扫描电子显微镜是一种大型的分析仪器,主要功能是用于固态物质的形貌显微分析和对常规成分的微区分析,广泛应用于化工、材料、医药、生物、矿产、司法等领域.由于其价格昂贵及特殊的工作原理,它对样品制备有着较高的要求,样品的制备好坏,直接影响着样品分析是否成功,为此,本文着重介绍一下扫描电子显微镜应用中有关样品制备的相关知识和技术.
1 扫描电子显微镜对样品的要求
(1)样品必须是无毒、无放射性的物质,以保证工作人员的人身安全.
(2)样品可以是块状、片状、纤维状;也可以是颗粒或粉末状,无论是什么样的样品都不能是有机挥发物和含有水分.如果将含有水分的样品放在镜筒内能产生三种严重不良后果:一是当真空达不到要求强行通高压时,其产生的水蒸汽遭遇高能电子流产生电离而放电引起束流大幅度波动,使所成的像模糊,或根本不能成像;二是造成镜筒污染;三是损坏灯丝,当高能电压通过灯丝时,温度高达2000Ο,碰到水蒸汽而氧化变质或熔断,因此,应先烘干样品中的水分.
(3)无论是块状样品,还是粉末颗粒状样品,其化学、物理性质要稳定,在高真空中的电子束照射下,都要能保持成分稳定和形态不变.
(4)表面受到污染的样品,要在不破坏样品表面结构的前提下,进行适当清洗、烘干.
(5)无论是样品的表面,还是样品新断开的断口或断面,一般不需要进行处理,以保持其原始的结构状态.
(6)对磁性样品要预先去磁,以免观察时电子束受到磁场的影响.
(7)粉末样品要适量,不易过多;块状样品大小要适合仪器专用样品底座的尺寸,不能过大.一般小的样品座Φ3～5mm,大的样品座为Φ30～50mm,以分别用来放置不同大小的样品,样品的高度一般限制在5～10mm左右.
2 样品的制备技术
2.1 块状样品的制备
对于块状导电样品,基本上不需要进行什么制备,只要其大小适合电镜样品底座尺寸大小,即可直接用导电胶带把样品黏结在样品底座上,放到扫描电镜中观察,为防止假象的存在,在放试样前应先将试样用丙酮或酒精等进行清洗,必要时用超声波清洗器进行清洗.对于块状的非导电样品或导电性较差的样品,要先进行镀膜处理,否则,样品的表面会在高强度电子束作用下产生电荷堆积,影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹,使图像质量下降,因此这类样品要在观察前进行喷镀导电层的处理,在材料表面形成一层导电膜,避免样品表面的电荷积累,提高图象质量,并可防止样品的热损伤。
2.2 粉末样品的制备
对于导电的粉末样品,应先将导电胶带黏结在样品座上,再均匀地把粉末样撒在上面,用洗耳球吹去未黏住的粉末,即可用电镜观察.对不导电或导电性能差的,要再镀上一层导电膜,方可用电镜观察.为了加快测试速度,一个样品座上可以同时制备多个样品,但在用洗耳球吹未黏住的粉末时,应注意不要样品之间相互污染.
对于粉末样品的制备应注意以下几点:
A、尽可能不要挤压样品,以保持其自然形貌状态.
B、特细且量少的样品,可以放于乙醇或者合适的溶剂中用超声波分散一下,再用毛细管滴加到样品台上的导电胶带上(也可用牙签点一滴到样品台上),晾干或强光下烘干即开.
C、粉末样品的厚度要均匀,表面要平整,且量不要太多,1g左右即可,否则容易导致粉末在观察时剥离表面,或者容易造成喷金的样品的底层部分导电性能不佳,致使观察效果的对比度差.
2.3 镀膜
2.3.1 镀膜的原因
扫描电镜的高能电子束是通过样品表面导电层到金属样品台而流入大地的,而对于非导电样品或导电性能差的样品如塑料、矿物、氧化物等,在电子束作用下会产生电荷堆积,影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹,使图像质量下降.因此,必须对不导电样品或导电性能差的样品进行导电处理,使其成为导电体.所谓的镀膜,即是在高真空的条件下,给样品喷镀一层金离子薄膜,膜的厚度一般在100～200!之间,此膜与样品表面有着完全相同的起伏变化,并不改变样品表面形成的二次电子的产生方向.扫描电镜是以捕获二次电子成像的,由于黄金和白金有很高的二次电子产出率,故一般地选择黄金或白金做镀膜机的靶材,其镀膜厚度一般为20nm左右.
2.3.2 镀膜的方法
镀膜的方法有2种:真空镀膜和离子溅射镀膜.
离子溅射镀膜的原理是:在低气压系统中,气体分子在相隔一定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子,正离子飞向阴极,电子飞向阳极,二电极间形成辉光放电,在辉光放电过程中,具有一定动量的正离子撞击阴极,使阴极表面的原子被逐出,这一过程称为溅射.如果阴极表面为用来镀膜的材料(靶材),需要镀膜的样品放在作为阳极的样品台上,则被正离子轰击而溅射出来的靶材原子沉积在样品上,形成一定厚度的导电镀膜层.
真空镀膜的原理是:在高真空条件下(5×10-6Torr以上),以大电流(低电压)加热蒸发喷涂金属(黄金或白金),使之高速蒸发出的微粒(分子和原子),喷涂到样品的表面上,形成一层厚约100～200!的金离子薄膜,借以导电.
离子溅射镀膜与真空镀膜相比,其主要优点是:
(1)离子溅射镀膜自动化程度高,操作简单,溅射一次只需几分钟,而真空镀膜则要半个小时以上.
(2)离子溅射镀膜可以自由选择溅射时间和电流强度,且消耗贵金属少,每次仅用约几毫克.
(3)对同一种镀膜材料,离子溅射镀膜比真空镀膜的质量好,其形成的膜颗粒更细、更致密、更均匀、附着力更强.
故在电子显微技术中,需要镀膜的情况下,一般选择离子溅射仪进行镀膜.
