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                加速電壓效應對掃描電鏡成像質量的影響

                 發布時間:2020-05-12 點擊量:65

                掃描電鏡激發樣品的物理信號(二次電子、背散射電子、特征 X 射線等)主要取決于入射電子束的加速電壓,當高能量的電子束入射到同一樣品時,入射電子束與試樣相互作用區范圍的大小隨加速電壓的升高而增大;在同一加速電壓下,相互作用區隨樣品的原子系數增大而減小。電子束的激發深度與加速電壓和樣品原子系數的關系如圖 1 所示。

                 

                圖1 電子束激發深度與加速電壓和原子系數關系示意圖

                 

                在實際操作過程中要采集到一幅好照片,除了要有好的儀器設備之外,選擇合適的加速電壓值也是很重要的一步。選擇高、低不同的加速電壓各有不同的優缺點,通常應根據所測的樣品類型和分析目的進行考慮,一般來說,金屬樣品一般需要選擇較高的加速電壓,炭材料、有機物等由輕元素組成的樣品一般選擇較低的加速電壓。

                 

                高加速電壓的優點

                 

                加速電壓越高入射電子束的波長越短,由瑞利公式可得,電子束的波長越短,得到圖像的分辨率越高,而且抗外部電磁場的干擾能力也會增強,不易受到試樣表層污染的影響,所以高加速電壓比較適合拍攝高倍率的圖像。如下圖所示,當加速電壓為15 kV 時,金項鏈上面的油脂、污染物、缺陷等消失,表面更為平整;

                 

                  

                 5kV                                                                           15kV

                 

                高加速電壓的缺點

                 

                所獲得的圖像會缺少表面信息和細節,易呈現高反差,會明顯增大邊緣效應,使得到的圖像比較生硬。另外,高加速電壓、大束斑也容易造成試樣的荷電和損傷,以及圖形的漂移。下圖樣品是石墨顆粒在不同加速電壓(5kV、10kV、15kV)下的掃描電鏡圖像:15kV 時的穿透是zui強的,形貌襯度在一定程度上損失;

                 

                   

                  5kV                                         10kV                                          15kV

                 

                低加速電壓的優點

                 

                電鏡圖像的成像信息來源越趨于表面,圖像的表面細節就越顯得豐富、細膩,特別是會明顯地減少邊緣效應,使圖像顯得更協調、柔和。另外,低加速電壓對樣品表面損傷小,不容易造成試樣的荷電和圖像的漂移。下圖為薄膜樣品在不同加速電壓(5kV、10kV)下的兩張照片。

                 

                 

                5kV                                                                        10kV

                 

                低加速電壓的缺點

                 

                加速電壓越低,電子束的波長越長,圖像分辨率較低,不容易得到高分辨力的圖像,所以低加速電壓僅適合拍攝放大倍率不太高的圖像;其次信噪比較差,抗外部電磁場的干擾能力也較弱,不易得到高清晰和高分辨力的圖像。如圖所示,選用 5kV(右)拍攝 50000 倍圖像時,圖像信噪比較差,分辨率較低。

                 

                  

                10kV                                                                      5kV

                 

                總之,在選擇加速電壓時,需要綜合考慮高/低加速電壓的優缺點再做決定。選擇較低的加速電壓有可能會影響圖像的信噪比,但獲得的圖像表面信息量更多,所以在選擇加速電壓時需要根據試樣的具體情況和現場的實時需求進行綜合考慮。

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