扫描电镜如何获得满意的图像之加速电压

扫描电镜如何获得满意的图像之加速电压

扫描电子显微镜（SEM）的参数设置是获得高质量图像的关键。其中，加速电压作为最重要的设置参数之一，直接影响图像的分辨率、信噪比、景深以及各种信号类型的比例。本文将从多个角度详细阐述加速电压如何影响SEM成像，并提供具体的使用建议。

成像、信号和参数的关系

在SEM成像中，各要素间的关系错综复杂。为了获得满意的图像，设置参数和探测器的选择至关重要。在开始之前，需要明确观察目的或侧重点，例如分辨率、信噪比、景深、衬度类型以及是否需要进行能谱分析等。对于新手而言，建议首先满足图片的信噪比，可以设置中等加速电压（5-15kV）和大束流的参数。

需要注意的是，很多选择需要根据多个参数进行优化，因此不能只关注单一参数，而要理解它们之间的辩证统一关系。

加速电压的影响

加速电压决定了电子束的动能大小，是SEM中最关键的设置参数之一。其影响主要体现在以下几个方面：

1. 电子光学角度：加速电压决定了电子束的亮度以及亮度方程中其他参数的关系，也影响色差和最小束斑的大小。
2. 电子与样品相互作用：加速电压决定了电子束在样品中的作用深度，影响各种信号类型的比例，以及荷电等假象的产生。
3. 图像质量：加速电压直接影响信噪比和衬度的可见性。
4. 能谱分析：加速电压影响过压比、空间分辨率和峰背比等参数。
5. EBSD分析：加速电压影响空间分辨率、磷屏效率和花样质量等。

对于不同类型的SEM，加速电压的适用范围也有所不同。钨灯丝电镜通常需要较高的加速电压以获得足够的电子光学亮度，而场发射电镜则得益于更高的电子光学亮度和对低加速电压的优化，适用的加速电压范围更广。

加速电压的选择策略

选择合适的加速电压需要综合考虑以下几个因素：

1. 样品的导电性：导电样品对加速电压的要求不严格；不导电且不宜镀膜的样品应使用低加速电压；导体上的不导电纳米材料可以尝试稍高加速电压。

2. 观察目的和侧重方向：

• 需要高分辨率时，导电样品可使用15kV左右的中等加速电压；薄样品或分散于薄样品上的颗粒可使用30kV的高加速电压；不导电样品需要高分辨时，应选择低电压加低工作距离。
• 观察表面细节时，低加速电压可以避免较大电子束作用区的影响；需要了解深层信息时，可适当提高加速电压。
• 样品表面存在污染时，低加速电压对污染更为敏感，而高加速电压下污染不明显；测量尺寸时，中高加速电压下边缘亮度可能造成细节损失，此时低加速电压更为合适。

3. 信号类型和衬度：

• 关心成分衬度时，在低加速电压下某些元素的衬度可能不随元素单调变化，此时可使用中等加速电压。
• 电位衬度在表面干净无污染时，低加速电压效果较好。
• 取向衬度在新鲜表面（如离子研磨或FIB加工）时，低电压下衬度更为明显；表面有氧化层时，需要增加加速电压。

4. 能谱分析和EBSD表征：通常偏向较高的加速电压。

下图总结了不同加速电压对成像影响的评价（红色为不利，橙色为有利）：

加速电压的选择需要根据使用目的和样品情况，利用有利的因素，补偿不利的因素，合理设置相关的条件以获得满意的图像。