在進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析時(shí)，為了獲得感興趣區(qū)域*的圖像效果，必須考慮一些重要的參數(shù)。其中一個(gè)很重要的參數(shù)就是加速電壓，它是加在電子槍的陰極和陽極之間，用來加速電子產(chǎn)生電子束的。加速電壓的選擇與樣品的導(dǎo)電性、放大倍數(shù)及圖片質(zhì)量等因素有關(guān)。一般來說，加速電壓越高，圖像的分辨率越高。

在zui近幾年，掃描電鏡（SEM）廠商已經(jīng)開始致力提高低電壓成像的分辨率。低電壓成像技術(shù)主要應(yīng)用于生命科學(xué)領(lǐng)域，特別是在獲得諾貝爾獎(jiǎng)的冷凍電鏡技術(shù)問世之后。這篇博客將集中討論加速電壓對分析圖像的影響。

加速電壓決定作用區(qū)域的大小

加速電壓是電子能量的象征，它決定了電子束與樣品之間的相互區(qū)大小。一般情況下，加速電壓越高，電子束在樣品表面穿透越深，作用區(qū)也就越大。

這意味著電子將在樣品中更深入地傳播，并在不同區(qū)域中產(chǎn)生信號。樣品的化學(xué)成分也會(huì)對作用區(qū)的大小產(chǎn)生影響：輕元素的核外電子層數(shù)較少，電子能量較低，這限制了其對入射電子的影響。因此與重元素的樣品相比，電子束對于輕元素樣品的穿透更深。

對輸出信號進(jìn)行分析時(shí)，可以得到不同的結(jié)果。在臺(tái)式掃描電鏡中，通常檢測到三種信號：背散射電子（BSE）、二次電子（SE）和X射線。

加速電壓對掃描電鏡成像的影響

加速電壓對于BSE和SE成像的影響是類似的：低加速電壓能夠得到樣品表面更多的細(xì)節(jié)；而在高加速電壓下，圖像的分辨率提高，但由于穿透效應(yīng)，樣品的表面細(xì)節(jié)減少，有利于忽略樣品表面的一些細(xì)小污染物。這可以在下面的圖片中看到，在低加速電壓下，樣品表面的污染物清晰可見，而高加電壓的圖像表面污染物“減少”。

圖1：在5kV(左)和15kV(右)下錫球的BSE圖像。在低電壓下，樣品頂部的碳污染清晰可見。當(dāng)電壓增加時(shí)，穿透作用使錫球表面更加光滑，污染物“減少”。

對于不同性質(zhì)的樣品，選擇合適的加速電壓非常重要。生物樣品、聚合物以及其他有機(jī)樣品都對高能量的電子非常敏感。由于SEM在真空中運(yùn)作，這種敏感性進(jìn)一步增強(qiáng)。這就是SEM廠商致力于開發(fā)低電壓下成像技術(shù)的原因，這樣的話即使是zui精細(xì)、對電子束能量敏感的樣品也能拍出比較好的圖像。

在這一過程中遇到的主要困難是成像技術(shù)背后的物理原理：與攝影相似，存在幾種可能的因素會(huì)影響zui終輸出的圖像質(zhì)量，如畸變和像差。隨著電壓升高，獲得的信號量也變多，色差的影響逐漸減小，這也是為什么之前SEM的趨勢是利用盡可能高的電壓以提高成像分辨率的主要原因。

X射線的產(chǎn)生

在X射線方面，情況*不同：越高的加速電壓越有利于X射線的產(chǎn)生。X射線可以由能譜儀（EDS）捕獲和處理，從而對樣品的成分進(jìn)行分析。

入射電子束中的電子與樣品中的原子相互作用，迫使目標(biāo)樣品中的電子被打出。這樣樣品中就會(huì)有空穴生成，它由一個(gè)來自于同一原子的外層能量較高電子填充。這個(gè)過程要求電子以X射線的形式釋放部分能量。X射線的能量zui終可以通過Moseley定律與原子的原子質(zhì)量相關(guān)聯(lián)。因此通過EDS分析可判斷樣品的化學(xué)成分。

X射線生產(chǎn)的關(guān)鍵因素:

• 過壓比：入射電子束能量與目標(biāo)原子所需電離能量的比值
• 相互作用區(qū)范圍：定義分析空間分辨率

一般進(jìn)行能譜分析時(shí)，理想狀態(tài)下所需要的過壓比為1.5，這意味著通過增大加速電壓，可一檢測更多序數(shù)較大的元素。另一方面，在高加速電壓下，樣品被電子束損傷的幾率也就越大，同時(shí)作用范圍也就越大。

X射線的產(chǎn)生可能來自更大的作用區(qū)域，影響能譜分析結(jié)果的可信度。在多層、顆粒和非均質(zhì)材料的情況下，較大的作用區(qū)域會(huì)產(chǎn)生來自樣本不同成分的信號，從而影響能譜分析的結(jié)果。

圖2：15kV下收集的EDS圖像。這些峰值突出顯示了每個(gè)元素的存在，并應(yīng)用復(fù)雜的算法將探測器的信號轉(zhuǎn)換成化學(xué)成分。

為了平衡兩者的影響，通常推薦加速電壓值在10kV到20kV之間。進(jìn)行能譜分析時(shí)，還要注意的一點(diǎn)就是，可能出現(xiàn)重疊峰，因?yàn)閄射線是各種元素的電子在不同電子層躍遷時(shí)產(chǎn)生的，它們可能會(huì)有非常類似的能量。

這需要更先進(jìn)的集成流程來消除峰值并使結(jié)果正常化，或者使用更高的加速電壓來獲得更高的能量線（來自兩個(gè)具有重疊峰值的元素之一）。雖然前者已經(jīng)在大多數(shù)EDS軟件中實(shí)現(xiàn)，后者還不能滿足所有情況，考慮到像鉛這樣的非常普遍的元素，其更高能量水平線需要高于100kV的電壓。