Методы подготовки образцов для сканирующей электронной микроскопии

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это прибор, который с помощью пучка электронов сканирует поверхность образца и, регистрируя сигналы, такие как вторичные электроны или обратно рассеянные электроны, получает информацию о его морфологии, структуре и составе. СЭМ обладает высоким разрешением, большой глубиной резкости и широкими аналитическими возможностями, являясь важным исследовательским инструментом в таких областях, как материаловедение, биология, геология и электроника.

Принцип формирования изображения в сканирующем электронном микроскопе требует, чтобы образец соответствовал следующим условиям:

- Образцы должны выдерживать условия высокого вакуума и не содержать воды или летучих веществ; в противном случае это может ухудшить степень вакуума и стабильность электронного пучка, а также повредить прибор.

- Образец должен обладать определённой электропроводностью, чтобы обеспечивать ввод электронного пучка в образец и отведение избыточного заряда; в противном случае возникнет эффект зарядки образца, что приведёт к искажению или размытию изображения.

- Размер образца должен позволять разместить его в образцовой камере; как правило, он не превышает 10 см × 10 см × 5 см, а его поверхность должна быть максимально ровной для обеспечения фокусировки и сканирования электронным пучком.

Таким образом, для образцов, не отвечающих этим требованиям, необходимо провести соответствующую подготовку, чтобы обеспечить возможность наблюдения и анализа на сканирующем электронном микроскопе. Выбор метода подготовки образца и его выполнение непосредственно влияют на качество изображения и точность результатов анализа; это — важнейший этап сканирующей электронной микроскопии. В настоящей статье представлены несколько распространённых методов подготовки образцов к исследованию на СЭМ, включая фиксацию, резку, шлифование, полировку, нанесение покрытия, сушку и диспергирование, а также их принципы, последовательность операций и меры предосторожности.

Фиксированный

Фиксация заключается в закреплении образца на поддерживающем материале с целью последующей подготовки к анализу или непосредственного размещения его в сканирующем электронном микроскопе для наблюдения. Цель фиксации — обеспечить отсутствие перемещений и отклеивания образца в процессе подготовки, а также его стабильное и электропроводящее состояние в сканирующем электронном микроскопе.

Существует несколько способов фиксации; наиболее распространёнными являются следующие:

- Метод приклеивания: с помощью токопроводящей ленты или токопроводящего клея образец крепится на металлическую или углеродную подложку; данный метод применяется для образцов в виде блоков или пластин и требует, чтобы нижняя поверхность образца была как можно более ровной, чтобы обеспечить надёжный контакт и хорошую электропроводность.

- Зажимный метод: образец зажимается на образцетвердителе с помощью металлического или углеродного зажима; подходит для неправильных по форме или крупногабаритных образцов; при этом зажим должен надёжно фиксировать образец и не загораживать путь электронному пучку или поле зрения детектора.

- Метод включения: образец включают в материал, такой как смола или воск, придавая ему определённую форму; подходит для образцов в виде частиц или жидкостей; при этом включаемый материал должен полностью проникать в образец и надёжно его обволакивать, не нанося ему химических или физических повреждений.

Резка

Резка заключается в разделении образца на размеры и форму, соответствующие требованиям последующей подготовки проб или непосредственного размещения его в сканирующем электронном микроскопе для наблюдения. Целью резки является обеспечение адаптации образца к габаритным ограничениям камеры образца СЭМ, а также раскрытие интересующих признаков или сечений.

Существует несколько способов резки; наиболее распространёнными являются следующие:

- Пиление: с помощью алмазных или металлических пильных дисков и других инструментов образец распиливают до требуемых размеров и формы; данный метод подходит для образцов повышенной твёрдости или однородной структуры, при этом необходимо обеспечить, чтобы в процессе распиливания не возникало чрезмерного термического повреждения или деформации образца.

- Метод срезов: образец нарезают на тонкие срезы с помощью ультразвукового микротома или криостатического микротома; данный метод подходит для мягких или водосодержащих образцов и требует сохранения исходной структуры и состава образца в процессе нарезки, а также обеспечения равномерной толщины срезов.

- Дробление: с помощью плоскогубцев, молотка, ступки и других инструментов образец измельчают до мелких фрагментов или порошка; данный метод применяется для хрупких или пористых образцов. При дроблении необходимо минимизировать загрязнение и окисление образца, а степень измельчения должна быть умеренной — не слишком крупной и не слишком мелкой.

Шлифовка

Шлифование — это процесс, при котором поверхность образца обрабатывают абразивными материалами, такими как наждачная бумага или шлифовальный круг, с целью выравнивания её поверхности для последующей подготовки к анализу или непосредственного исследования в сканирующем электронном микроскопе. Цель шлифования — устранить дефекты на поверхности образца, такие как шероховатость, царапины и оксидные слои, а также уменьшить деформированный или напряжённый поверхностный слой.

Существует несколько методов измельчения; наиболее распространёнными являются следующие:

- Ручная шлифовка: с использованием наждачной бумаги различной зернистости, образец постепенно обрабатывают вручную, начиная с более крупнозернистой и переходя к более мелкозернистой. Этот метод подходит для образцов небольших размеров или простой формы; при шлифовке необходимо следить за сохранением горизонтального положения образца и стабильностью его ориентации, чтобы избежать неравномерного износа наждачной бумаги или неоднородного износа самого образца.

- Механическое шлифование: с использованием абразивных кругов различной зернистости, в порядке от грубой к тонкой, образец механически шлифуют на абразивном круге; данный метод подходит для образцов больших размеров или сложной формы. В ходе шлифования необходимо строго контролировать скорость вращения и давление на круг, чтобы избежать перегрева или переохлаждения образца, а также засорения или разбрызгивания абразива.

Полировка

Полировка заключается в обработке поверхности образца с использованием полировальных материалов — таких как полировальная ткань или полировальная жидкость — с целью подготовки образца к последующим операциям или непосредственного его исследования в сканирующем электронном микроскопе. Целью полировки является удаление следов шлифования с поверхности образца, а также дальнейшее уменьшение деформационного или напряжённого слоёв на её поверхности.

Существует несколько методов полировки; наиболее распространёнными являются следующие:

- Ручная полировка: с использованием полировальных тканей различной зернистости, в порядке убывания степени зернистости, образец вручную шлифуют на этих тканях; данный метод подходит для образцов небольших размеров или простой формы и требует соблюдения горизонтального положения и стабильного направления образца в процессе полировки, чтобы избежать неравномерного износа полировальной ткани и неоднородной полировки.

- Механический метод полировки: применяют полировальные жидкости различной зернистости, последовательно от более крупной к более мелкой, и механически шлифуют образец на полировальном круге. Этот метод подходит для образцов больших размеров или сложной формы; в ходе полировки необходимо тщательно контролировать скорость вращения полировального круга и приложенное давление, чтобы избежать перегрева или переохлаждения образца, а также разбрызгивания или высыхания полировальной жидкости.

- Электрохимическая полировка: в качестве полировочного агента используется электролит; образец подключается в качестве анода, и под действием электрического тока ионы металла с его поверхности растворяются, что обеспечивает эффект полировки. Этот метод применим к образцам из металлов или сплавов; при этом состав и концентрация электролита должны соответствовать материалу образца, а величина тока и продолжительность процесса — быть точно регулируемыми, чтобы избежать чрезмерной или недостаточной коррозии образца.

Покрытие

Напыление — это процесс нанесения на поверхность образца тонкой плёнки, позволяющий затем проводить дальнейшую подготовку образца или непосредственно помещать его в сканирующий электронный микроскоп для наблюдения. Целью напыления является повышение электропроводности образца, а также улучшение его поверхностной морфологии или структуры.

Способов нанесения покрытия существует множество; наиболее распространёнными являются следующие:

- Вакуумное испарение: с помощью вакуумного испарителя металл или углерод и другие материалы нагревают до температуры испарения, после чего их пары движутся в вакууме и осаждаются на поверхности образца, формируя тонкую пленку. Этот метод подходит для различных типов образцов; при этом требуется высокая чистота и однородность испаряемого материала, а также точное регулирование степени вакуума и температуры в процессе испарения, чтобы избежать слишком быстрого или слишком медленного испарения, а также окисления или химических реакций с участием испаряемого материала.

- Способ распыления: в установке для распыления в качестве мишени используется металл или углерод; под действием высокого электрического напряжения ионизированные атомы инертного газа, например аргона, бомбардируют мишень, вызывая выбивание её атомов, которые затем осаждаются на поверхности образца, формируя тонкую пленку. Этот метод применим к образцам различной природы; при этом требуется высокая чистота и однородность материала мишени, а также точное регулирование давления газа и напряжения в процессе распыления, чтобы избежать слишком быстрого или слишком медленного скорости распыления, а также окисления или химических реакций с материалом мишени.

- Химическое осаждение из газовой фазы: с использованием установки химического осаждения из газовой фазы в качестве прекурсора применяют газообразные соединения металлов или углерода; под действием термического разложения или плазмы на поверхности образца происходит химическая реакция, в результате которой формируется тонкая пленка. Этот метод подходит для различных типов образцов; при этом необходимо правильно выбрать и оптимально подобрать состав прекурсора с учётом материала образца, а также тщательно контролировать температуру и параметры газового потока в процессе осаждения, чтобы избежать чрезмерно высокой или слишком низкой скорости осаждения, а также разложения или полимеризации прекурсора.

Сухой

Сушка заключается в удалении из образца воды или других летучих веществ с целью последующей подготовки к анализу либо непосредственного наблюдения в сканирующем электронном микроскопе. Целью сушки является обеспечение устойчивости образца в условиях высокого вакуума, а также сохранение его первоначальной формы и структуры.

Существует несколько способов сушки; наиболее распространёнными являются следующие:

- Сушка в печи: с использованием сушильного шкафа или термофена и других устройств образец нагревают до определённой температуры, чтобы испарилась содержащаяся в нём влага или другие летучие вещества; данный метод подходит для образцов с хорошей термостабильностью; при этом необходимо тщательно контролировать температуру и время сушки, чтобы избежать перегрева или недогрева образца, а также его окисления или изменения цвета.

- Сублимационная сушка: при помощи сублимационной сушильной установки образец охлаждают до определённой температуры, чтобы влага или другие летучие вещества замёрзли, после чего при пониженном давлении нагревают, добиваясь их прямого сублимирования. Этот метод подходит для термочувствительных образцов или образцов с высоким содержанием воды; при этом необходимо тщательно контролировать температуру и степень вакуума в процессе сушки, чтобы избежать переохлаждения или перегрева образца, а также повреждения его структуры или состава.

- Метод сушки в критической точке: с использованием аппарата для сушки в критической точке образец погружают в жидкость, обладающую критической точкой, например углекислый газ, после чего при высокой температуре и давлении доводят жидкость до критического состояния — когда граница между жидкой и газообразной фазами исчезает; затем постепенно снижают давление, переводя жидкость в газообразное состояние и таким образом заменяя воду или другие летучие вещества в образце. Этот метод подходит для образцов с микроструктурой или с высоким содержанием воды; при его проведении необходимо тщательно контролировать температуру и давление, чтобы избежать усадки или деформации образца, а также повреждения его структуры или состава.

Рассеянный

Диспергирование — это процесс распределения частиц, волокон и других компонентов образца по носителю с целью последующей подготовки образца к анализу либо непосредственного его размещения в сканирующем электронном микроскопе для наблюдения. Цель диспергирования — обеспечить равномерное распределение всех компонентов образца, а также повысить его проводимость или стабильность.

Существует несколько методов рассеивания; наиболее распространёнными являются следующие:

- Растворный метод: образцы, содержащие частицы или волокна и др., растворяют или суспендируют в воде или другом растворителе, после чего наносят каплями на металлическую или углеродную подложку; затем ждут естественного высыхания раствора либо проводят его термическое высушивание. Этот метод применяется для образцов, способных растворяться или находиться в суспензии; при этом необходимо тщательно контролировать концентрацию раствора и объём наносимых капель, чтобы избежать скопления или расслоения образца, а также кристаллизации или выпадения осадка.

- Метод приклеивания: с помощью токопроводящей ленты или токопроводящего клея частицы, волокна и другие компоненты образца фиксируются на металлической или углеродной подложке; данный метод применяется для нерастворимых или неспособных к суспендированию образцов и требует, чтобы в процессе приклеивания максимально сохранялась их дисперсность и ровная поверхность, а также обеспечивалось надлежащее высыхание и отверждение клея или ленты.

- Метод распыления: с помощью распылителя частицы или волокна, содержащиеся в образце, под воздействием высокого давления газа или ультразвука преобразуются в мелкие капли жидкости или твёрдые частицы, после чего распыляются на металлическую или углеродную подложку. Этот метод применяется для порошкообразных и жидких образцов; при этом необходимо тщательно контролировать давление газа или интенсивность ультразвукового воздействия, чтобы избежать агрегации или разлёта частиц образца, а также загрязнения или повреждения подложки.

Столешный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 компании ZEPTOOLS

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда компания приступила к разработке электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время в компании работают… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, пользуется широким признанием как на внутреннем, так и на международном рынках, заполняя многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑измерительных приборов.