泽攸科普——扫描电子显微镜(SEM)样品制备技术综述


发布时间:

2024-03-07

由于SEM的工作原理决定了其对样品的特殊要求,因此合理有效的样品制备对于获取高质量的数据至关重要

扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope SEM)作为一种功能强大的表征手段,在材料科学、生物医学、地质矿物学等诸多领域发挥着不可或缺的作用。它利用聚焦的电子束在样品表面扫描,通过检测发射出的各种信号来获取样品的形貌、组成等信息。然而,由于SEM的工作原理决定了其对样品的特殊要求,因此合理有效的样品制备对于获取高质量的数据至关重要。本文将系统阐述SEM样品制备的重要性及其所面临的挑战,并介绍常见样品制备方法及注意事项。

一、SEM样品制备的重要性

1. 满足真空环境要求

SEM的工作环境为高真空,这对样品施加了严格的要求。首先,样品必须能够耐受高真空环境而不发生形貌改变。其次,样品表面不能存在油污等有机污染物,否则将污染真空系统并影响成像质量。再者,样品必须处于干燥状态,因为残留水分会加速电子枪阴极材料的挥发,并散射电子束导致分辨率下降。

2. 提供足够的电子信号

SEM成像和分析主要依赖于二次电子(Secondary Electron SE)和背散射电子(Backscattered Electron BSE)信号。因此,样品表面必须具备一定的导电性,以避免发生电荷积累导致图像畸变。对于非导电样品,需要对其表面进行导电处理,例如涂覆金属或碳膜。同时,适当提高样品表面的二次电子发射率有助于提高成像质量。

3. 满足特殊分析需求

有时需要观察样品内部微观结构,例如断口、相界面等,这就需要对样品进行特殊处理以暴露感兴趣的区域。当关注弱反差机理(如磁性、电压对比等)时,则需要消除形貌对比的影响。因此,不同分析需求对样品制备提出了不同要求。

二、样品制备面临的挑战

尽管SEM样品制备的重要性不言而喻,但实际操作过程中仍面临诸多挑战,主要体现在以下几个方面:

1. 样品形态及性质的多样性

不同类型的样品在形态和性质上存在巨大差异,如金属、陶瓷、聚合物、生物样品等。这就要求样品制备方法具有很强的针对性和选择性,以避免对样品造成不必要的破坏。

2. 样品尺寸和形貌的限制

许多样品尺寸过大或形貌过于复杂,难以直接放入SEM样品舱中观察。这就需要对样品进行截取或修整,使其符合尺寸和形貌要求。但这一过程可能会破坏样品的原有状态,引入制备伪像。

3. 热、辐射及机械损伤

在制备和观察过程中,高能电子束、真空条件、机械抛光等都可能对样品(特别是热敏感材料)造成不同程度的损伤,改变其原有结构和组成。因此,必须格外小心谨慎。

4. 制备效率及成本问题

对于大批量样品或对制备要求较高的样品,传统手工制备方式往往效率低下且成本昂贵。如何实现高通量、自动化的制备工艺是一大挑战。

三、常见样品制备方法及注意事项

基于上述挑战,研究人员发展了多种样品制备方法来满足不同类型样品的需求。下面将介绍一些常见的方法及其注意事项:

1. 块状导电样品制备

对于块状导电样品,通常只需将其固定在导电台面上即可直接放入SEM观察。建议在固定前用有机溶剂(如丙酮、乙醇等)清洗样品表面,以去除可能存在的有机污染物。

2. 非导电样品的导电处理

对于非导电或导电性较差的样品,需要在观察前进行喷镀或溅射导电层(如金属或碳膜)处理,以防止样品表面电荷积累,提高图像质量。常用方法包括真空蒸发镀膜和离子溅射镀膜等。

值得注意的是,镀膜厚度及均匀性对成像质量有重要影响。过厚会掩盖样品细微结构,过薄则无法起到导电作用。通常镀层厚度控制在1-10纳米较为合适。对于需要进行成分分析的情况,推荐使用碳膜以避免金属膜引入干扰。

3. 粉体及纤维样品制备

对于这类颗粒状或纤维状样品,由于自身尺寸较小且非导电性,存在静电排斥和机械不稳定等问题。常见的制备方法包括:

(1) 在导电台面或导电胶带上撒布均匀的样品层;

(2) 利用乙醇等溶剂将样品分散,再将分散液滴加到台面上;

(3) 将样品镶嵌在导电树脂或环氧树脂中切片观察。

无论采用何种方法,都需要保证样品在台面上的分布均匀性,并对其进行导电处理。

4. 生物样品制备

生物样品制备的关键在于:1)保持完好的组织和细胞形态;2)暴露观察部位;3)赋予样品良好的导电性和电子发射率;4)样品充分干燥。常见的化学固定方法包括:

(1) 醛类固定(如戊二醛、多聚甲醛)结合四氧化锇处理,可保存组织细胞结构并提高导电性;

(2) 临界点干燥,避免样品在干燥过程中发生变形;

(3) 喷镀金属膜,通常厚度为50-300埃,以进一步提高导电性。

除此之外,近年来兴起的冷冻制样技术(如冷冻固定、冷冻干燥等)也为观察含水生物样品提供了新途径,不过其设备要求较高,操作也相对复杂。

5. 特殊样品的特殊制备

有些特殊情况下,需要采取相应的样品制备策略。例如:

(1) 当需要观察磁性材料的磁畴结构时,必须进行化学抛光或电解抛光以消除形貌影响;  

(2) 对于希望观察断口微观形貌的样品,可采用低速切割取样以减小机械损伤;

(3) 半导体器件往往对加速电压、束流剂量有特殊要求,需要格外注意。

总之,不同类型样品的特殊性决定了其制备方法的多样性和复杂性,需要根据具体情况制定合理可行的制备策略。

扫描电子显微镜的广泛应用离不开高质量样品的有效制备。合理设计的制备流程不仅能够满足样品的基本要求,更能针对不同类型样品的特性进行优化,从而获取理想的成像和分析结果。随着新型材料和新兴领域的不断发展,SEM样品制备方法也将不断创新,为人类探索微观世界提供坚实的基础支撑。

 

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安徽泽攸科技有限公司是一家具有完全自主知识产权的科学仪器公司, 自20世纪90年代开始投入电镜及相关附件研发以来,研发团队一直致力于为纳米科学研究提供优秀的仪器。目前,公司有包括PicoFemto系列原位TEM测量系统原位SEM测量系统ZEM系列台式扫描电镜JS系列台阶仪纳米位移台二维材料转移台探针台及低温系统光栅尺等在内的多个产品线,在国内外均获得了高度关注,填补了国家在科学精密仪器领域的诸多空白。