在微觀世界的探索中，掃描電子顯微鏡無疑是科學家和工程師們的“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”，嚴重干擾了對樣品真實結構的分析。這一現(xiàn)象的背后，正是“電荷積累效應”（Charging Effect）在作祟。

“幽靈閃光”的起源：電荷積累效應的物理本質

要理解電荷積累效應，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。

當電子束轟擊樣品表面時，會發(fā)生一系列復雜的物理過程：

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

對于導電樣品而言，注入的電子可以通過樣品臺和導電膠帶迅速傳導至地，從而保持樣品表面的電荷平衡。然而當樣品是絕緣體或導電性極差時，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：累積的負電荷會對后續(xù)的入射電子束產(chǎn)生排斥力，使其偏離預設的掃描路徑。這會導致圖像發(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，導致探測器接收到的信號異常。

“閃白光”——失控的放電：當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（或來自無窮遠處），止于負電荷（或伸向無窮遠）

電荷積累的程度與多個因素相關，包括樣品的導電性、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，充電效應通常越嚴重。

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，科學家和設備制造商們開發(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的納米結構細節(jié)。

成分分析干擾：進行能譜（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、生物樣本）的表面造成損傷。

對于不希望或不適合進行噴金處理的樣品，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，正是應對電荷效應的利器。