NaYF4納米粉體掃描電鏡觀測參數探討

楊清華，王煥平，衛國英，徐時清

（中國計量大學材料科學與工程學院材料分析測試中心，浙江 杭州 310018）

NaYF4納米粉體掃描電鏡觀測參數探討

楊清華，王煥平，衛國英，徐時清

（中國計量大學材料科學與工程學院材料分析測試中心，浙江 杭州 310018）

合適的加速電壓和工作距離對準確觀察納米粉體的形貌和粒徑尺寸具有重要影響。以NaYF4納米粉體為研究對象，探討加速電壓與工作距離的匹配性以及不同加速電壓對電鏡成像的影響。通過對比相同加速電壓、不同工作距離下觀察得到的電鏡圖片，得出只有當加速電壓與特定的工作距離匹配時才能得到清晰度高的電鏡圖片，具體加速電壓與工作距離的匹配值如下：1kV（4mm），5kV（4mm），10kV（8mm），15kV（12mm），20kV（15mm），25kV（20mm），30kV（25mm）。在合適的工作距離下，通過對比不同加速電壓觀察得到的電鏡圖片，得出隨著加速電壓的增加，電鏡圖片的清晰度呈現出先增強后減弱的趨勢，當加速電壓為20kV時得到清晰度最佳的電鏡圖片。

場發射掃描電鏡；NaYF4納米粉體；加速電壓；工作距離

0　引　言

材料的性能與其微觀結構（表面形貌、晶界、粒徑、缺陷等）關系密切，準確表征材料的微觀結構是研究其構效關系的前提。場發射掃描電子顯微鏡是觀察材料微觀結構的主要儀器之一［1-2］，但其應用于不導電納米粉體的觀察時，由于強烈的“荷電”現象［3-4］，會影響樣品的微觀形貌觀察。因此，如何有效地降低“荷電”的影響，是電鏡觀察不導電納米粉體所需解決的關鍵問題。

在電鏡測試過程中，影響樣品荷電現象的主要因素有制樣技巧和參數設置（加速電壓、照射電流、工作距離、信號模式及Capture模式等）。然而，目前的研究主要集中在制樣技巧方面。如周麗花［5］探討了銅網碳載膜固定制備法與直接固定法對不導電類釩酸釔納米粉體成像的影響，研究得到銅網碳載膜固定制備法可以有效改善納米粉體的分散性，降低“荷電”的聚集，從而提高觀察的準確性和檢測效率；馬原輝等［6］研究得到，在樣品制備過程中，所需的樣品越少越好，同時在制備好的樣品表面再貼幾條導電膠，可以有效降低“荷電”現象；也有許多研究者［7-8］將納米粉體先分散在有機溶劑中，然后超聲分散數小時再用毛細管滴在干凈的硅片上進行電鏡測試。此外，復旦大學的曹惠［9］系統地探討了工作距離、加速電壓、接收電子信號類型、探測器的選擇、減速模式及圖像掃描模式等對導電性較差樣品電鏡成像的影響；日本的Endo A等［10］研究了低加速電壓對觀察介孔氧化硅表面形貌的影響；美國的Phifer D等［11］研究了偏轉電子束對電鏡圖片清晰度的影響，通過電子束的偏轉提高了電鏡圖片的清晰度。文獻［9-11］通過改變電鏡測試參數而提高電鏡拍攝效果的研究，其所研究的對象均是粒徑大于100 nm，放大倍數小于100000倍的樣品，而對粒徑更小的納米顆粒樣品并沒有涉及，特別是像NaYF4這類粒徑小于30nm的粉體。目前，對于粒徑較小樣品的微觀形貌觀察，研究者大多選擇采用的是場發射透射電子顯微鏡［12-14］。但是，相對于掃描電鏡，透射電鏡的測試效率遠遠偏低，且對樣品的要求較高［15］，從而制約著該類材料的快速有效研究。因此，若能使場發射掃描電鏡測試能廣泛應用于NaYF4等較小尺寸納米材料的顯微結構表征，將顯著促進該類材料的研究。本文研究以NaYF4納米粉體作為對象，著重探討了掃描電鏡測試過程中加速電壓和工作距離對粒徑小于30nm的納米顆粒電鏡成像的影響，為類似不導電納米材料的掃描電鏡測試提供實踐參考。

圖1　加速電壓為10kV，工作距離為4mm和8mm測試得到的圖片

圖2　加速電壓為15kV，工作距離為12mm和15mm測試得到的圖片

1　實驗部分

1.1樣品

研究所使用的NaYF4樣品是通過溶劑熱法制備的，包括粒徑約為30nm和10nm的兩種顆粒。

1.2樣品制備方法

首先，將粉體分散在無水乙醇中，超聲振蕩24h，得到分散液；然后，用毛細管蘸取少量分散液直接滴在干凈的硅片上，并在紅外燈下烘干；最后，把硅片粘在導電膠上進行測試。

1.3儀器與測試

實驗所采用電鏡為日本HITACHI公司的SU 8010場發射掃描電鏡顯微鏡，樣品不作噴金處理。

2　結果與討論

2.1加速電壓與工作距離的匹配性探討

加速電壓與電鏡圖片分辨率、二次電子信號強度以及“荷電”現象成正比，而工作距離正好與之相反，即與圖像的分辨率、二次電子信號強度及“荷電”成反比［16］。因此，高的加速電壓不一定意味著高的圖片分辨率，相反高的工作距離也并非對測試不利。在測試過程中，加速電壓與工作距離應該有一個合適的匹配值。如圖1所示，當加速電壓為10kV時，若工作距離為4mm，得到的圖像是完全模糊的，而當工作距離為8mm時，則能清晰地觀察到顆粒的大小及形貌。而圖2則清晰的表明，當加速電壓為15 kV時，工作距離為12 mm得到的圖片要比工作距離為15mm時的清晰。

由以上分析可得，只有當加速電壓與特定的工作距離匹配時，才能測試得到清晰度高的電鏡圖片。通過對比更多的在相同加速電壓不同工作距離條件下測試得到的電鏡圖片，得出了不同加速電壓合理的工作距離匹配值，如表1所示。

表1　掃描電鏡測試中加速電壓與工作距離的合適匹配值

圖3　合適工作距離，不同加速電壓測試得到樣品的掃描電鏡圖

2.2加速電壓對測試的影響

圖3是在合適的工作距離，不同加速電壓測試得到的樣品電鏡圖片。由圖3（b）可得，在1kV加速電壓下測試得到的圖片，圖像比較模糊，顆粒有熔化的現象，顆粒與顆粒間有連成片的趨勢，且基本上只能觀察到30 nm左右的小顆粒，而另外的一種10 nm左右的顆粒并不能觀察到。而圖3（a）則是同樣也是在1kV加速電壓下測試得到的圖片，但采用了減速模式，即降低了著陸電壓（說明：場發射掃描電鏡測試中減速模式僅能在加速電壓小于等于1 kV的時候才能使用），相對于圖3（b），圖像的清晰度并沒有改善，相反有稍微的惡化趨勢，表明NaYF4納米粉體并不適合采用低電壓與減速模式復合的測試方法進行測試。

隨著加速電壓的上升，如圖3（c）～圖3（f），其加速電壓分別為5，10，15，20kV，圖片清晰度逐漸變好，顆粒與顆粒間的獨立性增強，當加速電壓上升至20kV時，除了能清楚觀察到30nm左右的小顆粒外，還能觀察到10nm左右的小顆粒。隨著加速電壓繼續升高至25kV（圖3（g））和30kV（圖3（h）），圖片的清晰度又逐漸變模糊。

由以上分析可得，隨著加速電壓的升高，電鏡圖片的清晰度呈現出先增強、后減弱的趨勢。其原因主要是因為加速電壓與二次電子信號強度成正比，而與“荷電”現象成反比。因此，電鏡測試中加速電壓有一個最優值，對于NaYF4納米粉體而言，其值為20kV，相應的工作距離為15mm。對于其他類似樣品，通過相同的方法，也可以得到一個合適的加速電壓。

3　結束語

研究以約10nm和30nm的復合NaYF4納米粉體為研究對象，探索了加速電壓和工作距離對電鏡成像的影響。通過對比相同加速電壓，不同工作距離下觀察得到的電鏡圖片，總結得出只有當加速電壓與特定工作距離匹配才能得到清晰度高的電鏡圖片，具體加速電壓與工作距離的匹配值如下：1kV （4 mm），5 kV（4 mm），10 kV（8 mm），15 kV（12 mm），20kV（15mm），25 kV（20 mm），30kV（25mm）。在合適的工作距離下，通過對比不同加速電壓觀察得到的電鏡圖片，總結得出隨著加速電壓的增加，電鏡圖片的清晰度呈現出先增強后減弱的趨勢，當加速電壓為20kV時得到清晰度最佳的電鏡圖片。該研究可以擴展到類似的不導電納米粉體的電鏡測試中。

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（編輯：李剛）

Investigation on testing parameters of SEM for NaYF4nano powders

YANG Qinghua，WANG Huanping，WEI Guoying，XU Shiqing
（Testing Center of Materials，College of Material Science and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

The acceleration voltage（Vacc）and working distance（WD）have significant effects on the observation for the accurate morphology and particle sizes of nano powders.NaYF4nano powders were used as samples，their microstructures were observed by the filed emission scanning electron microscope and the influences of accelerating voltage and working distance to the imaging were investigated systematically.Comparing the imagines under the same Vacc and different WD，it was confirmed that high quality imagines could only obtained under matching values between Vacc and WD.The details of the matching values are：1kV（4mm），5 kV（4mm），10 kV（8 mm），15kV（12mm），20kV（15mm），25kV（20mm）and 30kV（25mm）.While，comparing the imagines under different Vacc，it was indicated that with the increase in Vacc，the definition of the images was enhanced first and then deteriorated.The proper value was 20kV.

fieldemissionscanningmicroscope；NaYF4nanopowders；acceleratingvoltage；working distance

A

1674-5124（2016）07-0127-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.07.026

2015-10-18；

2015-12-11

浙江省自然科學基金項目（LY15F050005）

楊清華（1986-），男，湖南江華縣人，實驗師，碩士，研究方向為掃描電鏡的維護與顯微檢測。