如何获取导电不良样品的高质量SEM图

2024-07-11 10:12:43, 创新研究中心北京欧波同光学技术有限公司

扫描电镜的使用者都不愿意遇到的一大类试样就是导电不良的样品，比如聚合物薄膜、玻璃、陶瓷等，由于这些试样电导率都较低，尤其是玻璃，甚至低于10^-10S/m，由此带来的荷电效应问题，使得我们想要得到一张高质量的SEM图难度较大，今天我们就来聊一聊如何解决此类问题。

“镀金”并非最佳选择

首先，进入大部分用户脑海的肯定是“镀金”一词，即采用离子溅射仪在试样表面镀上一层薄薄的金属膜，改善导电性，但其中的问题是Pt/Au颗粒尺寸一般是纳米级，如Pt颗粒尺寸一般是2~3nm，但是由于真空度的影响，在较低的真空下，这些纳米颗粒趋于团聚，往往会形成几百纳米大小的岛状结构。

图1 （a）未镀金的光刻胶（b）镀金后的光刻胶

如图1所示，玻璃上的光刻胶镀金后，5万倍的SEM图中，Pt团聚颗粒便清晰可见，对试样表面的本征形貌的表征造成假象，因此这一方案无法用于高倍SEM成像，只适合获取低倍的SEM图。

Apreo2给出完美解决方案

那么如何在不镀金的基础上获取高质量的SEM呢？赛默飞扫描电镜Apreo2给出方案是低电压（不高于5kV）成像。

如图2和表1所示，当加速电压降低时，入射电子与试样的相互作用范围减小，即散射范围缩小，如15keV的电子束的散射范围近1μm，大于很多纳米颗粒或片层尺寸，因此为了获取此类纳米级特征，必须将加速电压降低，从而获取试样浅表面的形貌特征。

图2 不同加速电压的电子束与试样相互作用范围的示意图

表1 不同能量的入射电子束在试样中的散射范围

当然，加速电压降低后，入射电子束能量降低，透镜的色差会增加，色差扩散弥散斑直径增加，而且低加速电压下的电子束的波长增加，根据Abbe公式最终导致图像的分辨率下降。

针对这一问题，Apreo 2的解决方案是配备样品台减速功能，即在样品台上加一个反向减速电场，使得离开镜筒的电子束被减速，如电子束初始加速电压为5kV，在样品台上施加4kV的减速电压，着陆到样品上的加速电压即为1kV，既保持了高电压的电子束亮度和信噪比，减小了色差，也减小了电子束的扩展范围，提高了显微分析的空间分辨率。

图3 不同加速电压下的无水磷酸铁的SEM图

如图3所示，降低加速电压至1kV后，搭配减速模式，清楚获取到了无水磷酸铁的纳米片层结构。

Apreo 2系列电镜还配备了YAG材质的T1背散射探测器。此类材质的探测器灵敏度极高，可获取低电压下的成分衬度像，如图4为表面负载碳的NCM颗粒的T1像，通过原子序数的差异清晰显示了用于改善NCM导电性的碳包覆物的分布情况。

图4 锂电池三元正极材料NCM

图5 锂电池干法隔膜

当然，开启Apreo 2中的样品台减速功能后，T1探测器也可以获取试样的形貌像，如图5所示，在200V的低电压下，开启减速模式后，T1探测器获取形貌信息，清晰呈现干法隔膜表面的纹路结构。

Apreo 2还在镜筒内配备了T2二次电子探测器，其也为YAG材质，灵敏度自然极高，搭配样品台减速功能，便可以实现低电压下获取浅表面的形貌信息而高分辨成像。

图6 Al₂O₃微球

图7 MnO₂催化剂

如图6所示，10万倍的氧化铝微球的T2像，可清晰观察到表面的多面体结构，图7为30万倍的MnO₂催化剂，其直径小于10nm的纳米棒状结构清晰可见。

超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2

场发射扫描电镜Apreo 2

Apreo 2探测成像系统

Apreo 2在镜筒内配置了超高灵敏度的T1探测器，可实现超低加速电压下的高信噪比成像，非常适合高分子材料、氧化物、陶瓷、玻璃等导电不良的样品的显微分析。同时，Apreo 2还配备了样品台减速功能，其在1kV加速电压下的分辨率高达1.0nm，可轻松分析纳米球、纳米线等纳米尺度的材料。因此，Apreo 2是一款分析导电不良样品的科研神器。