扫描电子显微镜（SEM）样品制备详解

2019.12.17

一、样品处理的要求

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，参差起伏的材料原始断口。但其劣势为样品必须在真空环境下观察，因此对样品有一些特殊要求,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；碳氢化合物降低了成像信号产量；碳氢化合物吸附在电子束光路引起极大象散；碳氢化合物被吸附在探测器晶体表面，降低探测器效率。对低加速电压的电子束干扰严重。

3、样品必须为干燥。

水蒸气会加速电子枪阴极材料的挥发，从而极大降低灯丝寿命；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。

4、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背散射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，入射电子束减速，此时样品如同一个电子平面镜。

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

特殊情况: 磁性材料，必须退磁。

二、扫描电镜样品的制备

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、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。

3、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，如电压反差，电子通道反差, 感生电流，样品电流等，半导体材料需要特殊的制备。

4、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。

2、减少热损伤：

在正常观察图像时，电子探针的束流通常为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：

1）、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，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。