1

樣品處理的要求

掃描電子顯微鏡的優勢為可以直接觀察非常粗糙的樣品表面，參差起伏的材料原始斷口。但其劣勢為樣品必須在真空環境下觀察，因此對樣品有一些特殊要求,籠統的講：干燥，無油，導電。

1形貌形態，必須耐高真空。

例如有些含水量很大的細胞，在真空中很快被抽干水分，細胞的形態也發生了改變，無法對各類型細胞進行區分；

2樣品表面不能含有有機油脂類污染物。

油污在電子束作用下極端容易分解成碳氫化物，對真空環境造成極大污染。樣品表面細節被碳氫化合物遮蓋；碳氫化合物降低了成像信號產量；碳氫化合物吸附在電子束光路引起極大象散；碳氫化合物被吸附在探測器晶體表面，降低探測器效率。對低加速電壓的電子束干擾嚴重。

3樣品必須為干燥。

水蒸氣會加速電子槍陰極材料的揮發，從而極大降低燈絲壽命；水蒸氣會散射電子束，增加電子束能量分散，從而增大色差，降低分辨能力。

4樣品表面必需導電。

在大多數情況下，初級電子束電荷數量都大于背散射電子和二次電子數量之和，因此多余的電子必須導入地下，即樣品表面電位必須保持在0電位。如果樣品表面不導電，或者樣品接地線斷裂，那么樣品表面靜電荷存在，使得表面負電勢不斷增加，出現充電效應，使圖像畸變，入射電子束減速，此時樣品如同一個電子平面鏡。

5在某些情況下，樣品制備變成重要的考慮因素。

若要檢測觀察弱反差機理，就必須消除強反差機理（例如，形貌反差），否則很難檢測到弱的反差。當希望EBSD背散射電子衍射反差，I和II型磁反差或其他弱反差機理時，磁性材料的磁疇特性必需消除樣品的形貌。采用化學拋光，電解拋光等，產生一個幾乎消除形貌的鏡面。

特殊情況:磁性材料，必須退磁。

2

掃描電鏡樣品的制備

1塊狀樣品的制備

對于塊狀導電樣品，基本上不需要進行什么制備，只要其大小適合電鏡樣品底座尺寸大小，即可直接用導電膠帶把樣品黏結在樣品底座上，放到掃描電鏡中觀察，為防止假象的存在，在放試樣前應先將試樣用丙酮或酒精等進行清洗，必要時用超聲波清洗器進行清洗。對于塊狀的非導電樣品或導電性較差的樣品，要先進行鍍膜處理，否則，樣品的表面會在高強度電子束作用下產生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發射的二次電子運動軌跡，使圖像質量下降，因此這類樣品要在觀察前進行噴鍍導電層的處理，在材料表面形成一層導電膜，避免樣品表面的電荷積累，提高圖象質量，并可防止樣品的熱損傷。

2粉末樣品的制備

對于導電的粉末樣品，應先將導電膠帶黏結在樣品座上，再均勻地把粉末樣撒在上面，用洗耳球吹去未黏住的粉末，即可用電鏡觀察。對不導電或導電性能差的，要再鍍上一層導電膜，方可用電鏡觀察。為了加快測試速度，一個樣品座上可以同時制備多個樣品，但在用洗耳球吹未黏住的粉末時，應注意不要樣品之間相互污染。

對于粉末樣品的制備應注意以下幾點:

A、盡可能不要擠壓樣品，以保持其自然形貌狀態。B、特細且量少的樣品，可以放于乙醇或者合適的溶劑中用超聲波分散一下，再用毛細管滴加到樣品臺上的導電膠帶上(也可用牙簽點一滴到樣品臺上)，晾干或強光下烘干即開。

C、粉末樣品的厚度要均勻，表面要平整，且量

不要太多，1g左右即可，否則容易導致粉末在觀察時剝離表面，或者容易造成噴金的樣品的底層部分導電性能不佳，致使觀察效果的對比度差。

3半導體材料

一般的制備樣品方法都適合。但有些特殊的反差機制，如電壓反差，電子通道反差, 感生電流，樣品電流等，半導體材料需要特殊的制備。

4金屬和陶瓷樣品

1）、形貌觀察

徹底的去除油污以避免碳氫化合物的污染。超聲波清洗機：溶劑為 丙酮、乙醇、甲苯等。溶劑不危害樣品表面形貌完整性是非常重要的。

確定樣品污染方法：在很高的放大倍數下觀察樣品，然后降低放大倍數（掃描電鏡為齊焦系統，高倍聚焦清楚，在低的倍數下不離焦），如果有污染，在低倍會觀察到原來高倍的掃描區域有明顯黑色痕跡。污染物沉積的速率和電子束照射區域的劑量有關，由于越高的放大倍數，相同掃描時間內樣品單位面積電子束照射劑量越大。

絕緣樣品需要噴鍍導電膜：真空蒸發鍍膜技術和離子濺射鍍膜技術。實現導電，導熱，很大程度上增加二次電子發率。

1、導電率：

電阻率高的材料，在電子束入射下會迅速充電，而且形成相當高的電位，使樣品某個區域絕緣擊穿，導致樣品表面電位發生變化，產生復雜的圖像假象，所謂充電效應。表現為，低能二次電子被偏轉或者加速，在裂縫中，二次電子發射增加；嚴重的還會干擾物鏡磁場，引起象散不穩定，亮度不均勻，和雜散的X射線信號；使得系統分辨率下降，分析能力下降。

2、減少熱損傷：

在正常觀察圖像時，電子探針的束流通常為nA級，所以對于大多數樣品，受熱不是問題。但對于陰極熒光，x射線顯微分析，探針電流往往是幾百nA甚至μA級別，熱效應較為嚴重。樣品過渡受熱會表現為圖像掃描區域移動，不穩定，還可能會破裂損壞。---電子束損傷。表現為，樣品起泡，龜裂，內部出現孔洞，較高的束流引起，塑料，聚合物，生物樣品中的有機材料迅速分解，甚至造成大量元素損失。

3、二次電子和背散射電子發射：

絕緣樣品鍍一層10nm厚的Au層，能夠提高SE發射率。但對于某些含有堿土的金屬氧化物陶瓷，SE產額反而會減少低很多。
背散射電子觀察，如果鍍上一層重金屬，會掩蓋原子序數反差，因此常常利用一薄層地原子序數導體，蒸碳較為合適，這樣不會大量散射入射電子。

對于高分辨，低能量損失的信號，樣品必需鍍有在分辨率1nm時不會顯現結構的重金屬層，一般推薦，高熔點金屬，鉭或者鎢作為鍍層。

4、提高機械穩定性：

顆粒樣品和脆性的有機材料鍍上一層碳后，可以被牢固的固定在樣品杯上。甚至可以不用膠帶固定，直接蒸鍍碳膜或者濺射金屬膜層，就能很好的固定。

5、未鍍膜的絕緣樣品幾種方法：

1）、低電壓操作--在反射率和二次電子產額等于1之間的電壓下操作，對于鎢燈絲掃描電鏡，電子束亮度相對高電壓會降低幾十倍，而且電子光學系統的像差亦會增大，這需要考慮掃描電鏡的潛能。

而對于場發射掃描電鏡來說，在低加速電壓下，也可以獲得好的分辨率；在樣品表面增加離子，中和表面累積電荷，可采用低真空樣品室，獲得等離子氣體；含水樣品可以采用冷凍臺，直接觀察，有賴于樣品中的水分有足夠的電導率。

2）、成分像或者原子序數反差：

當我們需要研究弱反差機制（兩個相之間的平均原子序數相差很?。┑臅r候，必需消除樣品形貌的反差影響。對樣品進行拋光。

3）、WDS化學元素顯微定量分析：需要非常光滑的表面，機械拋光，電解拋光，化學處理等等。

4）、冶金金相顯微結構：機械拋光，腐蝕。

5）、斷口顯微分析：采用低速金剛石鋸，或者線切割取樣，對材料產生最小的熱量和機械損傷。

一般把樣品用螺絲固定在樣品托上，或者用雙面導電膠帶粘在樣品托上。對于用環氧樹脂或者膠木鑲嵌的樣品，必須保證樣品能很好的導電和接地。

5地質樣品

地質礦物樣品是典型的非導電樣品，噴鍍導電膜是必要的。也可以使用低加速電壓模式，或者環境掃描電鏡。

6電子材料和器件

直接觀察一般都是令人滿意的。采用低加速電壓模式效果更好。當然也需要噴鍍情況要，高加速電壓的高分辨模式觀察。

X射線能譜分析，往往比較難做。因為其特征往往很薄小于1微米，必需選擇合適的加速電壓，否則得不到好結果。

7黏土，沙子，土壤

樣品制備需要從兩個方面考慮

有機成分

無機成分

只有環境掃描電鏡才可以直接觀察兩種成分。

其他的掃描電子顯微鏡分析系統都需要對樣品進行干燥。干燥方法如下：

·烘箱干燥
·空氣自然干燥
·真空干燥
·置換干燥，
·冷凍干燥
·臨界點干燥

8顆粒和纖維

特點為大多數非導電樣品，在電鏡觀察時候，往往靜電排斥作用，機械不穩定。所謂樣品漂移！小于1微米的尺度，電子束可能穿透樣品，隨后基底散射產生的信號，將使得圖像反差降低。同時X射線信號會增加基地的成分。

超聲波振蕩分散：一定量樣品放入分散劑中進行分散，分散劑中往往加入表面活性劑。

樹脂分散：把顆粒樣品鑲嵌在樹脂中。

用碳導電膠帶，直接沾一些顆?；蛘呃w維。絕緣的樣品噴鍍導電膜。

9生物樣品

掃描電子顯微鏡樣品的制備，必須滿足以下要求：①保持完好的組織和細胞形態；③充分暴露要觀察的部位；③良好的導電性和較高的二次電子產額；④保持充分干燥的狀態。

某些含水量低且不易變形的生物材料，可以不經固定和干燥而在較低加速電壓下直接觀察，如動物毛發、昆蟲、植物種子、花粉等，但圖象質量差，而且觀察和拍攝照片時須盡可能迅速。對大多數的生物材料，則應首先采用化學或物理方法固定、脫水和干燥，然后噴鍍碳與金屬以提高材料的導電性和二次電子產額。

化學方法制備樣品

化學方法制備樣品的程序通常是：清洗、化學固定、干燥、噴鍍金屬。

1、清洗：某些生物材料表面常附血液、細胞碎片、消化道內的食物殘渣、細菌、淋巴液及粘液等異物，掩蓋著要觀察的部位，因而，需要在固定之前用生理鹽水或等滲緩沖液等把附著物清洗干凈。亦可用5%碳酸鈉沖洗或酶消化法去除這些異物。

2、固定：通常采用醛類(主要是戊二醛和多聚甲醛)與四氧化鋨雙固定，也可用四氧化鋨單固定。四氧化鋨固定不僅可良好地保存組織細胞結構，而且能增加材料的導電性和二次電子產額，提高掃描電子顯微圖象的質量。這對高分辨掃描電子顯微術是極端重要的。為增強這種效果，可用四氧化鋨-單寧酸或是四氧化鋨-珠叉二胼等反復處理材料，使其結合更多的重金屬鋨，這就是導電染色。

3、干燥：固定后通常采用臨界點干燥法。其原理是：適當選擇溫度和壓力，使液體達到臨界狀態(液態和氣相間界面消失)，從而避免在干燥過程中由水的表面張力所造成的樣品變形。對含水生物材料直接進行臨界點干燥時，水的臨界溫度和壓力不能過高(37.4℃，218帕)。通常用乙醇或丙酮等使材料脫水，再用一種中間介質，如醋酸戊酯，置換脫水劑，然后在臨界點干燥器中用液體或固體二氧化碳、氟利昂13以及一氧化二氮等置換劑置換中間介質，進行臨界干燥。

4、噴鍍金屬：將干燥的樣品用導電性好的粘合劑或其他粘合劑粘在金屬樣品臺上，然后放在真空蒸發器中噴鍍一層50～300埃厚的金屬膜，以提高樣品的導電性和二次電子產額，改善圖象質量，并且防止樣品受熱和輻射損傷。如果采用離子濺射鍍膜機噴鍍金屬，可獲得均勻的細顆粒薄金屬鍍層，提高掃描電子圖象的質量。

冷凍方法制備樣品

低溫掃描電子顯微術是20世紀80年代迅速發展和廣泛應用的方法。它包括生物樣品的冷凍固定、冷凍干燥、冷凍割斷和冷凍含水樣品的掃描電子顯微術等。

1、冷凍固定：將生物材料投入低溫的致冷劑中，如液氦、液氮、液體氟利昂及丙烷等?？焖倮鋬隹墒股锝M織細胞的結構和化學組成接近于生活狀態。被冷凍固定的生物樣品，可以在低溫條件下轉移到具有低溫樣品臺的掃描電子顯微鏡中直接觀察無需進一步處理或僅在冷凍樣品表面噴鍍一薄層金屬。這種方法不僅快速簡便，而且可以排除由于干燥法造成收縮的假象，特別適合于研究含水量很高的生物材料。

2、冷凍干燥：生物樣品經冷凍固定后，其中的水分凍結成冰，表面張力消失；再將冷凍樣品放于真空中，使冰漸漸升華為水蒸氣。這樣獲得的干燥樣品在一定程度上避免了表面張力造成的形態改變。

3

樣品導電膜的制備技術

1理想膜層的特點

·良好的導熱和導電性能。

·在3-4nm分辨率尺度內不顯示其幾何形貌特點，避免引入不必要的人為圖像。

·不管樣品的表面形貌如何，覆蓋在所有部位的膜層需要薄厚均勻。

·膜層對樣品明顯的化學成分產生干擾，也不顯著的改變從樣品中發射的X射線強度。

·這層膜主要增加樣品表面的導電性能和導熱性能，導電金屬膜層的厚度普遍電位在1-10nm。

2導電膜制備技術

在樣品表面形成薄膜有多種方法，對于掃描電鏡和X射線顯微分析，只有熱蒸發和離子濺射鍍膜最實用。

蒸發鍍膜：許多金屬和無機絕緣體在真空中被某種方法加熱，當溫升足夠高蒸發氣壓達到1.3Pa以上時，就會迅速蒸發為單原子。

1加熱方法

1）、電阻加熱法：電流加熱一個難熔材料，鎢絲，鉬絲，鉭絲或者某種金屬氧化物制成的容器。

2）、電弧法加熱：在兩個電極之間，拉出電弧，導體表面則迅速蒸發，用于蒸發高熔點金屬。

3）、電子束加熱法：金屬蒸發材料如鎢 、鉭、鉬等，作為陽極，被2-3kev的電子束輻射，這個電子束流一般要mA級別。由于電子束加熱法，溫度最高的地方為靶材表面，所以效率最高，另外金屬材料蒸發沉積下的顆粒很細小。電子槍加熱也可以蒸發熔點相對較低的Cr和Pt。

2高真空蒸發

機械泵+擴散泵（渦輪分子泵）

3低真空蒸發

為避免氧化，用氬氣保護。

1、蒸碳

把碳棒或者碳繩鏈接在兩個電極上，為了避免碳在空氣中加熱燃燒，使其在高真空中通入交流電或者在低真空1Pa時用氬氣保護。碳棒或者碳繩這時候相當于白熾燈的燈絲?！盁艚z”的溫度隨著交流電壓的加大而升高。當達到3000°c以上，開始白熾發光的時候，大量的碳原子從"燈絲"表面向任意方向發射。把樣品放在燈絲附近，在樣品表面可以形成致密的碳膜。為了使得樣品不至于被高溫灼燒，可以調節工作距離。另外蒸碳的時間非常短，可以在瞬間完成。

2、蒸發金屬：一般用鎢絲籃作為電阻加熱裝置，把小于1毫米以下的金屬絲纏繞在在其表面。就像在白熾燈燈絲上，或者電爐的加熱絲上加上需要蒸發的金屬；也有用加熱坩堝，蒸發金屬粉末。

優點：可提供碳和多種金屬的鍍層，鍍層精細均勻，適合非常粗糙的樣品，高分辨研究。可以噴碳（碳棒或碳繩），有利于對樣品中非碳元素的能譜分析。非導電樣品觀察背散射電子圖像，進行EBSD分析，也應該噴碳處理。

缺點：這種方法容易對樣品產生污染，蒸發溫度過高（例如碳的蒸發溫度為3500K)，會損傷熱敏感材料。

真空蒸發鍍層厚度可以通過下面公式進行估算:

T = 3/ 4 (M/ 4πR2ρ) cosθ× 10-7 （式中2和-7為指數 ）
其中: T ( nm) 為蒸鍍層的厚度;M( g) 為蒸發材料的總質量; ρ( g/ cm3 ) 為蒸發材料的密度; R( cm) 為蒸發源到試樣的距離; θ( 度) 為樣品表面法線與蒸發方面的夾角。

4離子濺射鍍膜

高能離子或者中性原子撞擊某個靶材表面，把動量釋放給幾個納米范圍內的原子，碰撞時某些靶材原子得到足夠的能量斷開與周圍原子的結合健，并且被移位。如果撞擊原子的力量足夠，就能把表面原子濺射出靶材。

離子濺射的類型：

1）、離子束濺射：氬氣態離子槍，發射的離子，被加速到1-30kev，經過準直器或一個簡單的電子透鏡系統，聚焦形成撞擊靶材的離子束。高能離子撞擊靶材原子，原子以0-100ev的能量發射，這些原子沉積到樣品與靶材有視線的范圍內的所有表面?？梢詫崿F1.0nm分辨率鍍膜。

2）、二極直流濺射：是最簡單的一種。1-3kev

3）、冷二極濺射：將二極直流濺射改進，用幾個裝置保持樣品在整個鍍膜過程中都是冷態。克服二極濺射的熱損傷問題。采用環形靶材代替盤形靶；在中間增加一個永磁鐵，并且在靶的周圍加上環形極靴，偏轉轟擊在樣品表面的電子。如果用一個小的帕爾貼效應的低溫臺，可以實現融點在30攝氏度的樣品鍍膜。

以下四個因素影響濺射效率：

電壓：激發充入氣體的電離，以及決定離子的能量。
離子流：和氣體的壓力有關，決定濺射的速率
靶的材質：材料的結合能，對等離子對靶材的侵蝕有重大影響。(Au & Pd 濺射速度高于W）
充入的氣體:充入氣體的原子序數越高，濺射速率越高。

離子濺射原理

直流冷陰極二極管式，靶材處于常溫，加負高壓1-3kv，陽極接地。當接通高壓，陰極發射電子，電子能量增加到1-3kev，轟擊低真空中（3-10pA)的氣體，使其電離，激發出的電子在電場中被加速，繼續轟擊氣體，產生聯級電離，形成等離子體。離子以1-3kev的能量轟擊陰極靶，當其能量高于靶材原子的結合能時，靶材原子或者原子簇，脫離靶材，又經過與等離子體中的殘余氣體碰撞，因此方向各異，當落在樣品表面時，可以在粗糙的樣品表面形成厚度均一的金屬薄膜，而且與樣品的結合強度高。如果工作室中的氣體持續流動，保持恒定壓力，這時的離子流保持恒定。高壓的功率決定了最大離子流，一般有最大離子流限制，用于保護高壓電源。

濺射鍍膜厚度經驗公式：
D=KIVt
D--鍍膜厚度 單位 埃 0.1nm
K--為常數，與靶材、充入氣體和工作距離有關， 當工作距離（靶材與樣品的距離）為50mm，黃金靶，氣體為氬氣時，K=0.17; 氣體為空氣時，K=0.07
I--離子流 單位mA
V--陰極（靶）高壓 單位 KV
t--濺射時間 單位秒。

離子濺射儀操作：

一般工作距離可調，距離越近，濺射速度越快，但熱損傷會增加。離子流的大小通過控制真空壓力實現，真空度越低，I越大，濺射速度越快，原子結晶晶粒越粗，電子轟擊樣品（陽極）產生的熱量越高；真空度越高,I越小，濺射速度越慢，原子結晶晶粒越細小，電子轟擊樣品產生的熱量小。加速電壓為固定,也有可調的，加速電壓越高，對樣品熱損傷越大。一般使用金屬靶材的正比區域。有些熱敏樣品，需要對樣品區進行冷卻，水冷或者帕爾貼冷卻；也可以采用磁控裝置，像電磁透鏡一樣把電子偏離樣品。經過這樣的改造，當然會增加很高的成本?？梢栽谑灡砻鏋R射一層金屬，而沒有任何損傷！

真空中的雜質越多，鍍膜質量越差。一般黃金比較穩定，可以采用空氣作為等離子氣源，而其他很多靶材則需要惰性氣體為好。氣體原子序數越高，動量越大，濺射越快，但晶粒會較粗，連續成膜的膜層較厚。保持真空室的潔凈對高質量的鍍膜有很大好處。不要讓機械真空泵長期保持極限真空，否則容易反油。

審核編輯 ：李倩