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加速電壓在掃描式電子顯微鏡的作用

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進行電子顯微鏡(EM)分析時,為了針對感興趣區域產生最佳的成像效果,必須考慮一些重要參數, 其中一個重要的參數就是加數電壓。綜觀發展歷程,一直是增加電壓以提高成像的分辨率。

最近幾年,掃描式電子顯微鏡(SEM)的廠家開始致力於提高低電壓狀態下的成像分辨率。低電壓成像主要作用針對電子顯微鏡在生命科學中的應用領域-尤其在獲得諾貝爾獎的冷凍電子顯微鏡技術問世之後。本文將重點介紹加速電壓對電子顯微鏡分析結果的影響。

 

加速電壓決定相互作用區域的大小

加速電壓表示電子能量的多寡:這將決定電子束與樣品之間相互作用區域的大小。一般情況下,高加速電壓越高,電子束在樣品表面穿透力也越深,相互作用區也越大。

這意味著電子在樣品中能有更深入的傳播,並在不同區域中產生訊息。樣品的化學成分也會影響相互作用區域的範圍:輕元素的殼外電子層數較少,電子能量較低。與重元素的樣品相比,電子束對輕元素樣品穿透的更深。

根據接收不同的輸出信號,將獲得不同的結果。在桌上型電子顯微鏡中,通常檢測到三種信號:背向散射電子(BSE)、二次電子(SE)和X射線。

 

加速電壓對電子顯微鏡SEM成像的影響

加速電壓對於BSE和SE成像的影響是類似的:低加速電壓可呈現樣品表面更多的細節;而高加速電壓下,圖像分辨率提高,樣品表面細節減少,提供樣品表層下方結構更多的信息。 從下方圖片中我們可以看到,低加速電壓使表面樣品的污染清晰可見,而高加速電壓則呈現了污染層下方的表面結構。

bse image tin balls 5 kv   bse image tin balls 15 kv

圖1:錫球在5kV(左)和15kV(右)的BSE圖像。在低加速電壓下,可以看到樣品頂部明顯的碳污染。

          當加速電壓增加時,更深的穿透力使碳點下方的錫球結構顯現,減少汙染物的細節。

 

針對不同性質的樣品選擇適合的加速電壓非常重要。像生物樣品、多種聚合物樣品和其他樣品(大部分為有機的)對高能量的電子極為敏感。由於電子顯微鏡SEM在真空中運行,進一步提高了這種敏感度。這就是SEM廠家關注於較低電壓下提高分辨率值的原因,這樣的話,即使在最精細的樣品下也能有很好的圖像。

在這個過程中最困難是成像技術背後的物理原理:與攝影相似,存在幾種會影響輸出圖像品質的因素,像是失真和像差。隨著電壓的提升,獲得的信號量變多,色差的影響逐漸減小,這是為什麼以前SEM的趨勢是利用高電壓提高成像分辨率的主要原因。

 

X射線的產生

在X射線方面,情況完全不同:更高的電壓產生更多的X射線。X射線可經由EDS(能量色散X射線譜)檢測器獲取和處理,對樣品進行成分分析。

該技術包括通過與來自電子束的電子(一次電子)相互作用,迫使目標樣品中的電子被打出。內層電子離開原子後會留下電洞。位於外層的、處於較高能階的電子在填充這些低能階電洞的時候,多餘能量可能會以X射線形式放出。X射線的能量可以透過Moseley定律與原子的原子質量相關聯。因此通過EDS分析判斷樣品的化學成分。

X射線產生的關鍵因素:

過壓比:入射電子束能量與目標原子所需電離能量的比值

相互作用區域範圍:定義分析空間分辨率

 

理想的分析要求最小過壓比值為1.5,代表透過增大加速電壓,可檢測更多序數較大的元素。另一方面,在高加速電壓下,樣品被損壞的機率越高,同時相互作用的範圍也越大。

X射線的產生可能來自更大的作用範圍,從而影響樣品的可靠性。在多層、顆粒和非均質的材料下,較大的作用區域會產生來自樣品不同組成的信號,從而影響了EDS分析的結果。

 

未命名

圖2:在15kV處收集的EDS光譜圖像。 峰突出顯示了每個元素的存在,並運用複雜的算法將來自檢測器的信號轉換為化學成分。

為了平衡兩者的影響,通常推薦加速電壓數值範圍落在10至20kV之間。進行EDS分析時,要特別注意的一點,可能會出現“重疊峰”。因為X射線是各種元素的電子在不同電子層跳躍移動而產生的,他們可能具有相似的能量。

這就需要先進的集成流程來消除峰值並使結果進行正常化,或者使用更高的能量含量線(來自兩個具有重疊峰值的元素之一)。 儘管前者已在大多數EDS軟件中實現,後者還不能滿足所有情況,考慮到非常普遍的元素(如鉛),其高能量水平線需要高於100kV的電壓。

 

 

作者介紹

Luigi Raspolini

Luigi Raspolini是Thermo Fisher Scientific Phenom 桌上型電子顯微鏡SEM的應用工程師。Luigi一直在探索新的材料表徵,表面粗糙度測量和成分分析的方式。他熱衷於提升用戶體驗,並提供每種樣本進行成像的最佳方法。

 

原文網址: https://blog.phenom-world.com/sem-technology-electron-beam-microscopy

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