掃描電子顯微鏡是一種大型的分析儀器,主要功能是用于固態物質的形貌顯微分析和對常規成分的微區分析,廣泛應用于化工、材料、醫藥、生物、礦產、司法等領域.由于其價格昂貴及特殊的工作原理,它對樣品制備有著較高的要求,樣品的制備好壞,直接影響著樣品分析是否成功,為此,本文著重介紹一下掃描電子顯微鏡應用中有關樣品制備的相關知識和技術.
1 掃描電子顯微鏡對樣品的要求
(1)樣品必須是無毒、無放射性的物質,以保證工作人員的人身安全.
(2)樣品可以是塊狀、片狀、纖維狀;也可以是顆粒或粉末狀,無論是什么樣的樣品都不能是有機揮發物和含有水分.如果將含有水分的樣品放在鏡筒內能產生三種嚴重不良后果:一是當真空達不到要求強行通高壓時,其產生的水蒸汽遭遇高能電子流產生電離而放電引起束流大幅度波動,使所成的像模糊,或根本不能成像;二是造成鏡筒污染;三是損壞燈絲,當高能電壓通過燈絲時,溫度高達2000Ο,碰到水蒸汽而氧化變質或熔斷,因此,應先烘干樣品中的水分.
(3)無論是塊狀樣品,還是粉末顆粒狀樣品,其化學、物理性質要穩定,在高真空中的電子束照射下,都要能保持成分穩定和形態不變.
(4)表面受到污染的樣品,要在不破壞樣品表面結構的前提下,進行適當清洗、烘干.
(5)無論是樣品的表面,還是樣品新斷開的斷口或斷面,一般不需要進行處理,以保持其原始的結構狀態.
(6)對磁性樣品要預先去磁,以免觀察時電子束受到磁場的影響.
(7)粉末樣品要適量,不易過多;塊狀樣品大小要適合儀器專用樣品底座的尺寸,不能過大.一般小的樣品座Φ3～5mm,大的樣品座為Φ30～50mm,以分別用來放置不同大小的樣品,樣品的高度一般限制在5～10mm左右.
2 樣品的制備技術
2.1 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。
2.2 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.
2.3 鍍膜
2.3.1 鍍膜的原因
掃描電鏡的高能電子束是通過樣品表面導電層到金屬樣品臺而流入大地的,而對于非導電樣品或導電性能差的樣品如塑料、礦物、氧化物等,在電子束作用下會產生電荷堆積,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,必須對不導電樣品或導電性能差的樣品進行導電處理,使其成為導電體.所謂的鍍膜,即是在高真空的條件下,給樣品噴鍍一層金離子薄膜,膜的厚度一般在100～200!之間,此膜與樣品表面有著完全相同的起伏變化,并不改變樣品表面形成的二次電子的產生方向.掃描電鏡是以捕獲二次電子成像的,由于黃金和白金有很高的二次電子產出率,故一般地選擇黃金或白金做鍍膜機的靶材,其鍍膜厚度一般為20nm左右.
2.3.2 鍍膜的方法
鍍膜的方法有2種:真空鍍膜和離子濺射鍍膜.
離子濺射鍍膜的原理是:在低氣壓系統中,氣體分子在相隔一定距離的陽極和陰極之間的強電場作用下電離成正離子和電子,正離子飛向陰極,電子飛向陽極,二電極間形成輝光放電,在輝光放電過程中,具有一定動量的正離子撞擊陰極,使陰極表面的原子被逐出,這一過程稱為濺射.如果陰極表面為用來鍍膜的材料(靶材),需要鍍膜的樣品放在作為陽極的樣品臺上,則被正離子轟擊而濺射出來的靶材原子沉積在樣品上,形成一定厚度的導電鍍膜層.
真空鍍膜的原理是:在高真空條件下(5×10-6Torr以上),以大電流(低電壓)加熱蒸發噴涂金屬(黃金或白金),使之高速蒸發出的微粒(分子和原子),噴涂到樣品的表面上,形成一層厚約100～200!的金離子薄膜,借以導電.
離子濺射鍍膜與真空鍍膜相比,其主要優點是:
(1)離子濺射鍍膜自動化程度高,操作簡單,濺射一次只需幾分鐘,而真空鍍膜則要半個小時以上.
(2)離子濺射鍍膜可以自由選擇濺射時間和電流強度,且消耗貴金屬少,每次僅用約幾毫克.
(3)對同一種鍍膜材料,離子濺射鍍膜比真空鍍膜的質量好,其形成的膜顆粒更細、更致密、更均勻、附著力更強.
故在電子顯微技術中,需要鍍膜的情況下,一般選擇離子濺射儀進行鍍膜.
