你知道在SEM掃描電鏡中, 加速電壓能起到什么作用嗎？

在進行掃描電鏡分析時，為了獲得感興趣區域好的圖像效果，須考慮一些重要的參數。其中一個很重要的參數就是加速電壓，它是加在電子槍的陰極和陽極之間，用來加速電子產生電子束的。加速電壓的選擇與樣品的導電性、放大倍數及圖片質量等因素有關。一般來說，加速電壓越高，圖像的分辨率越高。

在近幾年，SEM掃描電鏡廠家已經開始致力提高低電壓成像的分辨率。低電壓成像技術主要應用于生命科學領域，特別是在獲得諾貝爾獎的冷凍電鏡技術問世之后。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，并在不同區域中產生信號。樣品的化學成分也會對作用區的大小產生影響：輕元素的核外電子層數較少，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。

對輸出信號進行分析時，可以得到不同的結果。在臺式掃描電鏡中，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SEM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節；而在高加速電壓下，圖像的分辨率提高，但由于穿透效應，樣品的表面細節減少，有利于忽略樣品表面的一些細小污染物。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”。

在低電壓下，樣品頂部的碳污染清晰可見。當電壓增加時，穿透作用使錫球表面更加光滑，污染物“減少”。

對于不同性質的樣品，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樣品都對高能量的電子非常敏感。由于掃描電鏡在真空中運作，這種敏感性進一步增強。這就是SEM掃描電鏡廠家致力于開發低電壓下成像技術的原因，這樣的話即使是Z精細、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背后的物理原理：與攝影相似，存在幾種可能的因素會影響輸出的圖像質量，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，這也是為什么之前掃描電鏡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射線的產生

在X射線方面，情況完全不同：越高的加速電壓越有利于X射線的產生。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，迫使目標樣品中的電子被打出。這樣樣品中就會有空穴生成，它由一個來自于同一原子的外層能量較高電子填充。這個過程要求電子以X射線的形式釋放部分能量。X射線的能量可以通過Moseley定律與原子的原子質量相關聯。因此通過EDS分析可判斷樣品的化學成分。

X射線產生的關鍵因素:

過壓比：入射電子束能量與目標原子所需電離能量的比值

相互作用區范圍：定義分析空間分辨率

一般進行能譜分析時，理想狀態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，同時作用范圍也就越大。

X射線的產生可能來自更大的作用區域，影響能譜分析結果的可信度。在多層、顆粒和非均質材料的情況下，較大的作用區域會產生來自樣本不同成分的信號，從而影響能譜分析的結果。