加速电压对扫描电镜成像的影响

扫描电镜作为科研人必备“神器”，是迄今为止在物质结构研究中能给出的信息多、分辨本领高的大型分析仪器，通过入射电子轰击样品，激发和收集二次电子获得样品表面形貌像，以及通过特征X射线进行样品成分分析。在医学、材料学、生命科学等领域拥有广泛应用。其中，低电压高分辨力扫描电镜凭借快速、高质量、无畸变的大范围成像成为扫描电镜高端化的发展方向。

传统扫描电镜在观察非导电样品时，需要在样品表面镀导电膜，从而对其进行观察，但导电膜会对样品表面形貌造成一定程度的掩盖，造成成像不清晰、偏差大、分析错误。降低电压，进而不通过镀导电膜层直接观察非导电样品，是减缓荷电效应的有效手段之一。但当电压降低到3kV以下后，会导致电子枪的亮度降低、色差增大，原来细聚焦的电子束“探针”的直径就会大幅增加，再一次造成图像分辨率严重降低。因此，低电压的同时具备高分辨力成为扫描电镜亟需突破的一道难题。

在仪器测试使用时，加速电压（HV/ETH）为常用参数中调节最为普遍的一个。那么加速电压是如何影响成像的效果？本文将以常见样品的成像图结合简短的原理与大家共同分享扫描电镜成像中应如何调整加速电压。

加速电压越高，入射电子的能量能越高，在样品中可穿透和散射的范围越大，伴随着产生的信号范围也越大。如下图模拟，入射电子在1kV加速电压时，在硅中散射范围主要在20nm区域内；在5kV时，散射的主要范围扩大到300nm区域，因此5kV时二次电子可产生的范围从入射点扩大到数百纳米。

由于加速电压增加，入射电子散射的范围增加，使得二次电子区域扩大，样品表面细节分辨率降低。如下图，在1kV条件下颗粒表面附着的碳纳米管比5kV条件下更加显著。因此对追求纳米级的表面细节分辨建议选择低电压比较合适。

有些样品易受辐射损伤，如有机高分子，金属有机框架，生物组织等。在实践发现，采用较低的加速电压（如5kV）拍一张图后，原地再拍一张即可，对比前后两张图有没有裂纹、收缩等。如下图，原地再拍一张后的样品前后图明显出现收缩，说明在此加速电压下样品受到了损伤，应当降低入射电子能量。 

加速电压越高，携带能量越高，轰击损伤和热损伤都会增加。因此对于易受辐射损伤的样品建议使用较低电压。如下图，在1kV加速电压下，PMMA球体表面圆润饱满，在2kV球体出现了收缩的凹陷；在1kV下，MOF表面平滑，在2kV条件表面出现收缩。

为避免非导电样品出现荷电影响成像效果，对于此类样品一般会在表面溅射一层几纳米厚的导电薄膜，如C，Au，Pt等，但对于有的样品效果也有限。出现荷电的直接体现为成像时明暗度明显失调或者出现条纹，根本原因在于电子输入和逸出的数量不平衡。如下图所示，在1kV时图像明暗度较均匀，在5kV时存在明显异常亮的荷电影响区域。

加速电压越高，入射电子携带的能量越高，因此轰击到样品产生的二次电子越多，信号越强，信噪比得到提高，成像直观感觉图像更清晰。如下图，5kV加速电压相对1kV成像视觉效果更为清楚。对于微米级的较大颗粒，在不追求表面细节时，提高加速电压有利于提高信噪比，获得成像效果更为清楚的图片。