SEM扫描电镜参数调整指南：如何拍出高质量图片？

SEM扫描电镜参数调整指南：如何拍出高质量图片？

扫描电子显微镜（SEM）是材料科学、生物学等领域的重要研究工具。要获得高质量的SEM图像，除了操作经验和样品制备外，还需要对SEM的参数进行精细调整。本文将详细介绍SEM扫描电镜参数调整的关键要素，包括加速电压、光阑、束斑尺寸、工作距离和图像衬度与亮度等，帮助用户优化成像效果。

为什么要调整SEM扫描电镜参数？

优化SEM图像质量需要调整多个关键参数：

1. 优化图像质量：通过调整参数，可以获得更清晰、更详细的图像。
2. 适应样本特性：不同的样本可能需要不同的参数设置。
3. 提高分辨率：以更好地分辨样本的微观结构。
4. 控制电子束强度：避免对样本造成过度损伤。
5. 调整衬度：增强图像的衬度，便于观察。
6. 优化景深：使整个样本都能清晰成像。
7. 适应不同的放大倍数：确保在不同放大倍数下都能获得良好的图像。

关键参数详解

1.1 加速电压

理论上，加速电压的增加将使SEM图像中的信号更多、噪声更低。但实际情况并非如此简单：

• 高加速电压成像有一些缺点：
• 高加速电压可穿透较厚的样品，但在SE模式下，对样品表面结构细节的分辨能力降低，低加速电压则适用于表面成像
• 绝缘样品中的电子堆积增加，造成更严重的充电效应
• 在样品中传导的热量会增加，可能导致样品损伤，尤其是对热敏感的材料

加速电压越高，电子束穿透力越强，相互作用体积越大，背散射电子(BSE)的数量也会增加。对于典型电压(如15KV)下的二次电子(SE)成像，BSE会进入二次电子探测器，并降低分辨率，因为它们来自样品的更深处。

加速电压是灯丝和阳极之间的电压差，主要用于加速电子束向阳极移动。典型SEM的加速电压范围为1KV至30KV。电压越高，电子束穿透样品的能力就越强。

下表中提供了选择加速电压的一般操作指南。当然，不同的电镜设备，即使参数相同，成像效果也会有差异，要确定样品成像的最佳设置，需要进行实践操作。

1.2 光阑

光阑是金属条上的一个小孔，它被放置在电子束的路径上，以限制电子沿镜筒向下运动。光阑可阻止偏离轴线或能量不足的电子沿柱子向下运动。根据所选光阑的大小，它还可以缩小光阑下方的电子束。

物镜 (OL) 光阑：该光阑用于减少或排除外来(散射)电子。操作员应选择最佳的光阑，以获得高分辨率的SE图像。

物镜光阑安装在SEM物镜的上方，是一根金属杆，用于固定一块含有四个孔的金属薄板。在它上面装有一个更薄的矩形金属板，上面有不同大小的孔(光阑)。通过前后移动机械臂，可以将不同大小的孔放入光束路径中。这都限于老式扫描电镜，现代电镜通过静电偏转到想要的孔，不是机械移动。

大光阑可用于低倍成像以增加信号，也可用BSE成像和EDS分析工作。小光阑用于高分辨率工作和更好的景深，但缺点是到达样品的电子较少，因此图像亮度和信噪比较低。

下表列出了一些光阑大小和实际用途的例子。不同光阑可使用数字刻度。例如，可以使用1、2、3和4。根据仪器的不同，可以用最大的数字表示最大的光阑直径，也可以用最大的数字表示最小的光阑。

在SEM设备校准过程中，为了生成良好的图像，需要检查光阑，以确保其围绕光束轴居中，这可以通过使用晃动(Wobbler)控制来实现。如果发现图像左右移动，则需要在X 或Y方向(进出或左右移动)调整光阑，调整时只需微微旋转相应的旋钮，直到图像停止移动为止。当电子束直径在样品表面达到最小值时，聚焦效果最佳。图像应清晰明确。

1.3 束斑尺寸

电子束锥在样品表面形成的束斑大小(横截面直径)会影响：

1. 图像的分辨率
2. 产生的电子数量，从而影响图像的信噪比和清晰度

在低倍放大时，我们使用的束斑尺寸要比高倍放大时大。

当在相同的放大倍率、电压和工作距离下使用不同的束斑尺寸拍摄图像时，很容易看出不同系列图像在模糊度(分辨率)上的差异。表达束斑大小的方式取决于所用电镜的厂家和型号。

对于任何一个放大倍率，停留点(图中一行中的光点)的数量都是恒定的，因此束斑点尺寸太小会导致没有信号产生的间隙，束斑尺寸太大会导致信号重叠和平均。

束斑尺寸会随着一些参数的改变而改变。例如，长工作距离(WD)下的束斑尺寸比短WD的大。物镜光阑越小，束斑尺寸越小。此外，无论使用哪种WD，聚光透镜流过的电流越大(激励强，聚焦效果好)，样品上的束斑就越小。

因此，当WD较小、聚光透镜激励较高、光阑较小时，我们就能实现最小的束斑尺寸。这三个参数是相互影响的，需要仔细权衡，才能获得最佳图像，因为它们还会影响其他参数，如焦距和电子信号强度。

1.4 工作距离(WD)：分辨率与景深

样品工作距离 (WD)是指SEM镜筒极靴底部与样品顶部之间的距离。在样品室中，样品台可以上升到更靠近极靴的一端(工作距离短)，也可以下降到更低的位置(工作距离长)。

工作距离越短，样品表面的电子束直径就越小。因此，在可能的情况下，工作距离应保持在10毫米或更小，以获得高分辨率成像。但小工作距离的缺点是，会大大降低景深。虽然可以通过使用较小的物镜光阑来抵消这种不利因素，但同时也带来电子束流密度的降低(图像看起来颗粒感更强，不够细腻)。

备注：对于ET探测器来说，缩短WD带来高分辨率的效果是不够显著的。对于大部分镜筒内电子探测器，缩短WD能显著提高分辨率。这也是我们经常看到，高倍数的照片都是在短WD下拍摄的，极端情况下，WD可以<1mm。

在许多 SEM 中，外部工作距离 (Z) 控制杆可用于升高或降低试样，该值通常被误认为是准确的工作距离。然而，真正的工作距离(WD)是以电子方式测量的，即样品表面聚焦点到极靴下表面的距离。外部Z控制(机械控制)值与图像屏幕上提供的 WD 值不同有三个原因。

只有当电子束准确聚焦到试样表面时，"屏幕上"的 WD 值才是准确的测量值。聚焦不足或聚焦过度的图像会提供虚假的WD值以及模糊的图像。

外部Z值和准确聚焦试样的真实 WD值会有所不同，因为这两个测量值可能是从试样架上的不同点测量的。试样如果不是均匀平整的，不同的形貌特征会有不同的真实WD。

WD会影响SEM图像的景深和分辨率。随着WD的增加，电子束发散角会减小，从而提供更大的景深。增加WD的"代价"是，电子束必须从扫描移动更远的距离，因此在试样上的束斑尺寸更大。

景深是指试样在肉眼看来可接受的聚焦垂直范围。在SEM中，图像景深的 "范围 "通常比光学显微镜大上百倍，因此许多SEM显微照片几乎都是三维的。

1.5 图像的衬度和亮度

SEM图像是根据从样品材料中射出的电子数来构建的强度图(数字或模拟)。SEM中每个驻留点的电子信号以像素的形式在屏幕上逐行显示，从而形成图像。每个点的信号强度反映了从形貌或成分中产生的电子多少。通过信号处理，每个电子的信号信息(从光束的每个驻留点获得)都可以在显示之前被转换成与原始值有严格关系的新值。这样，我们就可以通过调整信号来改变最终图像的衬度和亮度。

在大多数情况下，未经处理的图像包含足够的"自然衬度"，操作员可以从图像中提取有用的信息。自然衬度可被视为直接来自样品和探测器系统的信号中包含的衬度。如果自然衬度过低或过高，则可能会丢失与重要细节相对应的信号变化。

在这种情况下，我们会看到图像中有很多黑色或白色区域。质量好的图像具有灰度渐变，只有极少部分是全黑或全白的。信号处理技术可以处理自然衬度，使眼睛可以通过图像中的衬度感知信息。虽然信号处理技术允许用户对自然衬度进行处理，但并没有增加信息，只是增强了已有的信息(因此，这种图像处理技术不属于对已有信息的篡改)。

以下这幅图像左侧衬度太低，右侧衬度太高，中间的图像衬度是合适的。左边的图像可以后期调整，方法是在Photoshop软件中修改灰度"色阶"的分布，但右图像无法修正，因为纯黑白区域是绝对的(无法从这些区域获取更多数据)。

应该注意的是，信号处理会极大地改变图像的外观，使其与通常预期的不同，因此SEM操作员有义务说明是否进行了处理。不过，通常情况下，使用衬度和亮度旋钮调整图像质量是被认可的图像处理流程。但是，如果为了使SEM图像看起来更清晰而进行了一些其他处理，则应在正式报告中说明具体的处理的方式。

旧型号的SEM一般都需要手动调整衬度和亮度。更现代的机器则依靠软件程序自动调节，辅以机器操作员的喜好：一键操作，提高工作效率。但需要注意的是，人眼对图像衬度和亮度的感知或审美，往往和软件计算的结果并不一致，因为为了更好的图片质感，还需要依赖手动调节。

倾斜样品可以增加SE衬度：增加SE衬度的另一种方法是倾斜样品，使其与探头成一定角度(通常为 30° 至 60°)。倾斜的结果是，每单位投影试样面积会产生更多的 SE，从而使亮部和暗部的分布更加明显，从而增强衬度。