始形貌而使得圖像失真。如圖4-3，高分子球樣品在用水稀釋分散後仍為球形，而用無水乙醇分散後，形貌發生了變化。

 

圖4-3 水（左）和乙醇（右）稀釋分散對形貌的影響

§2. 清洗

試樣儘可能保證新鮮，避免沾染油汙。特別是不要直接用手直接接觸試樣，以免沾染油脂。清潔不僅僅是針對試樣的要求，同樣還包括了樣品臺。樣品臺要做到經常用無水乙醇進行清洗。

§3. 粘樣

試樣的粘貼應該儘量保持平穩、牢固，並儘可能減少接觸電阻，以增加導電性和導熱性。特別是對於底面不平整的試樣，最好用銀膠進行粘貼，讓銀膠填滿縫隙以保證平穩。如果要進行EBSD測試，最好也用銀膠。EBSD採集要經過70度的傾轉，重力力矩較大，而導電膠帶有一定的彈性，可能會因為重力緣故而逐步拉伸，導致樣品漂移。

此外，平時大多數試樣都是採用碳導電膠帶進行粘貼，不過如果要進行極限解析度的觀察，最好也用銀膠，以進一步增加導電性。

我們粘貼樣品的目的是使得樣品要觀察的表面要能和樣品臺底座之間具有導電通路，而不是僅僅認為表面導電就好。樣品表面導電性再好，如果沒有導電通路和樣品臺聯通的話，仍然會有荷電。特別是對於不規則樣品，更要注意粘貼時候的導電通路。如圖4-4，左邊與中間的表面並未和樣品臺導通，屬於不合理的粘貼，而右邊形成了通路，是合理的粘貼方式。

 

圖4-4 合理（右）與不合理（左、中）的粘貼

對於很多規則樣品，比如塊體或者薄片樣品，也存在很多不合理的粘貼方式。很多人認為試樣有一定的導電性，就將試樣直接粘在導電膠帶上，如圖4-5左。樣品表面和樣品臺之間依然會出現沒有通路的情況，有時即使樣品導電性好，可能也會因為有較大的接觸電阻使得圖像有微弱的荷電或者在大束流工作下有圖像漂移。而圖4-5右，則是開始將導電膠帶故意留一段長度，將多餘的長度反粘到試樣表面去。這樣使得不管樣品體內導電性如何，表面都能通過導電膠帶形成通路。而且即使樣品整個體內都有較好的導電性，連接到表面的導電膠帶相當於一個並聯電路，並聯電路的總電阻總是小於任何一個支路的電阻，所以無論試樣的導電性任何，都應習慣性的將一段導電膠帶連接到表面，以進一步減小接觸電阻，增強導電性。

 

圖4-5 將導電膠帶延伸到試樣表面的粘貼

對於粉末試樣的粘貼，也是要少量，避免粉末的堆疊影響導電性和導熱性。粉體可以取少量直接撒在試樣座的雙面碳導電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板或導電膠帶的蠟紙面壓緊，然後用洗耳球吹去粘結不牢固的顆粒，如圖4-6左。如果粉末量很少，無法用棉籤或藥勺進行取樣，也可將碳導電膠帶直接去粘貼粉末，如圖4-6右。

圖4-6 粉末試樣的粘貼方法

§4. 鍍膜

對於導電性不好的試樣，我們通常可以選擇鍍膜處理。通常情況我們選擇鍍金Au膜，如果對解析度有較高的要求，可以選擇鍍鉑Pt、鉻Cr、銥Ir。如果要對樣品進行嚴格的EDS定量分析，則不能鍍金屬膜，因為金屬膜對X射線有較強的吸收，對定量有較大影響，此時可選用蒸鍍碳膜。

現在的鍍膜設備一般都能精確控制膜厚，通常鍍5nm的薄膜就足夠改善導電性，對於有些特殊結構的試樣，比如海綿或泡沫狀，表面不緻密，即使鍍較厚的導電層，也難以形成通路。所以我們鍍膜儘量控制在10nm以下，如果鍍10nm的導電膜仍沒有改善導電性，繼續增加鍍膜也沒有意義。一般鍍金的話在10萬倍左右就能看見金顆粒，鍍鉑的話可能需要放大到20萬倍才能看見鉑顆粒，而鍍鉻或者銥則需要放大到接近30萬倍。所以對於導電性不好的試樣來說，可以根據需要選擇不同的鍍膜。鍍膜之後，由金屬膜代替試樣來發射二次電子，而一般鍍的金、鉑都有較高的二次電子激發率，在鍍膜之後還能增強信號強度和襯度，提升圖片質量。只要鍍膜不會掩蓋試樣的真實細節，完全可以進行鍍膜處理，而不用糾結於一定要不鍍膜進行觀察，除非有特別不能鍍膜的要求。當然，對於要求倍數特別高或者嚴格測量的一些觀察要求，則要謹慎鍍膜處理。畢竟在高倍數下，鍍膜會掩蓋一定的形貌，或者使測量產生偏差。如圖4-7，左邊是鍍金處理的PS球在SEM下的測量結果，右邊是TEM直接拍攝的結果，可以發現SEM的測量結果大約在195nm左右，而TEM的測量結果在185nm左右，這就是因為給PS球鍍了5nm金而引起直徑擴大了10nm左右。

 

圖4-7 PS球在SEM下鍍膜觀察和TEM直接觀察的對比

除了不導電樣品需要鍍膜，對於一些導熱性不佳的試樣，有時也需要鍍膜。電子束轟擊試樣時，很多能量轉變成熱能，使得轟擊點溫度升高，升高溫度表達式為

ΔT(K) = 4.8 × VI / kd

其中，V為加速電壓、I為束流、d為電子束直徑，k為試樣熱導率。對於導熱性差的試樣，k較低，ΔT有時能接近1000K，很容易對試樣造成損傷。比如有時候對高分子樣品進行觀察時，會發現樣品在不斷的變化，其實是樣品受到電子束轟擊造成了輻照損傷損傷，如圖4-8。而經過鍍膜後，可以提高熱導率，降低升溫程度，避免樣品受到電子束輻照損傷。

 

圖4-8 電子束輻照損傷

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《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》是由業內資深的技術專家李威老師（原上海交通大學掃描電鏡專家，現任TESCAN技術專家）、焦匯勝博士（英國伯明罕大學材料科學博士，現任TESCAN技術專家）、李香庭教授（電子探針領域專家，兼任全國微束分析標委會委員、上海電鏡學會理事）編著，並於2015年由東北師範大學出版社出版發行。本書編者都是非常資深的電鏡工作者，在科研領域工作多年，李香庭教授在電子探針領域有幾十年的工作經驗，對掃描電子顯微鏡、能譜和波譜分析都有很深的造詣，本教材從實戰的角度出發編寫，希望能夠幫助到廣大電鏡工作者，特別是廣泛的TESCAN客戶。

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