Ошибки пробоподготовки образцов для СЭМ: как они проявляются на изображении

Плохое качество СЭМ-изображения не всегда связано с настройками микроскопа. Размытые детали, локальные пересветы, полосы, нестабильный контраст или постепенно появляющиеся пятна могут возникать из-за того, что образец был неправильно подготовлен к исследованию.

Особенно чувствительны к ошибкам пробоподготовки непроводящие, пористые, рыхлые и полимерные материалы, порошки, тонкие плёнки и образцы со сложным рельефом.

При диагностике проблемы важно оценивать не только ускоряющее напряжение, ток зонда, рабочее расстояние и параметры детектора, но и состояние самого образца: его фиксацию, электрический контакт с держателем, чистоту поверхности и качество проводящего покрытия.

Разберём, какие ошибки пробоподготовки чаще всего ухудшают СЭМ-изображение и по каким признакам их можно выявить.

Почему пробоподготовка влияет на качество СЭМ-изображения

При исследовании в сканирующем электронном микроскопе поверхность образца взаимодействует с электронным пучком. Для получения стабильного сигнала образец должен быть надёжно закреплён, совместим с условиями вакуума, а для непроводящих образцов должен быть предусмотрен эффективный путь отвода накопленного электрического заряда.

Если эти условия нарушены, могут возникать:

• накопление заряда на поверхности;
• механическое перемещение образца;
• загрязнение области исследования;
• изменение контраста;
• потеря мелких деталей;
• появление искусственного рельефа.

В результате на СЭМ-изображении появляются особенности, которые можно ошибочно принять за реальную структуру материала.

Поэтому качество пробоподготовки для электронной микроскопии напрямую влияет не только на внешний вид изображения, но и на корректность его интерпретации.

Накопление заряда: яркие области, полосы и нестабильный контраст

Одна из наиболее распространённых причин плохого СЭМ-изображения — накопление электрического заряда на поверхности образца.

Проблема особенно характерна для непроводящих и слабопроводящих материалов:

• полимеров;
• керамики;
• стекла;
• минералов;
• биологических объектов;
• композиционных материалов с изолирующими фазами.

Однако наличие проводящего покрытия само по себе ещё не гарантирует стабильного изображения. Необходимо обеспечить непрерывный электрический контакт от проводящего покрытия на поверхности образца к держателю.

Как выглядит зарядка образца

На СЭМ-изображении могут появляться:

• чрезмерно яркие или тёмные области;
• локальные засветки;
• полосы;
• искажение отдельных участков;
• нестабильный контраст;
• изменение яркости во время сканирования;
• смещение изображения;
• сложности с фокусировкой.

Характер проявления зависит от материала, геометрии образца и условий съёмки, поэтому по одному признаку однозначно определить зарядку не всегда возможно.

Рис. 1 Неоднородный микрорельеф поверхности. Локальная зарядка образца

Что проверить

В первую очередь стоит убедиться, что образец надёжно контактирует с держателем, а проводящее покрытие имеет электрическую связь с системой крепления.

Для фиксации могут применяться проводящие углеродные ленты, пасты и другие расходные материалы для пробоподготовки, совместимые с вакуумом.

Для непроводящих образцов также может потребоваться нанесение металлического или углеродного проводящего слоя.

Неправильная фиксация: размытие и смещение деталей

Образец должен сохранять стабильное положение при вакуумировании камеры и во время сканирования электронным пучком.

Проблемы с фиксацией особенно вероятны при работе с:

• порошками;
• отдельными частицами;
• волокнами;
• тонкими плёнками;
• небольшими фрагментами материала;
• образцами сложной формы.

Даже небольшое механическое перемещение при большом увеличении становится заметным относительно поля зрения.

Как проявляется плохая фиксация

Характерными признаками могут быть:

• дрейф изображения;
• размазывание мелких деталей;
• раздвоение контуров;
• смещение структуры;
• нарушение геометрии изображения;
• невозможность получить устойчиво резкое изображение.

На малом увеличении проблема может практически не проявляться и становиться заметной только после увеличения масштаба изображения.

Свободные частицы представляют дополнительную опасность: недостаточно закреплённый материал может перемещаться внутри камеры микроскопа, попадать в электронную колонну и, в некоторых случаях, создавать риск повреждения или загрязнения детекторов.

Загрязнение поверхности: пятна и след области сканирования

Загрязнения могут присутствовать на поверхности ещё до помещения образца в микроскоп или проявляться непосредственно во время исследования.

Возможными источниками являются:

• остатки масел и смазочных материалов;
• следы контакта с поверхностью руками;
• остатки растворителей;
• клеевые материалы;
• полировальные суспензии;
• загрязнения, оставшиеся после предыдущих этапов обработки;
• компоненты самого образца, выделяющиеся в условиях вакуума.

Под воздействием электронного пучка загрязняющие вещества могут накапливаться в исследуемой области.

Как загрязнение выглядит на СЭМ-изображении

Одним из характерных признаков загрязнения может быть появление контрастного участка, повторяющего область, которая некоторое время сканировалась при большом увеличении.

Рис.2 Загрязнение в области длительного воздействия электронного пучка

Также возможны:

• пятна;
• неоднородный фон;
• постепенная потеря детализации;
• изменение контраста при повторном сканировании;
• маскирование мелкого рельефа поверхности.

Если качество одной и той же области постепенно ухудшается при повторных сканированиях, загрязнение следует рассматривать как одну из возможных причин.

Ошибки нанесения проводящего покрытия

Проводящее покрытие применяется при подготовке непроводящих и слабопроводящих образцов для уменьшения зарядки поверхности.

Однако результат зависит не только от самого факта напыления. Значение имеют толщина, равномерность покрытия и особенности геометрии образца.

Недостаточное или неоднородное покрытие

Если проводящий слой слишком тонкий или распределён по поверхности неравномерно, отдельные участки могут продолжать накапливать заряд.

На изображении это может проявляться как:

• локальные пересветы;
• резкие перепады яркости;
• нестабильность сигнала;
• зарядка отдельных выступающих элементов;
• различия между соседними областями одного образца.

Рис.3 Область зарядки поверхности вследствие неравномерного покрытия образца

Особенно сложно получить равномерное покрытие на рельефных, пористых и геометрически сложных образцах. Проводящий слой должен обеспечивать необходимый результат не только на открытой горизонтальной поверхности, но и на участках сложного рельефа.

Слишком толстое покрытие

Избыточное напыление создаёт противоположную проблему: проводимость улучшается, но нанесённый материал начинает влиять на наблюдаемую морфологию поверхности.

В результате возможны:

• сглаживание мелкого рельефа;
• уменьшение выраженности острых граней;
• изменение кажущихся размеров и формы мелких частиц;
• частичное заполнение пор и углублений;
• потеря деталей нанометрового масштаба.

Особенно критична толщина покрытия при исследовании наночастиц, тонких плёнок, пористых материалов и других объектов с мелкими структурными элементами.

Поэтому при использовании систем напыления для пробоподготовки СЭМ важно не просто нанести проводящий материал, а подобрать параметры процесса под конкретный тип образца и исследовательскую задачу.

Повреждение поверхности во время пробоподготовки

Некоторые дефекты возникают ещё до помещения образца в микроскоп.

Причиной может стать слишком интенсивная:

• шлифовка;
• полировка;
• резка;
• ионная обработка;
• очистка;
• сушка;
• плазменная обработка.

В этом случае микроскоп показывает реальную поверхность образца — но эта поверхность уже была изменена самой процедурой подготовки.

Какие дефекты можно увидеть

В зависимости от материала это могут быть:

• царапины;
• борозды;
• вырывание частиц;
• деформация мягких фаз;
• сколы;
• замятие поверхности;
• локальные термические повреждения;
• перераспределение материала;
• искусственно сформированный рельеф.

Особенно важно учитывать направление и повторяемость таких дефектов. Например, систематические царапины после шлифовки или полировки могут быть ошибочно приняты за особенности структуры материала.

Когда причина плохого изображения не связана с пробоподготовкой

Не каждый дефект СЭМ-изображения следует относить к ошибкам подготовки образца.

Некоторые материалы могут изменяться уже непосредственно во время исследования под воздействием электронного пучка.

Особенно чувствительны к такому воздействию:

• полимеры;
• органические материалы;
• некоторые биологические образцы;
• электронно-чувствительные соединения;
• тонкие плёнки.

При продолжительном воздействии пучка могут наблюдаться локальные изменения структуры, деформация или изменение внешнего вида исследуемой области.

Признаки возможного пучкового повреждения

Стоит обратить внимание, если:

• структура меняется непосредственно во время наблюдения;
• повторное сканирование одной области даёт другое изображение;
• появляются трещины или деформации;
• ранее просканированный участок отличается от окружающей поверхности.

В такой ситуации необходимо рассматривать не только пробоподготовку, но и параметры самого исследования.

Типичные артефакты СЭМ и их возможные причины