扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope， SEM)作为一种功能强大的表征手段，在材料科学、生物医学、地质矿物学等诸多领域发挥着不可或缺的作用。它利用聚焦的电子束在样品表面扫描，通过检测发射出的各种信号来获取样品的形貌、组成等信息。然而，由于SEM的工作原理决定了其对样品的特殊要求，因此合理有效的样品制备对于获取高质量的数据至关重要。本文将系统阐述SEM样品制备的重要性及其所面临的挑战，并介绍常见样品制备方法及注意事项。
一、SEM样品制备的重要性
1. 满足真空环境要求
SEM的工作环境为高真空，这对样品施加了严格的要求。首先，样品必须能够耐受高真空环境而不发生形貌改变。其次，样品表面不能存在油污等有机污染物，否则将污染真空系统并影响成像质量。再者，样品必须处于干燥状态，因为残留水分会加速电子枪阴极材料的挥发，并散射电子束导致分辨率下降。
2. 提供足够的电子信号
SEM成像和分析主要依赖于二次电子(Secondary Electron， SE)和背散射电子(Backscattered Electron， BSE)信号。因此，样品表面必须具备一定的导电性，以避免发生电荷积累导致图像畸变。对于非导电样品，需要对其表面进行导电处理，例如涂覆金属或碳膜。同时，适当提高样品表面的二次电子发射率有助于提高成像质量。
3. 满足特殊分析需求
有时需要观察样品内部微观结构，例如断口、相界面等，这就需要对样品进行特殊处理以暴露感兴趣的区域。当关注弱反差机理(如磁性、电压对比等)时，则需要消除形貌对比的影响。因此，不同分析需求对样品制备提出了不同要求。
二、样品制备面临的挑战
尽管SEM样品制备的重要性不言而喻，但实际操作过程中仍面临诸多挑战，主要体现在以下几个方面:
1. 样品形态及性质的多样性
不同类型的样品在形态和性质上存在巨大差异，如金属、陶瓷、聚合物、生物样品等。这就要求样品制备方法具有很强的针对性和选择性，以避免对样品造成不必要的破坏。
2. 样品尺寸和形貌的限制
许多样品尺寸过大或形貌过于复杂，难以直接放入SEM样品舱中观察。这就需要对样品进行截取或修整，使其符合尺寸和形貌要求。但这一过程可能会破坏样品的原有状态，引入制备伪像。
3. 热、辐射及机械损伤
在制备和观察过程中，高能电子束、真空条件、机械抛光等都可能对样品(特别是热敏感材料)造成不同程度的损伤，改变其原有结构和组成。因此，必须格外小心谨慎。
4. 制备效率及成本问题
对于大批量样品或对制备要求较高的样品，传统手工制备方式往往效率低下且成本昂贵。如何实现高通量、自动化的制备工艺是一大挑战。
干燥不彻底图例
电荷聚集
三、常见样品制备方法及注意事项
基于上述挑战，研究人员发展了多种样品制备方法来满足不同类型样品的需求。下面将介绍一些常见的方法及其注意事项:
1. 块状导电样品制备
对于块状导电样品，通常只需将其固定在导电台面上即可直接放入SEM观察。建议在固定前用有机溶剂(如丙酮、乙醇等)清洗样品表面，以去除可能存在的有机污染物。
2. 非导电样品的导电处理
对于非导电或导电性较差的样品，需要在观察前进行喷镀或溅射导电层(如金属或碳膜)处理，以防止样品表面电荷积累，提高图像质量。常用方法包括真空蒸发镀膜和离子溅射镀膜等。
值得注意的是，镀膜厚度及均匀性对成像质量有重要影响。过厚会掩盖样品细微结构，过薄则无法起到导电作用。通常镀层厚度控制在1-10纳米较为合适。对于需要进行成分分析的情况，推荐使用碳膜以避免金属膜引入干扰。
3. 粉体及纤维样品制备
对于这类颗粒状或纤维状样品，由于自身尺寸较小且非导电性，存在静电排斥和机械不稳定等问题。常见的制备方法包括:
(1) 在导电台面或导电胶带上撒布均匀的样品层;
(2) 利用乙醇等溶剂将样品分散，再将分散液滴加到台面上;
(3) 将样品镶嵌在导电树脂或环氧树脂中切片观察。
无论采用何种方法，都需要保证样品在台面上的分布均匀性，并对其进行导电处理。
4. 生物样品制备
生物样品制备的关键在于:1)保持完好的组织和细胞形态;2)暴露观察部位;3)赋予样品良好的导电性和电子发射率;4)样品充分干燥。常见的化学固定方法包括:
(1) 醛类固定(如戊二醛、多聚甲醛)结合四氧化锇处理，可保存组织细胞结构并提高导电性;
(2) 临界点干燥，避免样品在干燥过程中发生变形;
(3) 喷镀金属膜，通常厚度为50-300埃，以进一步提高导电性。
除此之外，近年来兴起的冷冻制样技术(如冷冻固定、冷冻干燥等)也为观察含水生物样品提供了新途径，不过其设备要求较高，操作也相对复杂。
5. 特殊样品的特殊制备
有些特殊情况下，需要采取相应的样品制备策略。例如:
(1) 当需要观察磁性材料的磁畴结构时，必须进行化学抛光或电解抛光以消除形貌影响;
(2) 对于希望观察断口微观形貌的样品，可采用低速切割取样以减小机械损伤;
(3) 半导体器件往往对加速电压、束流剂量有特殊要求，需要格外注意。
总之，不同类型样品的特殊性决定了其制备方法的多样性和复杂性，需要根据具体情况制定合理可行的制备策略。
扫描电子显微镜的广泛应用离不开高质量样品的有效制备。合理设计的制备流程不仅能够满足样品的基本要求，更能针对不同类型样品的特性进行优化，从而获取理想的成像和分析结果。随着新型材料和新兴领域的不断发展，SEM样品制备方法也将不断创新，为人类探索微观世界提供坚实的基础支撑。
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原文来源：https://www.zeptools.cn/news_detail/200.html
