扫描电镜样品制备技巧：日立电子用户指南（必学秘籍）


参考资源链接：[日立电子扫描电镜操作指南：V23版](https://wenku.csdn.net/doc/6412b712be7fbd1778d48fb7?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 扫描电子显微镜（SEM）基础概述

## 简介
扫描电子显微镜（SEM）是一种使用电子束代替光束的高分辨率成像设备，它允许用户观察材料表面的微观结构，范围从毫米至纳米级。

## SEM的工作原理
SEM通过聚焦一束高能电子束扫描样品表面，并收集由此产生的各种信号（如二次电子、背散射电子等）来形成图像。这些信号与样品表面的形貌、成分和晶体取向有关。

## SEM的应用领域
SEM广泛应用于材料科学、生物学、地质学、化学、工程学和其他领域，以进行表面分析、缺陷检测、颗粒大小和形状的测定等。

通过这一章节，我们对SEM有了基本了解，接下来第二章将深入探讨日立SEM的样品制备基础理论，为进行更高质量的成像分析奠定基础。

# 2. 日立SEM样品制备基础理论

### 2.1 样品制备的重要性与基本流程

#### 2.1.1 为什么需要样品制备

样品制备是获得高质量扫描电子显微镜（SEM）图像的关键步骤。由于SEM需要在真空环境下工作，并且电子束对样品表面进行扫描时，样品必须具备良好的导电性以避免表面电荷的积累，因此在进行成像之前，样品必须进行适当的处理。适当的样品制备不仅可以增强图像的分辨率，还可以保护样品，避免由于电子束照射而造成的损伤。

SEM工作时，电子束在样品表面产生各种信号，如二次电子、背散射电子等，这些信号携带着样品表面结构的信息。为了使这些信号能够有效产生并被探测器捕获，样品制备过程需要包括去除表面污染、涂覆导电膜、样品切割和固定等步骤，以确保样品表面的清洁、平整和导电性。

#### 2.1.2 样品制备的基本步骤

样品制备的基本流程包括以下几个主要步骤：

1. **样品的清洁**：去除样品表面的油脂、灰尘等杂质，以防止这些杂质对成像质量造成影响。常用的方法有酒精超声清洗、丙酮蒸汽清洗等。
2. **导电性处理**：由于非导体样品在电子束照射下容易积累电荷，从而影响成像质量，因此需要对样品表面进行金属涂层处理或使用离子溅射仪喷镀导电层。

3. **样品的切割与固定**：对于固体样品，需要使用适当的切割工具将其切割成适当大小的片状或块状，然后固定在SEM样品台上。常用的切割工具有金刚石刀、砂轮切割机等。固定样品通常使用导电胶带或导电胶。

4. **涂覆导电膜**：对非导电样品，特别是在分析有机和生物样品时，通常会采用溅射或蒸发镀膜的方式在其表面涂覆一层薄薄的金、铂或碳膜，以提高样品表面的导电性。

5. **脱水与干燥**：对于生物样品而言，需要逐步替换掉水分以防止在SEM成像过程中产生气泡，常用的方法包括丙酮或酒精的逐级置换和临界点干燥。

每个步骤都需要精确控制条件和参数，以确保样品在SEM成像过程中保持稳定和无损害。接下来，我们将深入探讨每个步骤的细节和关键技术。

### 2.2 样品的导电性处理

#### 2.2.1 金属涂层的方法与选择

金属涂层的目的是增加样品表面的导电性，减少或消除样品表面的电荷积累，从而获得更加清晰稳定的SEM图像。涂层材料需要具备良好的导电性，并且要能够形成均匀、薄而连续的层。常用的金属涂层材料有金、铂、银和碳。根据样品的性质和SEM成像的需求，选择合适的涂层方法和材料是非常关键的。

- **蒸发镀膜法**：在真空环境中加热金属丝或金属盘，使其蒸发沉积到样品表面。该方法的优点是涂层均匀，但是沉积速率较慢，且对样品的热损伤较大，适用于热稳定性好的样品。

- **溅射镀膜法**：利用辉光放电或射频溅射技术，使金属原子从靶材中喷出并沉积到样品表面。与蒸发镀膜法相比，溅射镀膜的温度更低，可以沉积更薄的膜，适用于热敏感样品。

- **喷金法**：使用气雾剂形式的金属溶液（如金胶）对样品表面进行喷涂。这种方法简便快捷，但容易造成涂层不均匀。喷金法通常用于初步的导电性处理。

选择金属涂层方法时，需要综合考虑样品的性质、所需的导电层厚度、成像要求以及实验条件等因素。

#### 2.2.2 离子溅射仪操作基础

离子溅射仪是一种常用的样品导电性处理设备，该设备通过辉光放电产生离子，并在电场作用下加速这些离子轰击金属靶材，从而使金属原子脱离靶材并沉积到样品表面。离子溅射仪操作的基本步骤如下：

1. **准备样品**：将样品固定在样品台上，确保样品位置正确，表面暴露。

2. **抽真空**：启动真空泵，将溅射室内抽至高真空状态。这个过程需要等待几分钟至几十分钟，具体时间取决于样品台大小和真空室的抽气速率。

3. **输入气体**：向溅射室内通入惰性气体，一般使用氩气。气体压力需要严格控制，太低可能影响溅射速率，太高可能导致气体放电不稳定。

4. **设置溅射参数**：根据样品性质和所需的金属膜厚度，设置合适的溅射电流和电压。参数设置需要根据实际设备和实验条件进行经验摸索。

5. **进行溅射**：启动溅射过程，观察溅射电流和真空度指标，确保溅射过程稳定进行。

6. **结束溅射**：溅射完成后，先关闭溅射电源，再缓慢通入空气，将样品取出。

在操作过程中，需要注意溅射设备的维护和安全使用。溅射室内气压较高，容易发生危险。此外，溅射室中沉积的金属膜可能具有毒性，操作者需做好防护措施。

### 2.3 样品的切割与固定

#### 2.3.1 微型切割技术的原理与应用

微型切割技术是制备SEM样品中不可或缺的一环，尤其在材料科学和生物医学领域中，精确地制备微小样品对研究表面结构和组成至关重要。微型切割技术主要利用高精度切割工具，如金刚石刀片或切割轮，进行样品切割。切割精度可以达到微米甚至纳米级别，保证样品在切割过程中的尺寸精度和表面完整性。

微型切割技术的原理是利用金刚石刀片或轮的锋利边缘来物理切割样品，通常是在显微镜下操作以确保切割精度。由于金刚石具有极高的硬度和耐磨性，因此它被广泛应用于切割硬质材料，如陶瓷、金属和矿物等。对于软质材料如生物组织，则可能使用更软的切割材料，如玻璃刀片。

应用方面，微型切割技术可以用于：

- **半导体工业**：用于切割半导体芯片以检查其内部结构。
- **材料科学**：对复合材料和纳米材料进行断面分析。

- **生物医学**：制备细胞或组织样本，用于疾病研究和诊断。

切割工具的选择和操作方法决定了切割结果的质量。在操作时，需要考虑样品的硬度、厚度以及切割后的样品保持完整性的问题。

#### 2.3.2 样品固定方法的比较与选择

在样品制备过程中，样品的固定对于保持样品在制备过程中的稳定性和在SEM成像中的位置至关重