燃煤超細顆粒物的掃描電鏡圖像優化方法

徐國榮， 黃 琳， 丁宏剛， 周子健， 陳 文

(華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

大氣顆粒物中可吸入顆粒物PM2.5是目前我國城市空氣的首要污染物之一，已經對空氣質量、大氣能見度等產生了嚴重影響。燃煤超細顆粒物是大氣中可吸入顆粒物PM2.5的主要來源之一[1],因此科研工作者們一直致力于研究燃煤超細顆粒物的生成和排放規律，希望有效控制其排放[2]。而燃煤超細顆粒物的生成規律與其微觀結構（如表面形貌、尺寸等）密切相關，因此通過對燃煤超細顆粒物的微觀結構進行有效觀察是燃煤顆粒物研究的重要手段[3]。

場發射掃描電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope，FESEM)因具有分辨率高、景深長、立體感強和細節豐富等特點，可以對材料進行顯微結構形貌表征，已成為目前分析材料形貌及結構最方便且最有效的方法之一[4]。然而燃煤超細顆粒物屬于不導電粉體材料，使用FESEM觀察非導體材料時，其差的導電性會導致入射電荷數量多于出射電荷數量，從而導致電荷聚焦，產生荷電效應。荷電效應會導致SEM圖像出現異常反差、圖像畸變、圖像漂移、亮點、亮線等問題[5-6]，從而造成圖像失真，無法獲得樣品的真實表面形貌信息。因此，有效地減輕荷電現象是燃煤超細顆粒物等不導電樣品獲得高質量SEM圖像的必要條件。目前，改善荷電現象以獲得高質量SEM照片的主要方式包括匹配的制樣方式[7-9]和合適的參數設置[10-14]兩種方式。然而針對燃煤超細顆粒物的掃描電鏡參數優化目前還沒有相關文章，為了深入分析顆粒物，尤其是燃煤顆粒物的形成規律，亟需通過高質量的SEM圖片分析顆粒物的表面微觀結構?；诖耍疚闹饕紫忍接懖趟維igma300 FESEM的工作原理，通過研究分析探測器、加速電壓、工作距離、光闌大小等參數對SEM圖像質量的影響，得出了FESEM參數的選擇原則，為顆粒物粉塵研究人員和電鏡工作者選用合適的參數提供參考。

1 FESEM的基本原理

掃描電鏡是利用電子槍發射電子束，經過電磁透鏡聚焦成極細的電子束，并由掃描線圈使電子束在樣品表面規則地來回掃描。入射電子與試樣相互作用將激發出二次電子(入射電子束轟擊出來并離開樣品表面的樣品中的核外電子)、背散射電子（被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，其能量與入射電子相當）、俄歇電子、特征X射線等各種信息[15]。如圖1所示，這些信息由相應的探測器收集、放大、處理。FESEM主要利用二次電子、背散射電子以及特征X射線等信號對樣品表面的特征進行分析。其中二次電子主要用于樣品表面形貌觀察，背散射電子可用于樣品的成分分析、成像及元素分布、晶體結構分析等，而X射線則用于樣品元素信息的分析。

圖1 入射電子束在樣品上激發出的各種信號

2 參數探討

2.1 探測器的選擇

圖2(a)、(b)是分別用InLens、SE2探測器拍的燃煤超細顆粒物12 k(放大倍數12 000)圖像，由圖可見，InLens探測器拍的圖像表面細節比較豐富，但由于受荷電效應影響，有亮線，圖像較扁平。而SE2探測器拍的圖像立體感較強，沒有出現放電效應，圖像比較有質感，但是樣品表面細節欠豐富。圖2(c)、(d)是分別用InLens、SE2探測器拍的燃煤超細顆粒物的高倍圖像（50 k），由圖像證實，InLens探測器更適合拍攝高倍圖像，而SE2探測器由于接受到樣品極淺表面的電子較少，導致圖像模糊。

圖2 探測器對圖片質量的影響

FESEM一般都內置有多個電子探測器，如InLens，SE2，HDBSD(背散射電子探測器)等。InLens探測器位于正光軸上，通過提升樣品臺的Z軸，縮短工作距離、減少各種像差，收集較為純凈二次電子來提高圖像分辨率，可以觀察樣品淺表信息，但是不足之處是拍攝的圖像立體感較差，容易受荷電效應影響，使得圖片出現反差，有亮線等問題。當需要高倍成像及觀察樣品表面細節時可選用InLens成像。SE2探測器位于極靴外的樣品倉內，在樣品臺的斜上方，收集樣品表層5～10 nm深度范圍內發射出的二次電子，對樣品表面形貌非常敏感，景深大，立體感強，特別適用于粗糙顆粒的觀察研究。而且SE2探測器上有偏壓，使得背向探測器區域產生的二次電子仍有相當一部分可以通過彎曲的軌道到達SE2探測器，從而可以防止陰影效應。當樣品放電嚴重或者需要大景深、強立體感時可選用SE2成像。HDBSD探測器可放置于極靴下方，收集能量較大的背散射電子，發射深度為0.1～1 μm，主要反映樣品的原子序數襯度、成分襯度，一般情況下，分辨率不及二次電子圖像，主要配合能譜使用。

2.2 加速電壓

加速電壓在SEM中是一個極為重要的參數。FESEM的加速電壓范圍一般在0.1～30 kV，分檔或連續可調。針對燃煤超細顆粒物不導電的特性，分別采用InLens、SE2探測器在2 kV、3 kV、5 kV、8 kV的加速電壓進行圖像采集。由圖3可知，用InLens探測器拍攝的2 kV圖像輪廓最清晰，表面細節最豐富，隨著電壓增加，照片邊緣逐漸模糊，樣品表面細節消失，而且有發亮區域，荷電條紋明顯；用SE2探測器拍攝的2～3 kV的圖像輪廓很清晰，景深強，可是隨著電壓增加，輪廓逐漸模糊，表面細節消失。這是因為加速電壓越高入射電子束的能量越高，入射電子的擴展范圍也越廣[14]，電子束穿透深度大，表面細節被掩蓋，另外，使用高加速電壓時，激發出的二次電子越多，越不利于樣品表面電荷趨于平衡，荷電現象明顯[16]。相反，使用低加速電壓時，電子束與樣品的作用深度淺，激發出的二次電子來源于入射區極表層，因此樣品表面細節非常豐富。而且電子束能量低，對樣品的損傷也較小。所以，低加速電壓不僅可以減少樣品的損傷，還能有效地減少荷電現象，更適于觀測燃煤超細顆粒物。

圖3 加速電壓對圖片質量的影響

2.3 工作距離

工作距離也是影響FESEM成像的重要參數。FESEM的工作距離是指極靴與樣品表面的距離[17]，通常用WD數字顯示，在實際測試中，FESEM真實距離是電子束聚焦到樣品表面所顯示的WD。

當采用InLens探測器成像，同時采用低加速電壓時，減小工作距離可以獲取更多的信號，而且能夠增加入射角，使得電子束斑直徑變小，可以提高分辨率，獲得更加清晰的圖片[11]。蔡司Sigma300采用半內透鏡成像方式，當工作距離小于3 mm時，樣品處于極靴附近的磁場中，如果粉末樣品粘不牢固，可能受荷電作用飄進極靴，造成極靴污損，所以建議較為安全的工作距離是大于3 mm。從圖4中可以發現，采用InLens探測器成像，在2 kV的加速電壓下，當工作距離由8 mm降至3.2 mm時，圖像分辨率提高，煤灰表面細節變得更加清晰。

圖4 采用InLens探測器時工作距離對圖片質量的影響

采用SE2探測器成像，工作距離并不是越近越好。SE2探測器在樣品倉內，位于樣品臺的斜上方，工作距離過大過小都可能造成SE2探測器接收的信號不足，使得圖像不夠清晰。采用SE2探測器成像，在2 kV的加速電壓下，工作距離分別為3 mm、5 mm、8 mm的成像結果見圖5所示。其中，工作距離5 mm的圖像分辨率較工作距離3 mm、8 mm的圖像分辨率高，而且有較佳的景深，樣品上下表面均能聚焦。所以用蔡司Sigma300拍攝燃煤超細顆粒物時，SE2探測器的最佳距離是5 mm左右。

圖5 SE2探測器時工作距離對圖片質量的影響

2.4 光闌大小的選擇

掃描電鏡的光闌主要用于遮擋非旁軸的雜散電子，同時可以調節束斑尺寸。選擇小光闌，電子束的束斑尺寸也相應減小，有利于提高圖像的分辨率；然而，入射電子束束流變小，激發信號電子數量變少，導致信噪比降低。而大光闌則相反。本文在InLens、SE2探測器 26 k倍數下，分別采用 20，30，60 μm的光闌對燃煤超細顆粒物進行拍攝，結果見圖6、7。從圖中可以發現，對于這兩種探測器，20 μm的光闌拍攝的圖片信噪比較低，而60 μm的光闌的束斑尺寸過大導致圖片分辨率差。相對來說30 μm光闌對應的信噪比和圖像分辨率都較高，所以拍攝燃煤超細顆粒物樣品，對于InLens、SE2探測器都建議采用30 μm光闌。

圖6 InLens探測器下光闌對圖片質量的影響

圖7 SE2探測器下光闌對圖片質量的影響

3 結束語

本文通過采用設置合適的探測器、調節電壓、工作距離、光闌等參數的方法，獲得了高質量的燃煤超細顆粒物SEM圖像：

1）InLens探測器收集樣品淺表面信息，但是不足之處是拍攝的圖像立體感較差，容易受荷電效應影響，適用于高倍成像及觀察樣品表面細節；SE2探測器對樣品表面形貌非常敏感，景深大，立體感強，特別適用于粗糙顆粒的觀察研究。

2）低加速電壓不僅可以減少樣品的損傷，還能有效地減少荷電現象，更適于觀測燃煤超細顆粒物。

3）較小的工作距離可以獲取更多的信號，使得電子束斑直徑變小，可以提高分辨率，獲得更加清晰的圖片。

4）30 μm光闌對應的信噪比和圖像分辨率都較高。

當燃煤超細顆粒物樣品放電嚴重或者需要大景深、強立體感時可選用SE2探測器，工作距離WD=5 mm，電壓3 kV左右，光闌30 μm的參數條件下進行拍攝；當需要高倍成像及觀察樣品表面細節時可選用InLens探測器，工作距離WD=3.2 mm，電壓2 kV，光闌30 μm的參數條件下進行拍攝。