在進(jìn)行掃描電鏡分析時(shí)，為了獲得感興趣區(qū)域好的圖像效果，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。

在近幾年，SEM掃描電鏡廠家已經(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(hào)。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(hào)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(hào)：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(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”。

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。由于掃描電鏡在真空中運(yùn)作，這種敏感性進(jìn)一步增強(qiáng)。這就是SEM掃描電鏡廠家致力于開發(fā)低電壓下成像技術(shù)的原因，這樣的話即使是Z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(hào)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(chǎn)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(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射線產(chǎn)生的關(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(hào)，從而影響能譜分析的結(jié)果。