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    本文介紹影響掃描電鏡圖像質量的因素及其對圖像質量的影響，分別從加速電壓、掃描速度和信噪比、束斑直徑、探針電流、消像散校正、工作距離以及反差對比等分析圖像質量的變化原因，提出提高圖像質量的方法。   

    掃描電子顯微鏡是（Scanning Electron Microscope,SEM）是20 世紀30 年代中期發(fā)展起來的一種多功能的電子顯微分析儀器。SEM以其樣品制備簡單、圖像視野大、景深長、圖像立體感強，且能接收和分析電子與樣品相互作用后產生的大部分信息，因而在科研和工業(yè)等各個領域得到廣泛應用   

    但是掃描電鏡是非常精密的儀器，結構復雜，要想得到能充分反映物質形貌、層次清晰、立體感強和分辨率高的高質量圖像仍然是一件非常艱難的事情，本文針對工作中出現(xiàn)的問題，分析影響圖像質量的因素，討論如何根據樣品選擇*觀察條件。 

    1.加速電壓       

    掃描電鏡的電子束是由燈絲通電發(fā)熱溫度升高，當鎢絲達到白熱化，電子的動能增加到大于陽離子對它的吸引力(逸出功)時，電子就逃逸出去。在緊靠燈絲處裝上有孔的柵極(也叫韋氏蓋），燈絲尖處于柵孔中心。柵極上100~1000V 的負電場，使燈絲的電子發(fā)射達到一定程度時，不再能繼續(xù)隨溫度增加而增加，即達到空間電荷的飽和（這種提法是錯誤的）。離開柵極一定距離有一個中心有孔的陽極，在陽極和陰極間加有一個很高的正電壓稱為加速電壓[1]，它使電子束加速而獲得能量。加速電壓的范圍在1~30kV，其值越大電子束能量越大，反之亦然。       

    加速電壓的選用視樣品的性質(含導電性) 和倍率等來選定。當樣品導電性好且不易受電子束損傷時可選用高加速電壓，這時電子束能量大對樣品穿透深（尤其是低原子序數(shù)的材料）使材料襯度減小圖像分辨率高。但加速電壓過高會產生不利因素，電子束對樣品的穿透能力增大，在樣品中的擴散區(qū)也加大，會發(fā)射二次電子和散射電子甚至二次電子也被散射，多的散射電子存在信號里會出現(xiàn)疊加的虛影從而降低分辨率。

圖1 分別加速電壓為1kV，10kV，30kV 的SEM 像

    當樣品導電性差時，又不便噴碳噴金, 還需保存樣品原貌的這類樣品容易產生充放電效應，樣品充電區(qū)的微小電位差會造成電子束散開使束斑擴大從而損害分辨率。同時表面負電場對入射電子產生排斥作用，改變電子的入射角，從而使圖像不穩(wěn)定產生移動錯位，甚至使表面細節(jié)根本無法呈現(xiàn)，加速電壓越高這種現(xiàn)象越嚴重，此時選用低加速電壓以減少充、放電現(xiàn)象，提高圖像的分辨率。

    2.掃描速度和信噪比

    在顯像管的屏幕上電子束每行掃描約2000 點，每幀畫面約2000行，每秒鐘掃描25 幀。這就意味著每個點上只停留0.01μs[2]。電子束對樣品的相互作用以及檢測器對這種作用的響應很慢，即在0.01us期間每個點上獲得的信號很弱，需經過放大才能看清，這會帶來很多的噪音降低信噪比。掃描速度的選擇會影響所拍攝圖像的質量，如果拍圖的速度太快信號強度很弱。另外由于無規(guī)則信號的噪音干擾使分辨率下降。如果延長掃描時間會使噪音相互平均而抵消，因此提高信噪比增加畫面的清晰程度。但掃描時間過長，電子束滯留在樣品上的時間就會延長，電子束會使材料變形，降低分辨率甚至出現(xiàn)假象，特別對生物和高分子樣品，觀察時掃描速度不能太慢。

    3.束斑直徑和工作距離

    在SEM 中束斑直徑決定圖像的分辨率。束斑的直徑越小圖像的分辨率越高。一般來講束斑直徑的大小是由電子光學系統(tǒng)來控制，并同末級透鏡的質量有關。如果考慮末級透鏡所產生的各種相差，則實際照射到試樣上的束斑直徑d為[3]d2=d02+ds2+dc2+df2 (1)式中，d0高斯斑直徑；ds由于透鏡球象差引起的電子探針的散漫圓直徑；dc由于透鏡色差所引起電子探針的散漫圓直徑；df由于衍射效應所造成電子探針的散漫圓直徑。在掃描電子顯微鏡的工作條件下：ds>>dc，df。因此公式(1) 可以近似為：d2=d02+ds2。因為d0與同末級透鏡的勵磁電流有關，而后者又與工作距離WD有關。WD越小，要求末級透鏡的勵磁電流愈大，相應的d0 愈小。此外對于一定質量的透鏡來講，球象差系數(shù)也是同工作距離WD有關，WD愈小相應的Cs（透鏡的球象差系數(shù)）也愈小。因此為獲得高的圖像分辨率則束斑直徑要小，同時需要采用小的工作距離。如果探針電流過高，電子束斑縮小過度，圖像中就容出現(xiàn)噪聲。如果要觀察高低不平的樣品表面，要求很高的焦深，則需要采用大的工作距離，同時需要注意，圖像的分辨率會明顯降低。

    4.探針電流       

    探針電流直接影響到束斑直徑、圖像信號強度、分辨率以及圖像清晰及失真程度等參數(shù)，而這些參數(shù)間又存在矛盾。電流越大電子束的束斑直徑越小，使分辨率增大，景深也增大。但是信號弱時，亮度有時會顯得不足、信噪比降低。對于一些高分子材料、生物樣品或一些不導電的樣品采用較大的探針電流，產生的電荷不能及時擴散遷移而形成積累，因而產生放電現(xiàn)象，難以得到高質量的形貌圖片；但是如果探針電流過小，會由于二次電子的信號較弱，本底雜散信號影響比較大，分辨率會下降，在高倍率下影響嚴重。因此探針電流選擇的原則是在反差和亮度滿足正常的情況下，加大探針電流，以便得到zui高的分辨率和較大的景深范圍。但是對于低倍率觀察圖像時要求豐富的層次結構為主，需要采用小一點的探針電流。

    5.象散校正        

    消象散器實際上是針對各種因素而造成的電子束束斑彌散圓，對于非對稱造成的軸上象散都可以用消象散器來校正。