扫描电子显微镜之SEM EDS样品制备方法.docx

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扫描电子显微镜之SEMEDS样品制备方法

扫描电子显微镜之SEMEDS样品制备方法

编辑作者：

驰奔COXEM【酷塞目】BeijingOffice（转载请注明出处）

扫描电子显微镜的优势为可以直接观察非常粗糙的样品表面，参

真空环境下观察，因此对样差起伏的材料原始断口。

但其劣势为样品必须在

品有一些特殊要求,笼统的讲：

干燥,无油,导电.

1、形貌形态，必须耐高真空，例如有些含水量很大的细胞，在真空中很快被抽干水分，细胞的形态也发生了改变，无法对各类型细胞进行区分；

2、样品表面不能含有有机油脂类污染物。

油污在电子束作用下极端容易分解成碳氢化物，对真空环境造成极大污染。

样品表面细节被碳氢化合物遮盖；成像信号电子束光路引起极大象产量；碳氢化合物吸附在碳氢化合物降低了

探测器晶体表面，降低探测器效率。

对低加速电压散；碳氢化合物被吸附在

的电子束干扰严重。

电子枪灯阴极材料的挥发，从而极大降低3、样品必须为干燥。

水蒸气会加速

丝寿命；水蒸气会散射电子束，增加电子束能量分散，从而增大色差，降低

分辨能力。

背散射、样品表面必需导电：

在大多数情况下，初级电子束电荷数量都大于4

电子和二次电子数量之和，因此多余的电子必须导入地下，即样品表面电位

必须保持在0电位。

如果样品表面不导电，或者样品接地线断裂，那么样品表面静电荷存在，使得表面负电势不断增加，出现充电效应，使图像畸变，入射电子平面镜。

电子束减速，此时样品如同一个

5、在某些情况下，样品制备变成重要的考虑因素。

若要检测观察弱反差机理，就必须消除强反差机理（例如，形貌反差），否则很难检测到弱的反差。

当希型磁反差或其他弱反差机理时，磁性材II和I背散射电子衍射反差，EBSD望

料的磁畴特性必需消除样品的形貌。

采用化学抛光，电解抛光等，产生一个几乎消除形貌的镜面。

磁性材料,必须退磁.请问为什么？

:

特殊情况

扫描电镜样品的制备

1、金属和陶瓷样品：

1）、形貌观察

彻底的去除油污以避免碳氢化合物的污染。

?

超声波清洗机：

溶剂为丙酮、乙醇、甲苯等。

溶剂不危害样品表面形貌完整性是非常重要的。

确定样品污染方法：

在很高的放大倍数下观察样品，然后降低放大倍数（扫描电镜为齐焦系统，高倍聚焦清楚，在低的倍数下不离焦），如果有污染，在低倍会观察到原来高倍的扫描区域有明显黑色痕迹。

污染物沉积的速率和电子束照射区域的剂量有关，由于越高的放大倍数，相同扫描时间内样品单位面积电子束照射剂量越大。

绝缘样品需要喷镀导电膜：

真空蒸发镀膜技术和离子?

溅射镀膜技术。

实现导电，导热，很大程度上增加二次电子发率。

1、导电率：

电阻率高的材料，在电子束入射下会迅速充电，而且形成相当高的电位，使样品某个区域绝缘击穿，导致样品表面电位发生变化，产生复杂的图像假象，所谓充电效应。

表现为，低能二次电子被偏转或者加速，在裂缝中，二次电子发射增加；严重的还会干扰物镜磁

场，引起象散不稳定，亮度不均匀，和杂散的X射线信

号；使得系统分辨率下降，分析能力下降。

、减少热损伤：

在正常观察图像时，电子探针的束流通2．

常为nA级，所以对于大多数样品，受热不是问题。

但对于阴极荧光，x射线显微分析，探针电流往往是几百

nA甚至μA级别，热效应较为严重。

样品过渡受热会表现为图像扫描区域移动，不稳定，还可能会破裂损坏。

---电子束损伤。

表现为，样品起泡，龟裂，内部出现孔洞，较高的束流引起，塑料，聚合物，生物样品中的有机材料迅速分解，甚至造成大量元素损失。

3、二次电子和背散射电子发射：

绝缘样品镀一层10nm厚的Au层，能够提高SE发射率。

但对于某些含有碱土的金属氧化物陶瓷，SE产额反而会减少低很多。

背散射电子观察，如果镀上一层重金属，会掩盖原子序数反差，因此常常利用一薄层地原子序数导体，蒸碳较

为合适，这样不会大量散射入射电子。

对于高分辨，低能量损失的信号，样品必需镀有在分辨率1nm时不会显现结构的重金属层，一般推荐，高熔点金属，钽或者钨作为镀层。

4、提高机械稳定性：

颗粒样品和脆性的有机材料镀上一层碳后，可以被牢固的固定在样品杯上。

甚至可以不用胶带固定，直接蒸镀碳膜或者溅射金属膜层，就能很好的固定。

5、未镀膜的绝缘样品几种方法：

低电压操作--在反射率

和二次电子产额等于1之间的电压下操作，对于钨灯丝扫描电镜，电子束亮度相对高电压会降低几十倍，而且

电子光学系统的像差亦会增大，这需要考虑扫描电镜的潜能。

而对于场发射扫描电镜来说，在低加速电压下，

也可以获得好的分辨率；在样品表面增加离子，中和表面累积电荷，可采用低真空样品室，获得等离子气体；含水样品可以采用冷冻台，直接观察，也可在冷冻后喷

金，或者采用低真空环境模式消除荷电，在高真空夏有赖于样品中的水分有足够的电导率。

2）、成分像或者原子序数反差：

当我们需要研究弱反差机制（两个相之间的平均原子序数相差很小）的时候，必需消除样品形貌的反差影响。

对样品进行抛光。

3）、WDS化学元素显微定量分析：

需要非常光滑的表面，机械抛光，电解抛光，化学处理等等。

4）、冶金金相显微结构：

机械抛光，腐蚀

5）、断口显微分析：

采用低速金刚石锯，或者线切割取样，对材料产生最小的热量和机械损伤。

一般把样品用螺丝固定在样品托上，或者用双面导电胶带粘在样品托上。

对于用环氧树脂或者胶木镶嵌的样品，必须保证样品能很好的导电和接地。

2、地质样品：

地质矿物样品是典型的非导电样品，喷镀导电膜是必要的。

也可以使用低加速电压模式，或者环境扫描电镜。

3、电子材料和器件：

直接观察一般都是令人满意的。

采用低加速电压模式效果更好。

当然也需要喷镀情况要，高加速电压的高分辨模式观察。

X射线能谱分析，往往比较难做。

因为其特征往往很薄小于1微米，必需选择合适的加速电压，否则得不到好结果。

4、半导体材料：

一般的制备样品方法都适合。

但有些特殊的反差机制，电压反差，电子通道反差,感生电流，样品电流等，半导体材料需如

要特殊的制备。

5、黏土，沙子，土壤：

样品制备需要从两个方面考虑

有机成分

无机成分

只有环境扫描电镜才可以直接观察两种成分。

其他的扫描电子显微镜分析系统都需要对样品进行干燥。

干燥方法如下：

烘箱干燥

空气自然干燥

真空干燥

置换干燥，

冷冻干燥

临界点干燥

6、颗粒和纤维：

特点为大多数非导电样品，在电镜观察时候，往往静电排斥作用，机械不稳定。

所谓样品漂移！

小于1微米的尺度，电子束可能穿透样品，随后基底散射产生的信号，将使得图像反差降低。

同时X射线信号会增加基地的成分。

超声波振荡分散：

一定量样品放入分散剂中进行分散，分散剂中往往加入表面活性剂。

树脂分散：

把颗粒样品镶嵌在树脂中。

用碳导电胶带，直接沾一些颗粒或者纤维。

绝缘的样品喷镀导电膜。

样品导电膜的制备技术

一、理想膜层的特点：

良好的导热和导电性能。

在3-4nm分辨率尺度内不显示其几何形貌特点，避免引入不必要的人为图像

不管样品的表面形貌如何，覆盖在所有部位的膜层需要薄厚均匀。

膜层对样品明显的化学成分产生干扰，也不显著的改变从样品中发射的X射线强度

这层膜主要增加样品表面的导电性能和导热性能，导电金属膜层的厚度普遍在1-10nm。

二、导电膜制备技术

在样品表面形成薄膜有多种方法，对于扫描电镜和X射线显微分析，只有热蒸发和离子溅射镀膜最实用。

．

、蒸发镀膜：

许多金属和无机绝缘体在真空中被某种方法加热，当温升足够1以上时，就会迅速蒸发为单原子。

高蒸发气压达到1.3Pa1、加热方法）、电阻加热法：

电流加热一个难熔材料，钨丝，钼丝，钽丝或者某种金属氧1化物制成的容器。

）、电弧法加热：

在两个电极之间，拉出电弧，导体表面则迅速蒸发，用于蒸2发高熔点金属2-3kev、钽、钼等，作为阳极，被3）、电子束加热法：

金属蒸发材料如钨级别。

由于电子束加热法，温度最高mA的电子束辐射，这个电子束流一般要的地方为靶材表面，所以效率最高，另外金属材料蒸发沉积下的颗粒很细小。

。

Cr和Pt电子枪加热也可以蒸发熔点相对较低的+扩散泵（涡轮分子泵），2、高真空蒸发：

机械泵3、低真空蒸发：

为避免氧化，用氩气保护。

1、蒸碳如左图

把碳棒连接接在两个电极上，或者将碳绳放在钨丝篮中，为了避免碳在空气中加热燃烧，使其在高真空（10的-3pa）中通入交流电或者在中真空0.1时用氩气保护。

碳棒或者碳绳这时候相当于白炽灯的灯丝。

“灯丝”的温度随着交流电压的加大而升高。

当达到3000°c以上，开始白炽发光的时候，大量的碳原子从灯丝表面向任意方向发射。

把样品放在灯丝附近，在样品表面可以形成致密的碳膜。

为了使得样品不至于被

高温灼烧，可以调节工作距离，

或加装防辐射导流罩另外蒸碳的时间非常短，可以在瞬间完成。

2、蒸发金属：

一般用钨丝篮作为电阻加热装置，把小于1毫米以下的金属丝缠绕在在其表面。

就像在白炽灯灯丝上，或者电炉的加热丝上加上需要蒸发的金属；也有用加热坩埚，蒸发金属粉末。

优点：

可提供碳和多种金属的镀层，镀层精细均匀，适合非常粗糙的样品，高分辨研究。

可以喷碳（碳棒或碳绳），有利于对样品中非碳元素的能谱分析。

非导电样品观察背散射电子图像，进行EBSD分析，也应该喷碳处理。

缺点：

这种方法容易对样品产生污染，蒸发温度过高（例如碳的蒸发温度为3500K），会损伤热敏感材料。

真空蒸发镀层厚度可以通过下面公式进行估算:

T=3/4（M/4πR2ρ）cosθ×10-7（式中2和-7为指数）

其中:

T（nm）为蒸镀层的厚度;M（g）为蒸发材料的总质量;ρ（g/cm3）为蒸发材料的密度;R（cm）为

为样品表面法线与蒸发方面的夹角。

）度（θ;蒸发源到试样的距离

、离子溅射镀膜：

高能离子或者中性原子撞击某个靶材表面，把动量释放给2几个纳米范围内的原子，碰撞时某些靶材原子得到足够的能量断开与周围原子的结合健，并且被移位。

如果撞击原子的力量足够，就能把表面原子溅射出靶材。

离子溅射的类型：

，经过准1）、离子束溅射：

氩气态离子枪，发射的离子，被加速到1-30kev直器或一个简单的电子透镜系统，聚焦形成撞击靶材的离子束。

高能离子撞击的能量发射，这些原子沉积到样品与靶材有视线的靶材原子，原子以0-100ev范围内的所有表面。

可以实现1.0nm分辨率镀膜。

1-3kev

2）、二极直流溅射：

是最简单的一种。

）、冷二极溅射（直流磁控溅射）：

将二极直流溅射改进，用几个装置保持样3品在整个镀膜过程中都是冷态。

克服二极溅射的热损伤问题。

采用环形靶材代替盘形靶；在中间增加一个永磁铁，并且在靶的周围加上环形极靴，偏转轰击30在样品表面的电子。

如果用一个小的帕尔贴效应的低温台，可以实现融点在摄氏度的样品镀膜。

以下四个因素影响溅射效率：

激发充入气体的电离，以及决定离子的能量。

电压：

离子流：

和气体的压力有关，决定溅射的速率（Au&靶的材质：

材料的结合能，对等离子对靶材的侵蚀有重大影响。

）WPd溅射速度高于充入的气体:

充入气体的原子序数越高，溅射速率越高。

离子溅射金属导电膜

COXEM【酷塞目】扫描电镜制样设备推广：

离子溅射原理：

如左图：

驰奔简述如下

直流冷阴极二极管式，靶材处于常温，加负高压1-3kv，阳极接地。

当接通高压，阴极发射电子，电子能量增加到1-3kev，轰击低真空中（3-10pA）的气体，使其电离，激发出的电子在电场中被加速，继续轰击气体，产生联级电离，形成等离子体。

离子以1-3kev的能量轰击阴极靶，当其能量高于靶材原子的结合能时，靶材原子或者原子簇，脱离靶材，又经过与等离子体中的残余气体碰撞，因此方向各异，当落在样品表面时，可以在粗糙的样品表面形成厚度均一的金属薄膜，而且与样品的结合强度高。

如果工作室中的气体持续流动，保持恒定压力，这时的离子流保持恒定。

高压的功率决定了最大离子流，一般有最大离子流限制，用于保护高压电源。

溅射镀膜厚度经验公式：

D=KIVt

D--镀膜厚度单位埃0.1nm

K--为常数，与靶材、充入气体和工作距离有关，当工作距离（靶材与样品的距离）为50mm，黄金靶，

气体为氩气时，K=0.17;

气体为空气时，K=0.07

I--离子流单位mA

V--阴极（靶）高压单位KV

t--溅射时间单位秒。

离子溅射仪操作：

1）、一般工作距离可调，距离越近，溅射速度越快，但热损伤会增加。

2）、离子流的大小通过控制真空压力实现，真空度越低，I越大，溅射速度越快，原子结晶晶粒越粗，电子轰击样品（阳极）产生的热量越高；真空度越高,I

越小，溅射速度越慢，原子结晶晶粒越细小，电子轰击样品产生的热量小。

也有可调的，加速电压越高，离化率越高，离子流越大，,）、加速电压为固定3．

对样品热损伤也越大。

一般使用金属靶材的正比区域。

4）、有些热敏样品，需要对样品区进行冷却，水冷或者帕尔贴冷却；也可以采用磁控装置，像电磁透镜一样把电子偏离样品，并且电子为螺旋运动，增加了到达样品的行程，从而提高气体离化率，并且能量获得最大限度的衰减。

经过这样的改造，当然会增加很高的成本。

可以在石蜡表面溅射一层金属，而没有任何损伤！

5）、真空中的杂质气体越多，镀膜质量越差。

一般黄金比较稳定，可以采用空气作为等离子气源，而其他很多靶材则需要惰性气体为好。

6）、气体原子序数越高，动量越大，溅射越快，但晶粒会较粗，连续成膜的膜层较厚。

7）、保持真空室的洁净对高质量的镀膜有很大好处。

8）、不要让机械真空泵长期保持极限真空，否则容易反油。

对样品的要去：

唯一要求是要充分干燥，否则金属颗粒不但不能附着，还会损伤样品表面。

如果释放的是有机气体，会在放电时分解，引起样品表面碳化污染。

．