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扫描电镜答疑汇总| 扫描电镜的制样经验与拍摄技巧分享
2022-04-07
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答疑汇总|Webinar - 扫描电镜的制样经验与拍摄技巧分享

小编整理了昨天会上大家提到的问题,作出以下解答供参考。后续还将推出扫描电镜能谱相关的课程,请大家关注飞纳电镜公众号动态。

 

扫描下方二维码可以观看“扫描电镜的制样经验与拍摄技巧分享”研讨会直播回放

 

Part 1:扫描电镜原理

Q1:PE 的全称是什么?

Primary Electron,中文直接叫“入射电子”就好了。直译为初级电子,也就是一次电子,指的是灯丝发射的电子。背散射电子的本质是“一次电子”,是灯丝发射出来的电子与样品相互后向后“反射”的电子。而“二次电子”之所以称为“二次”,是因为它本质上是属于样品的,是样品原子的核外电子被激发而产生的。

Q2:能否解释一下放大倍数

放大倍数的定义是指一个物体,显示到显示器(或宝丽来底片)上的尺寸和物体实际大小的比例。分别对应我们看到的两个放大倍数:屏幕放大倍数与底片(宝丽来)放大倍数。

Q3:不同的扫描电镜,哪怕是相同的放大倍数,但得出的图像中标的尺寸并不一致,什么原因呢?

参考上一条,如果采取的不同的放大倍数定义,那么图像中的标尺显然是不同的。但是,无论是屏幕放大还是底片放大,同样的物体,测量出来的尺寸是一致的。

Q4:可以在 SE 下调焦,在 BSD 拍照吗?

可以,切换探头模式不会改变焦距。但是要注意,SE 模式更容易出现积碳现象(暗黑色方块),所以调焦时不要在 SE 高倍下停留过长时间。

Q5:BSD 有几个分片,怎么用?我的有 5 个分片

BSED 有好几种设计,有不分割,二分割,4 分割,4+1(5) 分割,环分割…等,各有各的用法。

最常见的用法是所有分片同时全开,BSD模式,所有分片进行信号叠加,这样收集的图像是最能反映原子序数信息的图像。实际用的时候,可以切换到 BSD Topo 模式,它是利用背散射不同分片的信号减法运算得到的。

 

 

扫描电镜原理

Part 2:扫描电镜样品制备

Q1:块状无导电性样品做背散射的话怎样制样吗?

背散射对导电性的“容忍度”相对高一些。背散射首选低真空,60Pa 左右直接拍就可以。没有低真空的话建议镀薄薄的一层金(太厚的话,金的信号会遮盖样品的信号,造成图片称度不够),上样的时候注意把块体上表面镀金的部分与样品台用导电胶连起来,以便形成良好接地。

Q2:喷碳和镀金哪个更适合扫描?

理想:能谱分析:建议喷碳;拍照为主:建议镀金。

现实:喷碳设备太贵,用起来也比较麻烦,如果没有峰的重叠的问题的话,都直接镀金吧。

更好的解决方案:低真空,选择 60 Pa 左右,可以获得比较理想的能谱结果。

Q3:混凝土截面应该怎么制样呢?

混凝土可以进行通过砂纸抛光的方式制作尽可能的光滑截面,抛光时建议不加水,直接抛光,注意事项如下:

  1. 抛光时加水,可能会引起组织的转变,结果不真实。

  2. 混凝土大量吸水,需要再次干燥后才可以观察。

  3. 抛光后的样品表面的松散颗粒需要使用高压气枪吹扫后才可以上电镜。

  4. 所有混凝土上电镜前,都强烈建议用镀金仪预抽真空试一试再上电镜,看可否顺利抽到 < 5 Pa。确保真空没问题了再上电镜。

Q4:请问树脂等绝缘材料喷金时间功率如何选择呢?

这个问题问的很专业,镀金太厚太薄都不好,为了使观察面尽可能形成良好的接地(原则上镀金越多越好),同时不阻碍我们对样品的观察(原则上镀金越少越少),需要具体情况具体分析。原则上,希望在解决问题的情况下,尽可能镀的薄一些。实际操作中,要根据是看二次电子还是背散射,能谱而定;也要看能否做低真空;有的时候上表面与台子直接通过导电胶进行良好接地比镀厚厚的一层金更有效果。

Part 3:扫描电镜拍照技巧

Q1:高倍图片拍摄注意的技巧啊,Wobble 的调节原理和调节方法

高倍图片建议按以下步骤:

对好焦 ➡️ 找个特征点 ➡️ 调 Wobble ➡️ 聚焦 ➡️ Stig X ➡️ Stig Y 

Wobble 时图像的抖动:电子束与光阑不对中时,系统不断来回调整焦距,焦点的指向会发生往复移动,导致图像效果产生来回抖动的效果。调整 Wobble 是通过电磁偏转,让电子束再次与光阑发生对中,对中后 Wobble 图像会不断在清晰-模糊-清晰-模糊之间转换(工程师常说的“呼吸现场”),但样品的位置不会发生抖动。调 Wobble 时建议使用高的刷新速度。

有 Wobble 功能的扫描电镜(SEM)调整,原理是在焦距连续变化的过程中,确认所有准位是否处于最佳状态。调节方法: 先由上到下确定调整灯丝准位,电子枪准位,再调整孔径准位,最后调像散。

Wobble 就是聚焦在来回变化,来观察电子束准位是否偏离,如果有偏掉,就会发现影像在过程中,偏向某个方位。如果 OK, 影像会显示原地模糊清楚交替,不会偏向某一边方向。技巧是永远原地清楚模糊的跳动,不要有任何偏向。新款电子显微镜,大多有自动调节功能,或准位记忆功能,或已不采交叉光路设计,不需 Wobble 功能來调整准位。

光阑未对中时,焦点在 Wobble 时会来回移动

 

Wobble 调整的原理示意图

 

Q2:我想问一下胶凝材料、混凝土类样品应该喷金喷多久?参数应该怎么设置  我拍出来总有亮光,而且有时候很会有一明一暗的条纹,还不太清晰

有亮光说明还是存在荷电现象,可以尝试增加喷金时间。不同喷金仪和材料最优喷金时间不同,可以多尝试几次找到对于此种材料的最优时间。同时,高电压和高束流模式下更容易出现荷电现象,所以可以适当降低加速电压和束流强度,比如 5KV,image 束流。一明一暗的条纹多见于 SE 模式下,有时是因为上述所说的荷电原因导致,如果频繁出现,请联系当地售后工程师检查是否有配件故障。

Q3:想问一下拍的纤维,还有膜,有时候能看到它裂开或者飘动,是打上去的能量太强了吗?

对于纤维或者多孔膜样品 这类材料耐热性比较差,受到电子束照射之后会受热变形。一般选用较低的加速电压观察。

Q4:拍高分子材料的膜,有时候不管怎么调都好暗,看不清?

这个需要具体问题具体分析了。所以,您是看微孔还是纤维?对于超滤,反渗透膜,表面的孔径范围是 <1 nm 的,但是液氮脆断后看断面能获得更好的效果(能看到孔径的逐渐过渡)。

Q5:纸张样品怎么拍电镜可以清晰一些,看到细微结构?

纸张样品由于不导电,直接观测会出现荷电现象(有明显亮斑且在移动)。可以采用低真空模式或者降低杯,但是响应的会略微降低分辨率。如果对分辨率有要求,要看得更清晰,需要进行喷金或者喷碳,避免荷电现象。

Q6:高倍时样品有飘移怎么办?

没固定牢固:更换导电胶带,或使用液体导电胶。

导电性不好:镀金,或降低电压,束流。

受热:高倍时视野更小,电子束的扫描范围更集中,受热效应会更明显。

设备本身的原因:如何排除?同样样品,样品台子上,找个没有导电胶的位置,同样倍数进行观察,看是否也有飘的情况。如果样品台本身不飘,可以依次排除其他原因。

Q7:软磁粉末怎么测?样品需要如何处理?例如包覆的铁粉?

首先建议跟厂商工程师沟通,听工程师的建议,是否可以做此类样品。制样原则:少量、吹扫。控制好量,牙签取一点点就够,另外需要通过吹扫把多余松散粉末吹走,确定固定牢固好后可以上机观察。

Q8:比如这种高分子材料,导电性不好,成像困难,怎么拍。用低束流也不清晰。制样把导电胶剪细长一点覆盖在上面可行?

覆盖在上面这种方法可行,但是效果有限。最好的方法还是喷金,或使用低真空。对于纤维类的样品,有的时候镀金效果可能也不是特别理想,这是由于纤维是上下错落的,即便镀了金,纤维与纤维之间没有形成良好连接,这时可以刷一层液体碳胶或银胶。

Q9:我经常截面拍不好,表面可以拍清,换截面想看更多细节就困难了?

截面是有机物还是无机物?有机物截面的制备很关键,建议使用液氮脆断。

Q10:如何避免拍摄过程中的碳沉积现象呢?

关于碳沉积。日常使用时,请确保电镜清洁、样品清洁,这样可以减弱碳沉积的出现。千万不要使用记号笔、油性笔在样品或样品台上做标记。平时样品也要确保干燥、无挥发。

拍摄时,如何避免碳沉积:可以使用聚焦后到隔壁区域拍照的方法。

Part 4:扫描电镜能谱

Q1:能谱仪和波谱仪有什么区别?

实际上,不只是在扫描电镜里,在 XRF 荧光分析时也会碰到这个问题。能谱仪是 EDS,这里的 E 是 Energy(能量)。波谱仪是 WDS,这里的 W 是 Wavelength(波长)。

能谱仪直接对 X 射线的能量进行测量,波谱仪通过分光晶体,将不同波长的 X 射线在空间分散开,获得高分辨率的波长光谱(就像光谱仪,不过光栅换成了晶体,利用晶格间距充当光栅,材料人必背的公式 nλ = 2dsinθ,说来话长,到此为止)。

简单来说,能谱仪价格便宜,速度快,可靠性高,扫描电镜的常见配置。波谱仪价格贵,结构复杂,但光谱分辨率极高,因此定性定量精准度都远高于能谱仪,往往 EPMA 上会见到。

Q2:能谱看氧之前的元素不太准吗?原因是什么?

能量太弱,不容易穿透能谱的窗口,尤其是 B。碳污染的问题使得碳的结果可靠性特别低。

Q3:喷金以后还能测元素么?不会影响元素的成分分布吗?不会影响准确性吗?

喷金以后做能谱分析,入射电子的能量会受到金的影响,出射的 X 射线的能量也会受到金的影响。因此喷金之后做能谱分析,数据就不那么可靠了。

Q4:能谱元素的比例,有多大参见价值?

国标里对能谱的定量准确性是有参考的。关键是你的样品可否满足一下要求:试样平坦、无水、致密、稳定和导电良好的试样。

《电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则》对 Z﹥11,试样平坦、无水、致密、稳定和导电良好的试样,允许的相对误差:

  • 主元素 (>20%wt) 允许的相对误差 <5%

  • 3%wt ~ 20%wt 的元素,允许的相对误差 <10%

  • 1%wt  ~ 3%wt 的元素,允许的相对误差 <30%

  • 0.5%wt  ~ 1%wt 的元素,允许的相对误差 <50%

Q5:能谱仪扫描的时候没有的元素选上还有出现色块吗?

对于能谱仪没有自动识别出来的元素而言,如果选上的话,软件会根据实际扫描时该元素应该出峰的位置的实际信号进行计算,最终根据计算结果显示色块。

Q6:能谱做完之后为什么有的元素被标记成红色了

颜色是可以选择的,可以换颜色。

Q7:能谱仪扫描的时候没有的元素选上还会有相应元素色块出现怎么回事?

自动判别元素存在的时候,有的软件有个识别灵敏的设置。过于灵敏的话,有些元素会被“误识别”上。过于迟钝的话,又会有个别元素被“遗漏”。做能谱时建议看一看检查一下。

Q8:如果我只想要能谱分析表层的结果,我采用 10kV,这个时候怎么保证我的信号量呢?

10kV 做能谱分析,如果想增加信号量,可以选择更大的束流强度(或束斑)。

Q9:打能谱是有倍数要求吗?倍数不能超过多少倍?

打能谱没有倍数要求,只要能看到分析的特征即可。但是由于能谱分析时用的束流或束斑往往比较大,倍数太高了清晰度就差了,需要适当降低束流束斑,延长分析时间。

Q10:能谱区域的尺寸

能谱进行点分析时,所实际分析的区域为微米级的立体空间

Part 5:场发射扫描电镜

Q1:为什么场发射扫描电镜比钨灯丝扫描电镜清晰很多?

原因有以下两点:

  1. 场发射扫描电镜的电子枪发射亮度比钨灯丝扫描电镜要高的多,这意味着同样扫描一个样品时场发射扫描电镜可以获得更多的信号;

  2. 场发射扫描电镜的束斑比钨灯丝扫描电镜的束斑要小,束斑可以通俗的理解为像素点,对同一个区域进行扫描时,场发射扫描电镜可以获得更高的像素。

Q2:场发射灯丝是什么材质

  • 尖端是钨单晶

  • 冷场是 310 晶面

  • 热场是 100 晶面

文献分享

伦敦帝国理工学院(英国)微观结构机理研究实验室

培训视频:

https://www.youtube.com/watch?v=h3Z2RTAIZSU

Microscopy Australia

虚拟扫描电镜

https://myscope.training/SEM_simulator.html

培训视频

https://www.youtube.com/watch?V=HLC110i3WIA

Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis (4thEdition), Goldstein

https://www.springer.com/qb/book/9781493966745

 
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