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(tài)物質(zhì)的形貌顯微分析和對(duì)常規(guī)成分的微區(qū)分析,廣泛應(yīng)用于化工、材料、醫(yī)藥、生物、礦產(chǎn)、司法等領(lǐng)域.由于其價(jià)格昂貴及特殊的工作原理,它對(duì)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(yīng)用中有關(guān)樣品制備的相關(guān)知識(shí)和技術(shù).
1 掃描電子顯微鏡對(duì)樣品的要求
(1)樣品必須是無(wú)毒、無(wú)放射性的物質(zhì),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(wú)論是什么樣的樣品都不能是有機(jī)揮發(fā)物和含有水分.如果將含有水分的樣品放在鏡筒內(nèi)能產(chǎn)生三種嚴(yán)重不良后果:一是當(dāng)真空達(dá)不到要求強(qiáng)行通高壓時(shí),其產(chǎn)生的水蒸汽遭遇高能電子流產(chǎn)生電離而放電引起束流大幅度波動(dòng),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(dāng)高能電壓通過(guò)燈絲時(shí),溫度高達(dá)2000Ο,碰到水蒸汽而氧化變質(zhì)或熔斷,因此,應(yīng)先烘干樣品中的水分.
(3)無(wú)論是塊狀樣品,還是粉末顆粒狀樣品,其化學(xué)、物理性質(zhì)要穩(wěn)定,在高真空中的電子束照射下,都要能保持成分穩(wěn)定和形態(tài)不變.
(4)表面受到污染的樣品,要在不破壞樣品表面結(jié)構(gòu)的前提下,進(jìn)行適當(dāng)清洗、烘干.
(5)無(wú)論是樣品的表面,還是樣品新斷開(kāi)的斷口或斷面,一般不需要進(jìn)行處理,以保持其原始的結(jié)構(gòu)狀態(tài).
(6)對(duì)磁性樣品要預(yù)先去磁,以免觀察時(shí)電子束受到磁場(chǎng)的影響.
(7)粉末樣品要適量,不易過(guò)多;塊狀樣品大小要適合儀器專用樣品底座的尺寸,不能過(guò)大.一般小的樣品座Φ3～5mm,大的樣品座為Φ30～50mm,以分別用來(lái)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(shù)
2.1 塊狀樣品的制備
對(duì)于塊狀導(dǎo)電樣品,基本上不需要進(jìn)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(dǎo)電膠帶把樣品黏結(jié)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(yīng)先將試樣用丙酮或酒精等進(jìn)行清洗,必要時(shí)用超聲波清洗器進(jìn)行清洗.對(duì)于塊狀的非導(dǎo)電樣品或?qū)щ娦暂^差的樣品,要先進(jìn)行鍍膜處理,否則,樣品的表面會(huì)在高強(qiáng)度電子束作用下產(chǎn)生電荷堆積,影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡,使圖像質(zhì)量下降,因此這類樣品要在觀察前進(jìn)行噴鍍導(dǎo)電層的處理,在材料表面形成一層導(dǎo)電膜,避免樣品表面的電荷積累,提高圖象質(zhì)量,并可防止樣品的熱損傷。
2.2 粉末樣品的制備
對(duì)于導(dǎo)電的粉末樣品,應(yīng)先將導(dǎo)電膠帶黏結(jié)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(duì)不導(dǎo)電或?qū)щ娦阅懿畹?要再鍍上一層導(dǎo)電膜,方可用電鏡觀察.為了加快測(cè)試速度,一個(gè)樣品座上可以同時(shí)制備多個(gè)樣品,但在用洗耳球吹未黏住的粉末時(shí),應(yīng)注意不要樣品之間相互污染.
對(duì)于粉末樣品的制備應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
A、盡可能不要擠壓樣品,以保持其自然形貌狀態(tài).
B、特細(xì)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(xì)管滴加到樣品臺(tái)上的導(dǎo)電膠帶上(也可用牙簽點(diǎn)一滴到樣品臺(tái)上),晾干或強(qiáng)光下烘干即開(kāi).
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(dǎo)致粉末在觀察時(shí)剝離表面,或者容易造成噴金的樣品的底層部分導(dǎo)電性能不佳,致使觀察效果的對(duì)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(guò)樣品表面導(dǎo)電層到金屬樣品臺(tái)而流入大地的,而對(duì)于非導(dǎo)電樣品或?qū)щ娦阅懿畹臉悠啡缢芰?、礦物、氧化物等,在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電荷堆積,影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡,使圖像質(zhì)量下降.因此,必須對(duì)不導(dǎo)電樣品或?qū)щ娦阅懿畹臉悠愤M(jìn)行導(dǎo)電處理,使其成為導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)出率,故一般地選擇黃金或白金做鍍膜機(jī)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(tǒng)中,氣體分子在相隔一定距離的陽(yáng)極和陰極之間的強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離成正離子和電子,正離子飛向陰極,電子飛向陽(yáng)極,二電極間形成輝光放電,在輝光放電過(guò)程中,具有一定動(dòng)量的正離子撞擊陰極,使陰極表面的原子被逐出,這一過(guò)程稱為濺射.如果陰極表面為用來(lái)鍍膜的材料(靶材),需要鍍膜的樣品放在作為陽(yáng)極的樣品臺(tái)上,則被正離子轟擊而濺射出來(lái)的靶材原子沉積在樣品上,形成一定厚度的導(dǎo)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(fā)噴涂金屬(黃金或白金),使之高速蒸發(fā)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(dǎo)電.
離子濺射鍍膜與真空鍍膜相比,其主要優(yōu)點(diǎn)是:
(1)離子濺射鍍膜自動(dòng)化程度高,操作簡(jiǎn)單,濺射一次只需幾分鐘,而真空鍍膜則要半個(gè)小時(shí)以上.
(2)離子濺射鍍膜可以自由選擇濺射時(shí)間和電流強(qiáng)度,且消耗貴金屬少,每次僅用約幾毫克.
(3)對(duì)同一種鍍膜材料,離子濺射鍍膜比真空鍍膜的質(zhì)量好,其形成的膜顆粒更細(xì)、更致密、更均勻、附著力更強(qiáng).
故在電子顯微技術(shù)中,需要鍍膜的情況下,一般選擇離子濺射儀進(jìn)行鍍膜.
