加速电压在扫描电镜中的作用

发布时间：2021-05-18 21:40 原文链接：加速电压在扫描电镜中的作用

在进行扫描电镜（SEM）分析时，为了获得感兴趣区域zui佳的图像效果，必须考虑一些重要的参数。其中一个很重要的参数就是加速电压，它是加在电子枪的阴极和阳极之间，用来加速电子产生电子束的。加速电压的选择与样品的导电性、放大倍数及图片质量等因素有关。一般来说，加速电压越高，图像的分辨率越高。

在zui近几年，扫描电镜（SEM）厂商已经开始致力提高低电压成像的分辨率。低电压成像技术主要应用于生命科学领域，特别是在获得诺贝尔奖的冷冻电镜技术问世之后。这篇博客将集中讨论加速电压对分析图像的影响。

加速电压决定作用区域的大小

加速电压是电子能量的象征，它决定了电子束与样品之间的相互区大小。一般情况下，加速电压越高，电子束在样品表面穿透越深，作用区也就越大。

这意味着电子将在样品中更深入地传播，并在不同区域中产生信号。样品的化学成分也会对作用区的大小产生影响：轻元素的核外电子层数较少，电子能量较低，这限制了其对入射电子的影响。因此与重元素的样品相比，电子束对于轻元素样品的穿透更深。

对输出信号进行分析时，可以得到不同的结果。在台式扫描电镜中，通常检测到三种信号：背散射电子（BSE）、二次电子（SE）和X射线。

加速电压对扫描电镜成像的影响

加速电压对于BSE和SE成像的影响是类似的：低加速电压能够得到样品表面更多的细节；而在高加速电压下，图像的分辨率提高，但由于穿透效应，样品的表面细节减少，有利于忽略样品表面的一些细小污染物。这可以在下面的图片中看到，在低加速电压下，样品表面的污染物清晰可见，而高加电压的图像表面污染物“减少”。

图1：在5kV(左)和15kV(右)下锡球的BSE图像。在低电压下，样品顶部的碳污染清晰可见。当电压增加时，穿透作用使锡球表面更加光滑，污染物“减少”。

对于不同性质的样品，选择合适的加速电压非常重要。生物样品、聚合物以及其他有机样品都对高能量的电子非常敏感。由于SEM在真空中运作，这种敏感性进一步增强。这就是SEM厂商致力于开发低电压下成像技术的原因，这样的话即使是zui精细、对电子束能量敏感的样品也能拍出比较好的图像。

在这一过程中遇到的主要困难是成像技术背后的物理原理：与摄影相似，存在几种可能的因素会影响zui终输出的图像质量，如畸变和像差。随着电压升高，获得的信号量也变多，色差的影响逐渐减小，这也是为什么之前SEM的趋势是利用尽可能高的电压以提高成像分辨率的主要原因。

X射线的产生

在X射线方面，情况完全不同：越高的加速电压越有利于X射线的产生。X射线可以由能谱仪（EDS）捕获和处理，从而对样品的成分进行分析。

入射电子束中的电子与样品中的原子相互作用，迫使目标样品中的电子被打出。这样样品中就会有空穴生成，它由一个来自于同一原子的外层能量较高电子填充。这个过程要求电子以X射线的形式释放部分能量。X射线的能量zui终可以通过Moseley定律与原子的原子质量相关联。因此通过EDS分析可判断样品的化学成分。

X射线生产的关键因素:

一般进行能谱分析时，理想状态下所需要的过压比为1.5，这意味着通过增大加速电压，可一检测更多序数较大的元素。另一方面，在高加速电压下，样品被电子束损伤的几率也就越大，同时作用范围也就越大。

X射线的产生可能来自更大的作用区域，影响能谱分析结果的可信度。在多层、颗粒和非均质材料的情况下，较大的作用区域会产生来自样本不同成分的信号，从而影响能谱分析的结果。