论电镜（TEM/SEM）中的辐照损伤

学术 2024-11-04 18:01 北京

文章来源：老千和他的朋友们

原文作者：孙千

本文详细介绍电子显微镜中的辐照损伤

电子显微镜（TEM和SEM）作为现代材料表征的重要工具，其电子束与样品的相互作用不仅提供了丰富的信息，同时也可能对样品造成不可忽视的损伤。这些损伤效应主要源于两类电子散射机制：弹性散射和非弹性散射。

弹性散射主要发生在入射电子与原子核之间，虽然能够产生有价值的衍射图案和背散射电子信号，但可能引起晶格原子位移或表面溅射。非弹性散射则涉及入射电子与原子外层电子的相互作用，这种作用不仅产生二次电子、特征X射线等有用信号，还可能导致样品发生辐射分解，甚至在某些情况下引起碳氢化合物污染。

传统观点认为辐射损伤与累积剂量和沉积能量呈正相关。然而，最新研究结果对这一认识提出了挑战，这表明我们对电子束损伤机理的理解仍有待深入，需要通过更多实验研究来揭示其复杂本质，这不仅有助于提高电子显微技术的分析准确性，也为材料科学研究提供了更可靠的实验基础。

图1.根据电子散射类型以及在样品中产生的影响对辐射损伤进行分类。https://doi.org/10.1016/j.micron.2004.02.003

1. 原子位移

为了方便起见，假设弹性散射不涉及透射束能量的变化。根据能量和动量守恒定律，在单个原子核（原子质量数A）的场中偏转角度为θ的电子必须转移一定量的能量E（以eV为单位）：

其中入射电子能量E0也以 eV 为单位。

对于小角度散射（例如TEM衍射），式（1）中能量转移可以忽略不计（远小于 1eV），但对于背散射（θ＞90°）和高E0，能量损失E可能为几eV。对于与原子核的正面 “碰撞”，θ=180°，式（1）给出E=Emax，对于高E0和低原子量（质量数）A 的原子，这可能是许多eV，这可以从式（2）中推断出来。

如果E超过某个位移能Ed（这是样品材料的属性，包括键强度、晶格和组成原子的原子量），大角度弹性散射可以将原子位移到间隙位置，从而降低晶体的完美性。如果将样品升高到高温，这种效应在 TEM 中最容易观察到，此时间隙原子会聚集形成环或缺陷簇，从而产生特征性的 “黑白” 衍射衬度（图 2）。在高温下暴露于中子或离子轰击的金属中也可以观察到类似的效应。

图 2. 2mm×2mm明场TEM图像，显示了在 600°C下被 200keV电子辐照的薄石墨晶体中产生的缺陷簇。

一些常见材料的位移能Ed和相应的入射能量E0阈值列于表1中。

SEM中使用的加速电压太低，不足以引起位移损伤。在TEM中，对于（除非样品含有氢原子），预计不会发生位移效应，但在更高能量下，样品容易受到影响，特别是如果它含有低或中等原子序数的原子。例如，碳纳米管或晶体硅可以在100kV的TEM中安全成像，但在200kV的加速电压下则不行。

表1 一些常见材料的位移能Ed和相应的入射能量E0阈值（Hobbs，1987）

由于它不影响向原子核的动量转移，样品温度不能用作控制位移过程的手段。避免位移损伤的唯一可靠方法是使用低于相关材料阈值能量的入射能量。如果必须使用更高的能量，则应将电子剂量（电流密度与记录时间的乘积）限制在足以记录所需信息的最小值。

2. 电子束溅射

如果在位于样品表面的原子处发生大角度弹性散射，式（1）和（2）仍然有效，但位移所需的能量要低得多：表面原子不必被挤入间隙位置，它们可以自由离开样品并进入显微镜的真空。与离子束溅射表面原子类似，这个过程称为溅射。

溅射坑仅在电子束出射表面形成，因为大角度碰撞中的动量转移主要在入射方向上。因此，在SEM中不太可能发生溅射，特别是因为入射能量和电流密度比 TEM中低。

与样品内的原子位移情况类似，电子束溅射仅在入射能量E0超过某个阈值时发生，该阈值由Emax=Es给出：将Es视为每个原子的升华能，使用式（2）估计的一些常见元素的阈值能量如图3所示。轻和中等Z原子似乎容易受到200keV 电子的溅射。

溅射速率 S（以每秒单层数计）近似由下式给出：

其中 J/e表示以为单位e-/cm2/s的入射电流密度，表达式的其余部分是溅射截面，这里使用非相对论卢瑟福散射模型进行评估；Es以eV 为单位，Emax通过式（2）与入射能量相关。

图 3. 使用式（2）计算的固体元素中电子溅射开始的阈值入射能量，其中Es取为每个原子的升华能。

在TEM研究中，电子辐照引起的原子溅射现象是一个不容忽视的问题。研究表明，溅射速率与入射电子能量之间存在明显的阈值关系。以碳元素为例，当入射能量超过阈值后，溅射速率急剧上升，并在约两倍阈值能量处达到峰值，之后趋于平缓。这一特性表明，中等原子序数元素的溅射问题可能不如初期预计的严重。

图 4. 基于相对论性莫特、卢瑟福和莫特散射截面以及式（3）给出的，碳膜出射表面的溅射速率（以 nm/s 为单位）与入射电子能量的关系。

在晶体材料中，级联碰撞会通过短程动量传递加剧表面原子的溅射。然而，这种效应仅在高能量区域显著。实验证实，在强束流条件下，200 keV场发射TEM可产生高达10⁵A/cm²的电流密度，足以在短时间内损坏样品（20纳米碳膜会在几秒钟内形成孔洞）。而配备像差校正的现代TEM更可能产生更高的电流密度，使得溅射效应更为显著。

针对这一问题，研究人员提出了几种有效的防护策略。首先，在样品出射表面涂覆高原子序数材料（如钨）可以有效防止质量损失。其次，对于低原子序数元素，控制辐射剂量是最直接的保护方法。当需要进行长时间观察时，重元素保护层的应用显得尤为重要。这些防护措施的合理运用，对于确保TEM观察的准确性和样品的完整性具有重要意义。

3. 电子束加热

电子显微镜中的样品加热效应是一个不容忽视的技术问题。当电子束与样品发生非弹性散射时，入射电子与原子电子之间的碰撞会导致能量转化为热量，使样品局部温度升高。这种现象在TEM和SEM中表现出不同特征。

假设TEM中薄试样厚度为t，如果每次非弹性碰撞的平均能量损失为E，则每个入射电子的平均能量为E(t/λ)，其中λ为所有非弹性散射的平均自由程。

因此，每秒钟沉积在试样中的热量为(I/e)E(t/λ)，I为束流电流，e为电子电荷。这个表达式可以重写为IE(eV)(t/λ)，其中平均能量现在用eV表示而不是焦耳。系统很快达到稳态，此时入射束(d)产生的热量与由径向传导(通过热导率为k的材料传导距离R0)和辐射(发射率为ϵ)造成的热损失达到平衡。

将数值代入方程(4)表明，即使对于热导率相对较差的材料，辐射项通常可以忽略。因此，温度升高(ΔT = T - T0)变得与试样厚度无关。

在TEM中，薄样品的温度升高主要取决于电子束电流、非弹性散射的平均自由程以及材料的热导率。对于常见金属样品，即使热导率高（(k> 100W/m/K)），在高入射电流条件下仍可能发生熔化。而对于热导率较低的有机材料（(0.2-2 W/m/K)），即使在低电流密度下也容易受到热损害。然而，研究表明，当使用极小直径的电子探针时，尽管电流密度显著增加，温度升高却相对有限，这主要归因于二维径向热流的特性。

将方程(4)应用于入射在碳膜(k ≈ 1.6W/m/K)上的5 nA静态探针，得到如图5所示的结果；当束流直径从1 μm减小到1 nm时，探针中的电流密度增加了106倍，但ΔT仅从0.5 K增加到1.4 K。这种微小的增加是由于方程(4)中的对数项造成的，这是二维径向热流的特征。因此，即使入射束电流相同，STEM成像中的温度升高也不会比TEM成像大很多。

图5. 在碳膜中温度升高(ΔT)随探针直径(d)的变化关系，使用公式(4)计算，其中R₀=30um，k=W/m/K.。入射能量=200kev 。

同时，透射电镜在进生物样品切片或纳米材料测试时，低压电镜（80 kv-120 kV）使用的载网通常由铜网和方华膜组成，而当电压增加到200 kV时，电子束照射方华膜则会引起明显的热效应，具体表现为样品抖动或漂移。通过对在方华膜上进行喷碳处理能够很好的减弱这一现象。

在SEM中，由于样品通常为体块状，热量可在三维空间散失，温度升高相对较小。当探针直径远小于电子作用范围R时，静态探针的温度升高为

其中I为探针电流，V0为加速电压，(Reimer, 1998)。

对于V0 = 20 kV和I =1nA，R≈ 1μm，金属的ΔT < 0.1K，典型聚合物(k ≈ 1W/m/K)的ΔT为几度。对于扫描探针，每个像素的驻留时间通常小于热平衡时间，ΔT更低。

但特殊情况下，如观察薄膜样品时，尤其是在低加速电压条件下（500eV到2 keV之间），有机样品可能经历显著的温度升高（温度升高可达几百度），此时电子作用范围小于膜厚，所有束流能量都沉积在薄膜中。这种情况可通过采用扫描模式来缓解（通常可以降低十倍），因为短暂的驻留时间能有效降低局部加热效应。

总的来说，了解和控制电镜中的样品加热效应对于获得高质量图像和防止样品损坏具有重要意义，这需要在实验设计时充分考虑样品特性和成像参数的选择。

4. 静电充电

绝缘试样在电镜观察过程中的充电行为是一个复杂的物理过程。其核心在于入射电子与试样之间的相互作用，包括弹性和非弹性散射两种机制。充电过程主要受背散射系数η和二次电子发射产率δ(ε)的影响。

首先考虑SEM的情况，稳态条件代表电流平衡：

其中Vs是在束流中产生的表面电位，Rs是受辐照区域与试样周围区域之间的有效电阻。

方程(6)左侧项代表进入辐照体积的负电流，包括来自入射电流I和通过试样（从接地的样品台）的泄漏电流。右侧的项代表通过背散射和二次发射损失的电子；δ(Vs)是表面电位为+Vs时的有效二次发射产额，此时能量低于eVs的电子无法逃逸到真空中。

在高E0下，大多数二次电子在试样表面以下产生，无法逃逸到真空中。因此，δ(Vs)较低，需要在方程(6)左侧有负的Vs值才能实现电流平衡，如图6所示。如果Rs很大（高度绝缘的试样），Vs可能达到数千伏，导致入射束被带电区域排斥，产生不稳定或失真的图像（Reimer，1998）。

图6. 导电性差的块状试样或薄膜中的总电子产额和表面电位(Vs)（虚线）随入射束能量E0的变化关系。

在SEM中，试样表面电位Vs的形成取决于入射电子能量E0。当E0较高时，由于大多数二次电子无法逃逸，试样呈现负电位；而在较低E0下，较高的二次电子逃逸率导致试样带正电。特别地，在E2能量点处可实现电荷平衡，这是最理想的工作条件。

在很低的入射能量(E0<E1)下，入射电子没有足够的能量产生大量二次电子。由于δ很低且η<1，Vs再次变为负值。然而，E1值通常在50-150 eV范围内，因此与大多数SEM无法利用此工作条件。

TEM中的情况更为复杂，需要考虑透射电子的贡献。随着试样厚度减小，透射电流增大，可能在高能量区域(E3以上)出现正充电现象，Vs在某个入射能量E3以上再次变为正值，通常为2-10 keV（Reimer1992；见图6中虚线）。在这些正充电条件下，表面电位Vs可以增加直到实现电流平衡，就像E1<E0<E2时的体试样一样。Vs的统计波动可能解释了有时在薄绝缘膜的透射电镜图像中看到的波动颗粒性（Swarming Effect 蜂群效应）（Curtis和Ferrier，1969）。

值得注意的是，在高电流密度下，过度充电可能导致样品损伤，如电击穿或机械破坏。Cazaux（1995）分析了典型场发射探针（d=1nm，I=0.4nA）的情况，得到Vs=76eV。虽然这个电压可能对电子聚焦影响很小，但它在照明区域边缘产生超过1010 V/m的电场，足以引起电击穿（Hobbs，1990）并可能导致离子的横向迁移。由于这种高的静电充电效应，在STEM中观察到的金属氧化物绝缘体钻孔现象的解释（Humphreys，1990）。

TEM试样的充电还可能产生试样无法承受的机械力。例如，它可能导致薄聚合物膜撕裂，特别是当束流的加热效应可能导致机械软化时。

这些充电效应对电镜成像质量有重要影响，理解和控制这一现象对获得高质量电镜图像至关重要。在实际应用中，应当根据样品特性选择合适的观察条件，尽量避免不利的充电效应。

5. 无机材料的辐解

辐解是一种由非弹性电子散射引起的材料降解现象，其本质是入射电子束与材料相互作用导致的结构破坏过程。这种损伤机制在不同材料中表现出独特的特征。

对于碱卤化物而言，它们是最易受辐射损伤的无机材料之一，非弹性散射可导致7eV激子态，该态在10皮秒内衰变形成双卤素离子（H-中心）和阴离子空位（F-中心），Hobbs1984。这些空位可聚集形成空洞，而位移的卤素离子可能凝聚形成位错环，但最终会扩散到表面，导致卤素损失。辐解在一定程度上依赖于温度，通过冷却样品可以减少辐解。

对于氧化物等其他二元化合物，其辐解机制较为复杂。在高聚焦电子束下，静电充电效应可能起主导作用。

对于过渡金属氧化物，辐解被认为是通过Knotek-Feibelman机制发生的：入射电子在金属位置创造内壳层空位，随后发生来自氧原子的（原子间）俄歇衰变。这导致（中性或）带正电的O原子被周围金属离子排斥并被弹射到真空中，留下具有斑驳（凹坑）外观的富金属表面。这个过程持续进行，直到材料变得足够导电以屏蔽正氧离子。由于质量损失主要发生在样品表面附近，这也被称为电子诱导解吸。

这种辐解效应在电子显微学领域具有双重意义：它既是高分辨观察的潜在障碍，也为纳米尺度加工提供了可能性。在实际应用中，需要根据材料特性和研究目的，采取适当的策略来控制辐解过程。

6. 有机材料的辐解

有机固体在电子辐照下的损伤机制是电子显微学领域的一个重要研究课题。这类损伤主要发生在无定形聚合物和分子晶体中，其特点是同时存在共价键和范德华键。当电子束照射时，分子内发生电子激发，但去激发过程可能导致分子无法恢复原始状态，进而引发一系列结构变化。

辐射损伤的表现形式多样。首先是化学键断裂导致分子构型改变，造成晶体结构的破坏，这可以从电子衍射图样中斑点的消失得到验证。其次，分子电子构型的改变会导致电子能量损失谱中精细结构消失。此外，键断裂还会引起质量损失，特别是氢、氮、氧等轻原子的流失。

值得注意的是，不同有机材料对辐射的敏感程度存在显著差异。如表2所示，这种临界剂量在不同有机材料之间差异很大，但芳香族化合物通常比脂肪族化合物高。芳香族化合物通常表现出比脂肪族化合物更强的辐射稳定性，这主要归因于其稳定的环结构和较高的π电子共振能（Isaacson，1975），使其能够在多个电子间分散能量而不发生键断裂。

备注：对于这些过程中的每一个，都可以定义临界剂量，例如对于晶体样品电子衍射图样的"完全"破坏。注意，在电镜文献中，"剂量"通常指电子照射量（通常以C/cm²计），即入射电流密度与照射时间的乘积。

表2 ：选定脂肪族和芳香族材料的电子衍射图样破坏的临界剂量Dc（Reimer，1975）

正如Isaacson（1977）所指出的，有机材料中引起质量损失和成分变化所需的剂量通常大于导致衍射图样消失（长程有序性损失）的剂量，但小于导致能量损失精细结构损失（短程分子有序性破坏）所需的剂量。

在分子晶体中，每个分子的大小与单位晶胞的大小相差不大，因此分子形状的扭曲（由于有限的键断裂，可能伴随着氢的损失）可以显著影响衍射强度。更多的辐照导致其他元素的损失，但芳香族的稳定环结构，通过EELS精细结构（通常是6 eV π共振峰）测量，仍保持完整。

H原子的释放是辐射损伤过程中的一个重要因素，这从外围H原子被卤素（Br或Cl；见表2）取代的酞菁（Pc）的降低敏感性可以看出。周围分子被认为提供了一个"笼效应"，阻碍了较大卤素原子的位移。

更定量的损伤度量是特征剂量De，定义为被测量的效应降低到其初始值的1/e=37%时的剂量。而De是材料辐射抗性的度量，辐射敏感性可以用损伤截面表示：

sd = e/De （8）

其中e是电子电荷。

合理地预期，损伤截面随入射能量E0的变化应与非弹性散射截面的变化方式相同，即与电子速度的平方成反比，或者（近似地）对于大于几keV的E0，与1/E0成正比（Isaacson，1977）。这可能表明通过使用高入射能量可以减少辐解；但由于弹性截面也与1/E0成正比，损伤与（图像或光谱）信号的比率保持不变。

对于SEM样品，损伤仅在表面附近的电子范围内产生。随着E0的降低，这个范围变得很小，表面损伤（单位体积能量沉积）实际上增加。但是损伤还取决于信号深度和电子束能量密度，因此在低入射电子束能量下观察到的损伤效应往往较小（Joy 1996）。

虽然降低样品温度不会改变非弹性截面，但它确实降低了有机样品对结构损伤和质量损失的敏感性。降低程度在很大程度上取决于材料和实验技术，这一直是争论的主题。用液氮（低于100 K）冷却TEM样品可使质量损失减少3到100倍（表3），这可以用低温下原子迁移率降低来解释。事实上，当样品回到室温时（无需进一步辐照），由于脱离的原子扩散出去，样品确实会损失质量（Egerton，1980）。

表3 用80 keV电子束辐照有机样品时，通过EELS测定的特定元素移除特征剂量（Egerton，1987）

用碳（或金属）涂覆TEM样品的两面已被证明具有保护作用，可减少质量损失（表4）。一种可能的解释是涂层作为扩散屏障，降低了轻气体元素的逃逸率。研究界面成分的研究人员（使用高度聚焦的电子探针）已知会在较旧的TEM中预先辐照感兴趣的区域，在每个表面产生薄的污染层，抑制轻元素的损失。

更令人惊讶的是，表面涂覆也被发现可以减少晶体结构的损失（见表4）。一种提出的解释是，如果防止挥发性元素逃逸，返回原始分子态（断键的修复）的可能性更大。增加样品厚度也应该降低外扩散率，事实上，破坏晶体结构所需的剂量已被发现随厚度增加而增加（Fryer，1984）。

表4 表面涂层对TEM样品辐射敏感性的影响；Pc表示酞菁。样品厚度在7-50纳米范围内，涂层厚度在5-15纳米范围内

对于无机材料，Strane（1988）建议涂覆可以降低解吸诱导电子跃迁（DIET）的速率。涂覆也可能降低束诱导温度升高或静电充电（Salih和Cosslett，1974）。

7. 烃类污染

电子显微镜技术在发展过程中，样品污染一直是一个值得关注的技术问题。与质量损失相反，当电子束照射样品表面时，会导致烃类分子聚合，形成具有低蒸气压和低表面迁移性的聚合物，造成样品表面质量增加。

此外，还有有机硅的污染等，而这些在电子束作用下易附着在样品表面，影响观察，尤其是在透射电子显微镜的测试时，由于其使用的载网中有方华膜存在，其本质是聚乙烯醇缩甲醛，易被二氯甲烷、甲苯、石油醚等有机溶剂溶解，在测试过程中更为常见。

虽然随着显微镜真空技术的进步，污染问题已大大改善，但由于样品制备和储存过程中难免接触烃类物质，污染问题仍然存在。为应对这一挑战，科研人员开发了多种解决方案，包括加热处理、离子溅射、散焦照明等技术手段。这些方法各具特点，可根据样品特性选择合适的处理方式。

1. 在空气中用红外灯加热样品，以使其表面的烃类脱附。用小型紫外灯照射据说也有效，对热敏感样品可能更为合适。

2. 在等离子清洗器或电子镜中使样品暴露在高能离子中（溅射掉表面层）。

3. 通过散焦照明并移除聚光镜光阑（在TEM中）或以较低放大倍率扫描（在SEM中）使周围区域充满电子，以固定（聚合）表面烃类并防止它们向聚焦探针扩散。

4.在TEM中将样品加热到约300℃，以使其表面的烃类脱附并在观察期间保持低烃类浓度。

5. 在观察过程中冷却样品，从而降低表面烃类的迁移性。如果真空中存在水蒸气，它可能会在样品上凝结并"烧掉"（氧化）照明区域内的烃类，但这种情况对有机样品有害，因为样品本身可能被腐蚀。

有趣的是，这种表面污染现象也带来了意想不到的应用价值。研究发现，当电子束直径较小时，污染会形成尖锐的峰状结构，这一特性可被用于光刻工艺。由于污染聚合物具有良好的抗蚀性，这种方法可用于制造磁点阵列和纳米线等微观结构。特别是在纳米线制造方面，这种方法产生的线边缘粗糙度优于传统光刻技术。

这一现象的研究历程充分展示了科学发展的辩证性：某些被视为缺陷的现象，在深入理解后反而可能成为新的技术突破点，为微观制造领域开辟新的研究方向。

8. 能量阈值效应

辐射损伤研究中长期以来存在一个基本假设：伤程度取决于电离辐射（带电粒子或X射线）在样品中沉积的能量。这意味着（例如）一个发生300eV能量损失的非弹性碰撞的电子会产生10倍于发生30eV碰撞的电子的损伤。然而，近期研究表明，这种简单的线性关系可能需要重新考虑。

特别是在芳香族化合物中，损伤机制可能与能量阈值密切相关。当入射电子能量超过碳原子K壳层电离能（约285eV）时，会触发俄歇效应，导致碳原子带双负电荷，从而破坏分子的环状结构。相比之下，低于此阈值的价电子激发可能造成的损伤较小。

多项实验研究支持这一观点。Howie等人通过观察发现，当入射电子能量降至1keV以下时，芳香族化合物的损伤截面显著降低。然而，这些实验结果的解释存在一定争议，主要是由于样品厚度的不均匀性和电子穿透深度的限制可能影响观测结果。

最新的阴极发光研究提供了新的见解。实验表明，即使在低能量下，价电子激发仍能导致显著的损伤效应。这说明损伤机制可能比原先认为的更为复杂，不能简单地归结为能量阈值效应。

这一领域的研究仍在继续，特别是使用同步加速器光源的实验有望提供更精确的结果，帮助我们更好地理解辐射损伤的本质机制。

9.损伤与剂量率和束斑直径的关系

电子束辐射损伤的机理研究显示，损伤程度不仅与累积剂量有关，还与剂量率密切相关。这一现象在金属氧化物和有机材料中表现出不同特点。对于金属氧化物，只有当电流密度超过特定阈值时才会发生打孔现象。而在有机材料中，高剂量率条件下反而表现出较强的辐射耐受性。

对于有机材料，一些测量表明电流密度J（剂量率）不影响特征剂量（Egerton，1987），但这些测量是在低电流密度（<1A/cm2）下进行的。使用更高的电流密度（1.6-16 A/cm2），Fryer（1987）发现在透射电镜中可以快速（10-100毫秒内）记录烃类的晶格图像，所使用的辐射剂量等于或在较低电流密度下会破坏晶体结构的剂量。

特别值得注意的是，当使用纳米级小探针时，有机材料表现出显著提高的特征剂量。Siangchaew（2000）对聚乙烯进行了类似的π峰衰减EELS测量，他们也发现在小探针直径（<100纳米）情况下特征剂量显著增加（最高达60倍）。

这种现象无法用简单的束流加热效应解释。目前较为可信的解释认为，这与二次电子的作用密切相关。快速二次电子和慢速二次电子都可能参与损伤过程，其中慢速二次电子在某些材料中具有较长的平均自由程，可能是造成"附带损伤"的主要原因。

然而，目前对于小探针条件下辐射损伤增强机制的理解仍不完善。为了更好地理解这一现象，需要开展更多深入研究，包括精确测量样品漂移和探针电流密度分布等关键参数。这对于电子显微学的发展具有重要的实践意义。

总之，电子束辐射损伤机制的研究不仅具有重要的科学价值，也对提高电子显微镜成像质量具有直接指导意义。深入理解这一机制将有助于优化实验参数，获得更好的观察效果。

参考资料

[1]Micron Volume 35, Issue 6, August 2004, Pages 399-409. https://doi.org/10.1016/j.micron.2004.02.003 doi: 10.1021/nn303944f

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