實驗二　掃描電子顯微鏡觀察聚合物的微觀結構

掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM）是一種觀察材料表面微觀形貌和分析元素及其含量的非常重要的大型儀器，目前被各種科學研究領域和工業生產部門廣泛應用。SEM有利于研究材料的表面微觀形貌、成分或者元素種類及含量對其各種性能的影響，建立宏觀性能與微觀結構之間的內在聯系；通過對該儀器的工作原理、各種功能、儀器結構、操作技能的學習和掌握，能夠提高研究人員科研水平，從而促進科學的進步和社會的發展。

一、實驗目的與要求

1.了解掃描電子顯微鏡的工作原理、儀器結構和各種功能。

2.掌握儀器的基本操作和數據的相關處理。

二、實驗原理

1.聚焦電子與試樣的相互作用

掃描電鏡的聚焦電子束轟擊試樣時，在其表面區域會與原子產生兩種相互作用。當高能入射電子與原子核碰撞時，由于二者質量相差太大，因而除電子運動方向發生偏移外，其能量幾乎不變，即為彈性散射作用；而當入射電子與原子內核外電子碰撞時，除運動方向發生變化外，其能量也將有所損失，即為非彈性散射作用。掃描電鏡入射電子束與試樣表面原子發生上述兩種相互作用并激發出二次電子、背散射電子、透射電子、俄歇電子以及特征X射線等信號物質。

（1）背散射電子　背散射電子是被試樣表面的原子核反彈回來的部分入射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子是指被原子核所反彈的散射角大于90°的入射電子，其能量沒有損失或極少損失；非彈性背散射電子是入射電子和試樣表面的核外電子多次碰撞所反彈的入射電子，不僅運動方向改變，能量也根據碰撞次數有不同程度的損失，因此能量分布范圍很寬，從數十電子伏直到數千電子伏。但從總體分析，彈性背散射電子數量占絕大部分。背散射電子來自試樣表層以下幾百納米的深度范圍，其產額可用π=KEm表示，式中，K、m均為與原子序數有關的常數，背散射電子產額隨試樣原子序數增大而增多。因此，采用背散射電子信號不僅能夠分析表面形貌，而且可以顯示原子序數的襯度，定性地分析成分。

（2）二次電子　當高能入射電子與試樣表面原子核外電子發生非彈性散射作用時，入射電子將能量傳遞給核外電子，使其獲得足夠能量后脫離原子核的束縛而逃逸出來的核外電子叫做二次電子。由于原子核和外層價電子間的結合能很小，因此外層價電子比較容易脫離原子束縛而逃逸，使原子發生電離，根據統計學分析，二次電子中90％來自原子外層的價電子。

二次電子的能量很低（一般低于50eV），因此僅只有試樣表層以下5～10nm的深度范圍內的二次電子能夠逃逸至樣品室，因此掃描電鏡利用二電子信號所觀察的是試樣的表面微觀形貌。二次電子出射比例為δ=Ns/Ni，式中，Ns為二次電子數量；Ni為入射電子數量。出射系數與入射角α（入射電子和試樣表面法線之間的夾角）有很大關系，由δα=δ/cosα表示。可見，二次電子產額隨入射角的增加而增大，并且增加幅度也越來越大，所以試樣表面入射角度大的區域如邊緣、棱角、尖峰等區域會產生非常多的二次電子，因此，二次電子產額對試樣的表面形貌十分敏感，掃描電子顯微鏡利用二次電子信號能夠非常直觀有效地顯示樣品的表面形貌。

（3）特征X射線　當高能電子束轟擊試樣時，受到試樣原子的非彈性散射，將其能量傳遞給原子而使其中某個內殼層的電子被電離激發而脫離該原子，內殼層上出現一個空位，原子處于不穩定的高能激發態。根據能量的最低原則，在激發后的瞬間（10-12s內）一系列外層電子向內層空軌躍遷以填補內層電子的空缺，促使原子恢復到最低能量的基態，在此轉換過程中的能量差以特征X射線和俄歇電子形式釋放。X射線輻射是一種量子或者光子組成的粒子流，具有能量。特征X射線能量E與樣品原子序數Z存在特定函數關系：E=A（Z-C）2，式中，A和C是與X射線譜線系有關的常數。根據Moseley定律，如果采用X射線探測器檢測到試樣微區中存在某一種特征能量的X射線，可以判定該微區中存在相應的元素。

2.工作原理

掃描電子顯微鏡利用聚焦電子束轟擊試樣表面，與其發生相互作用從而激發出二次電子、背散射電子和特征X射線三類與樣品微觀形貌或者成分有關的信號物質，采用相應的探測器收集表達樣品表面特征信息的信號，轉變成電壓信號，經視頻放大后輸入到顯像管柵極，調制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度，在其熒光屏上便得到了與樣品表面的形態相對應的灰度，使電子束在銀光屏上的掃描與電子束在樣品表面上的掃描同步，在屏幕上便形成了一幅反映樣品表面形態的真實圖像或者微區成分圖譜。

三、實驗儀器與試樣

（1）儀器：掃描電子顯微鏡（JSM 6510LV）；能譜儀（EDXA 32）。

（2）試樣：粉末、薄膜、聚合物塊狀物、生物樣品（樹葉）。

四、實驗步驟

1.樣品制備

剪取適當長度導電雙面膠粘貼在選擇的樣品臺上，將所需觀察的樣品牢固地粘接至雙面膠表面，根據不同樣品做適當處理，如較厚的塊狀樣品需要做表面的導電膠搭接；粉末樣品需要采用強力吹進行吹掃處理等。

2.樣品噴金處理

對于導電性差或者根本不導電材料需要進行噴金處理，防止電荷在樣品表面積累使得樣品放電，導致圖像觀察不清楚、圖像漂移、亮暗條紋出現等畫面異常現象，同時也避免高能電子束對樣品損傷。采用離子濺射儀對樣品表面噴金處理工藝包含噴金電流、時間、惰性氣體的循環清洗，根據本設備的說明書載錄，當參數設置為I=20mA，t=30s時，中心區域覆蓋的靶材厚度為8nm。因此，依據近幾年的實踐操作設置不同樣品的技術參數為：I=20mA，t=40～50s（半導體）；I=20mA，t=80～100s（聚合物）。

3.樣品觀測

將處理過的樣品放入樣品室內，關閉艙門，啟動抽真空模式（EVAC）直至樣品真空度達到觀察要求。當Vacuum Status顯示Ready時，靜候1～2min后，開啟電子槍高壓至［HTON］狀態，移動樣品臺尋找需要觀測的樣品區域，調整合適的放大倍數、加速電壓、電子束斑以及工作距離等儀器參數，調節焦距旋鈕、像散XY軸旋鈕，直至圖像呈現清晰畫面，調節圖像對比度和亮度，最后點擊SCAN4或者PHOTO啟動照相模式進行拍照，選擇JPG、PMN等格式進行保存。如果需要采用背散射電子信號觀察微區的成分像，將信號源切換到BEIW的Compo、Topo或者Shadow信號，其他步驟同上。

4.更換樣品

關閉電子槍高壓至HT OFF狀態，啟動充氣模式（VENT）至對話框出現，此時樣品室氣壓內外一致，打開樣品室艙門，更換樣品，其他操作步驟如上述3所示。

5.關機

點擊電子槍高壓使之由［HT ON］變成［HT OFF］狀態，然后關閉SEM主程序，關閉計算機，旋轉主機電源鑰匙使之由［I］到［O］位置，關掉SEM電源，大約30min關掉循環水系統。

五、數據處理

選擇需要的試樣區域后，調節各種參數至圖像清晰可見，點擊SCAN 4或者PHOTO啟動照相模式進行拍照，選擇JPG、PMN等格式進行保存即可。

六、注意事項

1.本實驗操作中各種儀器參數的調節不到位特別是像散的消除不完全很容易造成圖像的不清晰。

2.樣品的導電性差或者導電處理不好也不容易獲得好的圖像。

七、思考題

1.為什么掃描電鏡可以利用二次電子信號反應試樣微區形貌特征？

2.電鏡的固有缺陷有哪幾種？像散是怎樣產生的？