二氧化硅微球的扫描电镜测长及形貌观察条件[1].pdf

第27卷 第5期 2008年10月 电 子 显 微 学 报 Journal of Chinese Electron Microscopy Society Vol227 No15 2008210 文章编号 100026281 2008 0520384206 二氧化硅微球的扫描电镜测长及形貌观察条件 朴玲钰 1 常怀秋 1 刘军涛 2 贺 蒙 1 任湘菱 3 唐芳琼 3 1 1 国家纳米科学中心 北京100190 21 天美 中国 科学仪器有限公司 北京100009 31 中国科学院理化技术研究所 北京100190 摘 要 本文用日立S24800型冷场发射扫描电镜对不同粒径二氧化硅微球进行测长研究及形貌观察 针对二氧化 硅材料特性和工作目标 使用多种测试条件 通过结果对比 分别获得测定二氧化硅微球直径和进行形貌观察的适 宜条件 关键词 扫描电镜 二氧化硅微球 形貌 直径 中图分类号 TG115121 513 O713 文献标识码 A 收稿日期 2008205205 基金项目 科技部重大科学研究计划 2006CB932606 及中国科学院知识创新工程重要方向项目 K JCX2YW2M03 支持 作者简介 朴玲钰 1973 女 朝鲜族 副研究员 新型材料的不断增长使扫描电子显微镜 SEM 测试技术在新材料表征领域的应用日益广泛 1 2 扫描电镜作为一种有效的显微结构分析工具 可对 材料进行多种形式的表面观察与分析 SEM具有分 辨率高 景深长及成像自然等优点 3 4 由于材料及 表征目标不同 在使用扫描电镜时 应选用不同测试 条件 5 6 当前普遍使用的粒度标准物质为聚苯乙烯球 它易于形成球形颗粒 亚微米级以上的颗粒直径容 易控制 但聚苯乙烯球稳定性较差 存放一定时间 后微球之间易发生粘连 在一些溶剂存在时 聚苯乙 烯会发生溶胀 升高温度 如电子束照射 会使聚苯 乙烯球发生变形 以上因素使聚苯乙烯球不适于作 为电镜类设备的粒度标准物质 作为粒度标准物质 的新型材料 二氧化硅球化学稳定性 热稳定性及溶 剂稳定性均优于聚苯乙烯球 7 二氧化硅导电性 差 用SEM观察时需要根据实验目标确定操作条 件 本文对影响二氧化硅微球的SEM成像主要因 素进行了系统分析 1 实验 本文使用的二氧化硅球是采用硅酸酯水解法 改进的St ber方法 合成的 与其它合成二氧化硅 颗粒的方法相比 该法合成简便 尺寸可控 可获得 完美球形 二氧化硅微球直径分别为600 nm 38 nm和300 nm 29 nm 为明确二氧化硅微球形貌观 察和直径测量的最佳条件 选用二次电子 SE 成 像 室温下进行SEM观察 分别改变扫描速度 加 速电压 工作距离 发射电流等参数 对获取图像进 行分析 2 结果与讨论 211 扫描速度 加速电压在2 kV到8 kV变化时 分别选用TV FAST Slow三种扫描速度抓图 根据图像质量分 析 二氧化硅导电性差 Slow模式下样品放电严重 无法获得正常可辨图像 采用FAST模式 获得的 图像没有放电现象 清晰可辨但景深不足 图像缺乏 立体感 与FAST模式相比 采用TV模式抓图 获 得的图像景深有所提高 三维效果良好 这一规律普 遍存在于不同加速电压下 因此 本文全部工作均 采用TV模式进行抓图 212 加速电压 针对二氧化硅导电性差的特性 在工作距离为 419 mm 发射电流为10 A时 本文分别采用2 kV 5 kV 8 kV的加速电压进行图像采集 由图1可见 随着加速电压的增加 样品放电现 象没有明显变化 表明2 kV到8 kV的加速电压区 间适宜于观察二氧化硅材料 从5万倍到15万倍 的过程中 加速电压增加 图像的景深下降 形貌细 节减少 分辨率提高 边缘效应减弱 由于加速电压 增加 聚于样品表面的电子束斑直径减小 从而提高 了成像分辨率 同时 入射电子能量随加速电压增加 而升高 微球中部被激发的二次电子同边缘相比有 所增加 使图像的边缘效应相对减弱 图1 不同放大倍率及加速电压下600 nm二氧化硅微球的扫描电镜像 工作距离419 nm a c 5万倍 Bar 1 m d f 8万倍 Bar 500 nm g i 15万倍 Bar 300 nm a d g 2 kV b e h 5 kV c f i 8 kV Fig11 The SEM images of SiO2micro2ball 600 nm with different magnification and acceleration voltage 对于更小的二氧化硅微球 300 nm 见图2 加 速电压变化对成像效果的影响趋势与大粒径样品基 本相同 随着加速电压的升高 样品放电现象没有 明显变化 从5万倍到15万倍 图像的景深下降 形 貌细节减少 分辨率提高 边缘效应减弱 因此 对于二氧化硅微球样品进行形貌观察宜 使用低加速电压 进行直径测量宜使用高加速电压 当微球直径低于300 nm时 宜使用高于2 kV的加 速电压进行其形貌及粒径分析 213 工作距离 为进一步优化二氧化硅微球测长条件 在加速 电压为8 kV 发射电流为10 A时 减小工作距离到 314 mm 观察样品成像变化 见图3 图4 将600 nm 二氧化硅微球从5万倍放大到15万倍 随工作距离 减小 图像景深减小 分辨率提高 边缘效应无显著 变化 对300 nm微球存在相似规律 随工作距离减 小 成像分辨率提高 为准确测量二氧化硅微球直径 可选择小工作 距离 提高分辨率 以增加测量精度 然而 对于其 形貌观察 长工作距离易获得良好景深 利于观察样 品表面细节 214 发射电流 在加速电压为8 kV 工作距离314 mm时 降低 发射电流至5 A 分析二氧化硅材料在低发射电流 下的成像变化 见图5 图6 600 nm微球在低发射 电流下成像 5万倍时景深 边缘效应及图像立体感 与10 A下无明显差异 在高倍下 15 万倍 高发射 电流时 信噪比提高使图像比低发射电流下更清晰 对300 nm微球 高发射电流下成像 图像立体感增 强 希望获得良好的二氧化硅微球高倍形貌像及准 确粒径 最好不使用低发射电流 10 A 215 减速功能 对于导电性差的样品 使用减速功能可降低表 面荷电 利于样品观察 因此本文希望考察使用减速 功能与否 对二氧化硅微球形貌观察与测长分析是 583第5期朴玲钰等 二氧化硅微球的扫描电镜测长及形貌观察条件 图2 不同放大倍率及加速电压下300 nm二氧化硅微球的扫描电镜像 工作距离419 nm a c 5万倍 Bar 1 m d f 8万倍 Bar 500 nm g i 15万倍 Bar 300 nm a d g 2 kV b e h 5 kV c f i 8 kV Fig12 The SEM images of SiO2micro2ball 300 nm with different magnification and acceleration voltage 图3 不同放大倍率及工作距离下600 nm二氧化硅微球的扫描电镜像 a 8 kV 419 mm 5万倍 Bar 1 m b 8 kV 314 mm 5万倍 Bar 1 m c 8 kV 419 mm 15万倍 Bar 300 nm d 8 kV 314 mm 15万倍 Bar 300 nm Fig13 The SEM images of SiO2micro2ball 600 nm with different magnification and work distance 683 电子显微学报 J Chin Electr Microsc Soc 第27卷 图4 不同放大倍率及工作距离下300 nm二氧化硅微球的扫描电镜像 a 8 kV 419 mm 8万倍 Bar 500 nm b 8 kV 313 mm 8万倍 Bar 500 nm c 8 kV 419 mm 15万倍 Bar 300 nm d 8 kV 312 mm 15万倍 Bar 300 nm Fig14 The SEM images of SiO2micro2ball 300 nm with different magnification and work distance 图5 不同放大倍率及发射电流下600 nm二氧化硅微球的扫描电镜像 a 8 kV 314 mm 5万倍 5 A Bar 1 m b 8 kV 314 mm 5万倍 10 A Bar 1 m c 8 kV 314 mm 15万倍 5 A Bar 300 nm d 8 kV 314 mm 15万倍 10 A Bar 300 nm Fig15 The SEM images of SiO2micro2ball 600 nm with different magnification and probe current 否有影响 在使用减速功能时 加速电压为115 kV 着陆电压015 kV 由图7可见 使用了减速功能 可 获得二氧化硅微球表面丰富的形貌细节 图像立体 感很强 然而 由于着陆电压低 使样品边缘效应相 对显著 不利于精确测量二氧化硅微球直径 因此 使用减速功能更适合于观察导电性不良样品的形貌 细节 3 结论 使用扫描电镜观察导电性不好但荷电不十分严 重的样品时 如二氧化硅微球 与FAST Slow两种模 式相比 TV模式抓图可获得良好的图像质量 对于 二氧化硅微球形貌观察 减速功能有利于获得形貌 细节 在样品无明显放电的前提下 宜使用中等加速 783第5期朴玲钰等 二氧化硅微球的扫描电镜测长及形貌观察条件 图6 不同放大倍率及发射电流下300 nm二氧化硅微球的扫描电镜像 a 8 kV 313 mm 5万倍 5 A Bar 1 m b 8 kV 314 mm 5万倍 10 A Bar 1 m c 8 kV 313 mm 8万倍 5 A Bar 500 nm d 8 kV 314 mm 8万倍 10 A Bar 500 nm Fig16 The SEM images of SiO2micro2ball 300 nm with different magnification and probe current 图7 减速功能使用与否对600 nm二氧化硅微球的扫描电镜像影响 a 8 kV 314 mm 5万倍 Bar 1 m b 015 kV 314 mm 5万倍 减速功能 Bar 1 m c 8 kV 314 mm 15万倍 Bar 300 nm d 015 kV 314 mm 10万倍 减速功能 Bar 300 nm Fig17 The effect of using deceleration function on SEM images of SiO2micro2ball 600 nm 电压 5 kV左右 工作距离不宜过短 虽发射电流 对其形貌像影响不显著 但低发射电流在高倍下使 成像分辨率下降 对二氧化硅微球进行直径测量 时 宜使用高加速电压 短工作距离和高发射电流 使图像获得最佳分辨率 以提高测量精度 参考文献 1 杜学礼 潘子昂 扫描电镜分析技术 M 北京 化学 工业出版社 1986 2 廖乾初 蓝芬兰 扫描电镜原理及应用技术 M 北 京 冶金工业出版社 1990 3 马金鑫 朱国凯 扫描电镜入门 M 北京 科学出版 883 电子显微学报 J Chin Electr Microsc Soc 第27卷 社 1985 4 常铁军 等 材料近代分析测试方法 M 北京 哈尔 滨工业大学出版社 1999 5 牟善彬 扫描电镜在陶瓷材料中的应用 J 佛山陶 瓷 1998 6 王英姿 扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用 J 山东建材 2000 7 张训彪 卢德生 邓保庆 桂娟 纳米级长度扫描电镜 测量的现状和展望 J 上海计量测试 2007 198 2 9 Conditions for topography and diameter analysis of SiO2micro2ball by scanning electron microscope PIAO Ling2yu 1 CHANG Huai2qiu 1 LIU Jun2tao 2 HE Meng 1 REN Xiang2ling 3 TANG Fang2qiong 3 1 National Center for Nanoscience and Technology Beijing 100190 China 2 TECHCOMP Holdings Limited Beijing 100009 China 3 Technical Institute of Physics and Chemistry Chinese Academy of Science Beijing 100080 China Abstract The diameter and topography of SiO2micro2ball with different diameters is observed by Hitach S24800 Scanning Electron Microscope in this paper The various analysis conditions are investigated for different analysis aim such as scanning speed acceleration voltage work d