低真空扫描电镜技术在材料研究中的应用

１ 引言
低真空扫描技术是指样品处在低真空条件下，完成显微观测的技术。低真空扫描电镜的成像原理基本上与普通扫描电镜一样，它们的区别在于样品室的真空状态，常规扫描电镜样品室真空度必须优于１０－３ Ｐａ，不导电样品需要表面喷镀导电层，样品上多余的电子由导电层引走；而低真空扫描电镜样品室需要通入气体适当降低真空度，处在低真空状态中样品上多余的电子被样品室内的残余气体离子中和，因而即使样品不导电也不会出现充电现象。


用常规扫描电镜观察非导材料样品表面形貌特征时，由于入射电子的作用，电子会在样品表面上不断聚集，引起放电现象，所以需要预先对样品进行喷镀导电层等处理，在消除样品表面上的堆积电子后才能在常规扫描电镜的高真空条件下进行观察。溅射的导电层很薄，样品表面的形貌细节无大损伤，但对于有些样品如含水、多孔以及不耐电子束烧伤的样品等，在进行常规电镜扫描时，不可避免地会产生如样品的收缩变形、出现结构假象等人为因素的影响，观察到的往往不是样品的真正表面面貌。扫描电镜低真空条件下操作可以在一定程度上解决此问题。本文采用低真空模式进行了初步试验，结果证明对于部分样品采用低真空模式可以减少荷电、降低样品污染，同时对多孔和含水样品也可以得到理想的电镜照片，提高了低真空电镜技术的应用范围。


２ 低真空工作原理
低真空扫描电镜技术是通过在样品室内通入少量的气体实现的。少量的空气进入扫描电镜样品室，在电子和气体分子之间通过碰撞产生正离子，当这些正离子电流达到样品完全抵消全部负电荷时，也就是出现了所谓的电荷平衡。对于绝缘体样品表面积存有入射电子的电荷带有负电，但在样品室发生的阳离子被负电荷所收集，因此会将防止样品出现荷电现象。


图ｌ是ＴＥＳＣＡＮ ＳＥＭ ＬＶＳＴＤ在低真空状态下使用的低真空专用二次电子检测器以及样品室的接受电子的工作原理示意图。进入低真空状态时，电子透镜的镜筒部分和低真空二次电子检测器内部都保持在高真空状态，只有样品室处在低真空状态。高、低真空部分由处于检测器最前侧的微栅隔开，探头内部由位于最后侧的小型分子泵单独抽到高真空状态。使用ＬＶＳＴＤ检测器，可直接获取到二次电子信号，得到真实高分辨二次电子图像。如果停止向样品室导入气体，那么样品室的真空度便增高，可用作普通的高真空ＳＥＭ使用。


图１ ＴＥＳＣＡＮ ＳＥＭ ＬＶＳＴＤ低真空工作原理示意图


３ 实验仪器及工作条件
扫描电子显微镜采用的是ＴＥＳＣＡＮ公司的ＴＳ ５１３６ＭＭ仪器，观察时采用仪器自带的ＬＶＳＴＤ（Ｌｏｗ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ＴＥＳＣＡＮ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）检测器和二次电子（ＳＥ）检测器，样品室内压力范围可调１～１５０Ｐａ。工作条件：加速电压２０ｋＶ；工作距离５～１０ｍｍ；低真空条件：１～１５０Ｐａ；


４ 在材料研究中的应用
（１）低真空技术对某些样品能减轻荷电效应扫描电镜在高真空模式的工作条件下，经过电子束连续扫描后，样品的表面将逐渐积累负电荷，过多的电荷积累会导致图像异常明亮，严重时在照射点附近形成的负电场影响电子束的正常扫描引起图象畸变，即使是已经喷镀导电层的某些样品也会成相当高的负电场，使得二次电子发射不稳定，并随着电荷的积累会不断偏转二次电子轨迹，影响探测器接收，造成亮度突变或者无规则的明暗条纹，如图２所示，严重影响样品的表面信息采集的效果。然而利用低真空操作模式对相同样品ＣａＣＯ３进行原位观察，发现能很好的消除样品表面的荷电效应，取得了较好的形貌图像，如图３所示。

 
图２ 高真空模式下的ＣａＣＯ３电镜照片



图３ 低真空模式下的ＣａＣＯ３电镜照片


（２）低真空技术能降低样品污染和损坏
某些低熔点的高分子样品在进行扫描电镜高真空模式下观察时，首先会经过一系列脱水、干燥和喷镀导电层等处理。当入射电子束打到这些样品上，仍会在样品表面产生电荷的积累，最终导致样品灼伤污染，破坏样品的细微结构，如图４所示，高分子多孔支架材料上的细丝在高真空拍摄过程中已经损坏并断裂，基本看不见细丝的存在。而采用低真空操作模式条件工作，可以有效的抑制样品表面的电荷积累效应，同时还更有效的抑制样品在拍摄和调节参数过程中引起的电子束诱导损坏和污染，如图５所示可以得到样品的原貌信息，能清晰的看到多孔支架的丝状结构。


图４ 高真空模式下的多孔支架电镜照片