在微觀世界的探索中，掃描電子顯微鏡無疑是科學(xué)家和工程師們的“火眼金睛”，它能夠以納米級的分辨率呈現(xiàn)材料的表面形貌。然而這雙“火眼金睛”有時也會被“假象”所迷惑。許多操作者都遇到過一個棘手的問題：在觀測陶瓷、高分子聚合物、生物樣本等電絕緣性樣品時，圖像會突然出現(xiàn)異常的亮區(qū)、扭曲、漂移，甚至出現(xiàn)瞬間的“閃白光”，嚴(yán)重干擾了對樣品真實結(jié)構(gòu)的分析。這一現(xiàn)象的背后，正是“電荷積累效應(yīng)”（Charging Effect）在作祟。

“幽靈閃光”的起源：電荷積累效應(yīng)的物理本質(zhì)

要理解電荷積累效應(yīng)，我們首先需要回顧掃描電鏡的工作原理。SEM是通過發(fā)射一束高能電子束，逐點掃描樣品表面，通過檢測電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子（SE）和背散射電子（BSE）等信號來成像的。

當(dāng)電子束轟擊樣品表面時，會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理過程：

電子注入：入射的高能電子（即一次電子）會注入樣品內(nèi)部。

信號電子出射：一次電子與樣品原子相互作用，會激發(fā)出低能量的二次電子和高能量的背散射電子。這些出射的電子被探測器收集，用于構(gòu)建圖像。

圖 用電子束照射樣品時可能發(fā)生的物理過程的示意圖概述

對于導(dǎo)電樣品而言，注入的電子可以通過樣品臺和導(dǎo)電膠帶迅速傳導(dǎo)至地，從而保持樣品表面的電荷平衡。然而當(dāng)樣品是絕緣體或?qū)щ娦詷O差時，問題就出現(xiàn)了。絕緣體內(nèi)缺乏自由移動的電荷載流子，注入的電子無法被有效導(dǎo)出，從而在電子束掃描的區(qū)域不斷累積，形成一個局部的負(fù)電荷區(qū)。

圖 幾種常見的荷電現(xiàn)象

電荷的累積會產(chǎn)生一個與一次電子束電荷相斥的靜電場。這個額外的電場會像一個隱形的透鏡，嚴(yán)重干擾后續(xù)入射的電子束和出射的信號電子：

入射電子束偏轉(zhuǎn)：累積的負(fù)電荷會對后續(xù)的入射電子束產(chǎn)生排斥力，使其偏離預(yù)設(shè)的掃描路徑。這會導(dǎo)致圖像發(fā)生幾何畸變、扭曲甚至漂移。

信號電子軌跡改變：累積的電場同樣會影響從樣品表面出射的二次電子。它可能會阻礙低能量的二次電子逃逸，或者使其軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致探測器接收到的信號異常。

“閃白光”——失控的放電：當(dāng)電荷累積到一定程度，超過了材料局部的擊穿閾值時，就會發(fā)生瞬間的、不受控制的放電現(xiàn)象。這會產(chǎn)生一個強度極大的信號脈沖，在圖像上表現(xiàn)為一道道刺眼的亮線或一片突然“閃白”的區(qū)域，掩蓋了樣品的真實形貌。

圖 靜電場中任何一條電場線，都是起自正電荷（或來自無窮遠(yuǎn)處），止于負(fù)電荷（或伸向無窮遠(yuǎn)）

電荷積累的程度與多個因素相關(guān)，包括樣品的導(dǎo)電性、表面粗糙度、加速電壓、束流大小以及真空度等。加速電壓越高，注入的電子越多，充電效應(yīng)通常越嚴(yán)重。

馴服“閃光”的利器：現(xiàn)代電鏡的解決方案

面對棘手的電荷積累效應(yīng)，科學(xué)家和設(shè)備制造商們開發(fā)出了一系列行之有效的解決方案。這些方法的核心思想無外乎兩條：要么讓樣品“導(dǎo)電”，要么“中和”掉累積的電荷。

這是傳統(tǒng)也最直接的方法。通過離子濺射或真空蒸發(fā)的方式，在絕緣樣品表面均勻地鍍上一層幾十納米厚的導(dǎo)電金屬薄膜，如金、鉑、金鈀合金或碳。

圖 A4紙噴金前（左）和噴金后（右）對比圖

工作原理就是這層導(dǎo)電膜為注入的電子提供了一條通往樣品臺和地的“高速公路”，有效避免了電荷的局部積累，優(yōu)勢效果也比較顯著，適用于大多數(shù)絕緣樣品，不過也有一定的局限性：

掩蓋細(xì)節(jié)：鍍層本身具有一定的顆粒度，可能會掩蓋樣品表面最精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

成分分析干擾：進(jìn)行能譜（EDS）分析時，鍍層金屬的特征X射線峰會干擾對樣品本身元素組成的分析。例如，常用的金涂層會干擾硫、磷等元素的檢測。

樣品損傷：離子濺射過程可能對一些敏感樣品（如軟物質(zhì)、生物樣本）的表面造成損傷。

對于不希望或不適合進(jìn)行噴金處理的樣品，低真空掃描電鏡提供了一種更為優(yōu)雅的解決方案。以澤攸科技自主研發(fā)的ZEM系列臺式掃描電鏡為例，其配備的低真空成像技術(shù)，正是應(yīng)對電荷效應(yīng)的利器。