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電鏡學堂丨電鏡操作之如何巧妙選擇加速電壓？
“TESCAN電鏡學堂”又跟大家見面了，利用掃描電鏡觀察樣品時會關注分辨率、襯度、景深、形貌的真實性、其他分析的需要等等，不同的關注點之間需要不同的拍攝條件，有時甚至相互矛盾。
今天主要談一談如何根據樣品類型以及所關注的問題選擇合適的加速電壓？
這里是TESCAN電鏡學堂將繼續為大家連載《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》(本書簡介請至文末查看)，幫助廣大電鏡工作者，利用封控在家的時間，深入了解電鏡相關技術的原理、結構以及最新發展狀況，將電鏡在材料研究中發揮出更加優秀的性能！
第三節? 常規拍攝需要注意的問題
平時電鏡使用者都進行常規樣品的觀察，常規樣品不像分辨率標準樣品那么理想，樣品比較復雜，而且有時候關注點并不相同。因此我們要根據樣品類型以及所關注的問題選擇合適的電鏡條件。
關注分辨率、襯度、景深、形貌的真實性、其它分析的需要等等，不同的關注點之間需要不同的電鏡條件，有時甚至相互矛盾。因此我們必須明確拍攝目的，尋找最適合的電鏡條件，而不是貿然的追求大倍數。
電鏡的工作條件包括很多，加速電壓、束流束斑、工作距離、光闌大小、明暗對比度、探測器的選擇等。這一期將為大家介紹加速電壓的選擇。
§1. 加速電壓的選擇
任何電鏡都是加速電壓越高分辨率越高，但并不意味著任何試樣都是電壓越大越好。電壓的選擇是電鏡中各個工作條件中最重要的一個。有各種因素需要考慮，而各個因素之間也有矛盾相悖的，這個時候還需要適當進行綜合考慮或者采取其它辦法。
①? 樣品損傷和荷電因素
選擇的加速電壓不能對試樣產生明顯的輻照損傷或者荷電，否則觀察到的圖像不是試樣的真實形貌。如果有荷電的產生，需要將電壓降至到V2以下，這點在前面電荷效應中已經詳細闡述，這里不再重復。
對于金屬等導電導熱均良好的試樣，可以用較高的電壓進行觀察，如10kV及以上；對于一些導電性不是很好但是比較穩定的試樣，可以中等加速電壓，如5kV左右；對一些容易損傷的樣品，比如高分子材料、生物材料等，可能需要較低的電壓，如2kV或以下。
②? 電子產額因素
對于單相材料來說，因為成分沒有差別，我們選擇電子產額最大的區間V1～V2即可，但是對于混合物相材料來說，我們希望在有形貌襯度的同時還能有較好的成分襯度，這樣的圖片顯得襯度更好，信息量也最大，往往我們也會認為這樣的圖片最清晰。因此我們需要選擇二次電子產額相差較大的區域進行拍攝。
如圖5-13，左圖是碳和金的二次電子產額，中間圖片是金顆粒在1kV下的二次電子圖像，右圖是200V下的二次電子圖像。顯然，在200V下碳和金的產額一樣，所以此時拍攝的圖像僅呈現出形貌上的差別，而碳和金的成分差異無論怎么調節明暗對比度也不會出現。而在1kV下，碳和金的電子產額差異達到最大，所以除了形貌襯度外，還表現出極好的成分襯度。
圖5-13? 金和碳在電子產額（左）及1kV（中）、200V（右）電壓下的SE圖像
對于一些金屬材料來說，往往較高的加速電壓下有相對較大的產額差異，而對于一些低原子序數試樣，較低的電壓往往電子產額差異更大。
如圖5-14，試樣為碳銀混合材料。左圖為5kV SE圖像，右圖為20kV SE圖像。5kV下不但能表現出比20kV更好的成分襯度，還有更好的表明細節。
圖5-14? 碳銀混合材料在5kV（左）、20kV（右）電壓下的SE圖像
如圖5-15，試樣為銅包鋁導線截面，左圖為5kV SE圖像，右圖為20kV SE圖像。20kV下能夠更好的將外圈的銅層和內部的鋁層做更好的區分。
圖5-15? 銅包鋁導線截面在5kV（左）、20kV（右）電壓下的SE圖像
對于有些本身差別很小的物相，如果能找到二次電子產額差異最大所對應的電壓，也可將其區分。當然有的產額沒有參考曲線，需要經過諸多嘗試才能找到。比如圖5-16，試樣為摻雜半導體基底上的本征半導體薄膜，其電子產額差異在1kV達到最大，對應1kV的圖像能將兩層膜就行區分，而其它電壓則沒有太好的襯度。
圖5-16? 半導體薄膜在不同電壓下的襯度對比
③? 襯度的平衡
雖然通過上一點提到的加速電壓的選擇可以將成分襯度達到最大，但有時該條件并不是觀察形貌最佳的電壓。此時我們需要考慮究竟是注重形貌還是注重成分襯度，使用二次電子來進行觀察，還是用背散射電子進行觀察，或者用折中的辦法進行觀察。這都需要操作者根據電鏡照片想說明的問題來進行選擇。
要獲得好的形貌襯度圖像和原子序數圖像所需的電壓條件一般都不一樣，也有另外的辦法可以適當解決。對最佳形貌襯度和最佳原子序數襯度單獨拍攝照片，后期在電鏡軟件中通過圖像疊加的方式，將不同的照片（位置需要完全一樣）按照一定的比例進行混合，形成一張兼有兩者襯度的圖片。
④? 有效放大率因素
一般電鏡在不同的電壓下都有著不一樣的極限分辨率，其對應的有效放大率也隨之而改變。拍攝特定倍數的電鏡照片，特別是高倍照片，需要選擇電壓對應的有效放大率能夠達到需求。否則，視為圖像出現了虛放大。虛放大后，圖像雖然也在放大，但是并沒有出現更多的信息，而且虛放大而會有更多環境因素的影響。
所以如果出現虛放大，可以提高加速電壓，以增加有效放大率；如果電壓不能改變，可以考慮增加圖像的采集像素，來獲得類似放大的效果。此時受環境因素或者樣品損傷因素更小。
⑤? 穿透深度因素
前面已經詳細的講述了加速電壓和電子散射之間的關系。加速電壓越高，能量越大，電子的散射區域就越大。那么產生的二次電子或背散射電子中，從更深處發射的比例則更多。因此較大的加速電壓雖然有更好的水平方向的分辨率，但是卻忽略了試樣很多的表面細節；而低電壓雖然水平方向分辨率相對較差，但是卻對深度方向有著更好的靈敏度，可以反映出表面更多的形貌細節。
如圖5-17，試樣為表面修飾的二氧化硅球，5kV電壓看不出任何表面細節，而2kV下則能觀察到明顯的顆粒。再如圖5-18，納米顆粒粉末在不同電壓下的表現，因為顆粒團聚嚴重，所以在5kV電壓下無法將團聚顆粒很好的區分，顯得粒徑更大，而1kV下則能觀察到相對更細小的顆粒。
圖5-17? SiO2球在5kV（左）、1kV（右）電壓下的圖像
圖5-18? 納米顆粒在5kV（左）、1kV（右）電壓下的圖像
當加速電壓降低到200V左右的超低水平后，電子束的作用區域變得很小，常規的邊緣效應或者尖端效應基本可以去除，如圖5-19。
圖5-19? 200V左右的電壓可以消除邊緣效應
不過并不是說電壓越低，表面細節越豐富就越好。有時對于一些特殊樣品反而希望有較高的穿透深度。比如，對一些包覆材料，希望看到包覆效果，需要電子束能穿透較深，將包覆內部的信息反映出來。如果僅使用低電壓，只能看出包覆層的表面細節，而達不到預想的效果。
如圖5-20，右邊5kV拍攝的圖比左邊2kV下有有助于我們觀察到石墨烯包覆球狀物的效果。還有的樣品所感興趣的一些東西嵌在基體內部，此時也需要較高的電壓來達到一定的穿透效果，觀察到感興趣的特征。
圖5-20 石墨烯包覆在不同電壓下穿透效果
此外，低電壓因為穿透小，所以對表面極為敏感，當然對表面污染也顯得更為清楚。而有時候我們不想獲得有太多污染的圖片，此時提高電壓，增強電子束穿透能力也會降低表面污染的負面影響，如圖5-21。
圖5-21 表面污染物在1kV（左）和15kV（右）下的對比
所以穿透深度要根據實際的需求來進行選擇，低電壓有助于表現更多表面細節，高電壓有助于觀察到樣品的內部情況，要根據實際需要來選擇加速電壓。
⑥? 信噪比因素
加速電壓變小，雖然很多物質的電子產額更高，但是因為電子束的信號變弱，所以整體二次電子和背散射電子信號也變弱。一般來說都是高電壓有著比低電壓更好的信噪比。
對于一些信噪比不好的情況，可以通過適當增加電壓來提升信噪比；不過如果加速電壓因為其它原因不能改變，可以通過多種方式來提升信噪比，如：增加束斑束流、選擇更大孔徑光闌、降低掃描速度、使用線積分或者面積累、減小工作距離、適當增加探測器的偏壓、或者試樣傾轉樣品。
⑦? 其它附件因素
掃描電鏡不僅僅是拍攝圖像，通常還配備了其它分析附件。不同的附件對電壓也有一定的要求。在進行其它分析的時候，可能要優先考慮附件工作的需要。
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?課后作業
每期文章末尾小編都會留1個題目，大家可以在留言區回答問題。
對于金屬材料和低原子序數試樣，要想獲得較好的形貌和成分襯度，應該怎樣選擇加速電壓？
簡介
《掃描電子顯微鏡及微區分析技術》是由業內資深的技術專家李威老師（原上海交通大學掃描電鏡專家，現任TESCAN技術專家）、焦匯勝博士（英國伯明翰大學材料科學博士）、李香庭教授（電子探針領域專家，兼任全國微束分析標委會委員、上海電鏡學會理事）編著，并于2015年由東北師范大學出版社出版發行。本書編者都是非常資深的電鏡工作者，在科研領域工作多年，李香庭教授在電子探針領域有幾十年的工作經驗，對掃描電子顯微鏡、能譜和波譜分析都有很深的造詣，本教材從實戰的角度出發編寫，希望能夠幫助到廣大電鏡工作者，特別是廣泛的TESCAN客戶。感興趣的用戶，敬請關注TESCAN的線上研討會，我們會不定期舉辦抽獎贈書活動。
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