氧化铝的加热荷电补偿研究
在环境扫描电镜(ESEM) 中配置加热台,对Al2O3样品进行加热实验。结果表明,Al2O3表面的荷电效应随温度的稳定升高而逐渐减小。当温度上升至～360 ℃时,荷电效应完全消除,得到清晰的二次电子(SE) 像。在加热过程中,Al2O3品的吸收电流( Ia) 值不断提高,在～360 ℃时达到2.67 ×10 -7A。这个值相当于Al 样品台的Ia 值,表明加热可增加Al2O3表面的导电率。此外,在高真空环境中通过加热消除荷电后,得到的Al2O3样品的SE 像衬度优于通常在低真空环境中通过电子-离子中和作用得到的图像衬度。
通常采用扫描电镜(SEM) 直接观察绝缘样品时会产生荷电效应。即入射电子束辐照在非导电样品表面,电荷不能通过样品良好接地,电荷在样品表面不断积累形成较高的表面电势,使二次电子(SE) 像产生畸变、扭曲、充放电等现象,给成像带来很大的困难。此外,荷电可给元素分析带来误差。
目前在SEM 中采用的消除荷电的主要方法包括:在样品表面喷涂导电层、采用较低能量的电子束辐照、以及在较高的气压环境中成像。其中最有效的方法是采用变气压扫描电镜(VP-SEM) 和环境扫描电镜( ESEM) 。在VP-SEM 和ESEM 中,样品室采用较高的压强:在10 Pa～2600 Pa 范围直接观察绝缘样品 。荷电补偿的基本原理是:样品室中的环境气体(水蒸汽或其他气体) ,在入射电子和信号电子(二次电子和背散射电子) 的碰撞下,形成大量的气体正离子,与样品表面积累的负电荷中和,从而消除了荷电现象。
本项工作采用在高真空环境中,通过加热的方法,对Al2O3等陶瓷类非导电样品进行荷电补偿。此外通过实时监测Ia 的变化,评价样品表面的荷电状态,并探讨了绝缘样品加热荷电补偿的机制。
1、实验方法
实验样品为多晶α-Al2O3 。原始粉体为纯度高于99.9 %的α-Al2O3 ,掺入0.2 wt %的TiO2 ,混合球磨后采用热压烧结法,1500 ℃下氮气氛中保温1 h 后炉冷制得。再将样品表面机械抛光,1400 ℃下热腐蚀30 min 后得到。样品厚15 mm。α-Al2O3六方晶系(a = 0.475 nm ,c = 1.299 nm) ,呈层状结构,禁带宽度5.1 eV ,为典型的绝缘体。电阻率1 ×1014Ω·cm～1015Ω·cm ,介电常数6.5～7.5。
采用FEI Quanta 200 型环境扫描电镜( ESEM) ,仪器分辨率3.5 nm。ESEM 有三种真空模式:高真空(～10 - 4 Pa) ,低真空(13 Pa～133 Pa) 和环境真空(133 Pa～2600 Pa) 。实验采用加速电压30 kV ,入射电流71.6 ×10 - 11 A ,扫描速率100 秒/ 帧。高真空模式采用ETD-SE 探头成像,低真空和环境真空模式采用气体二次电子探头(GSED) 成像。
在ESEM中配置样品加热装置和吸收电流( Ia)检测装置,见图1。加热器为铂2铑热电偶,直流电源输出电压0 V～25 V ,输出最大电流3 A ,稳定性1 ×10 - 3/ 10 min。测温毫伏(mV) 计15 mV ,内电阻300Ω。实验中当温度从20 ℃升到260 ℃时,升温速率4 ℃/ min ,保温时间1 h ,当温度从260 ℃升到360 ℃时,升温速率1.7 ℃/ min ,保温时间1 h。电压2温度曲线( V-T) 见图2。
图1 ESEM实验装置
图3 为吸收电流( Ia) 检测原理示意图。吸收电子为入射电子与样品中原子核或核外电子发生多次非弹性散射后能量不断下降,被样品所吸收的部分入射电子。图中Ip 、Is、Ib 、It 和Ia 分别为入射电子流、二次电子流、背散射电子流、透射电子流和吸收电子流。在样品和地之间接入高灵敏度的微小电流测试表(pA2表) ,可以测出样品对地的电流信号。对于导电块样品, It = 0 , Ip = Is + Ib + Ia 。非导电样品的Ia 值(10 - 11 A～10 - 12 A) 明显低于导电样品的Ia值(10 - 7 A～10 - 9 A) ,且变化幅度很大,这是由于入射电子难以通过绝缘样品良好接地导走,电荷在样品表面堆积,产生充放电现象所致。我们通过监测Ia 评价样品表面的荷电状态。Ia 与样品表面捕获的电荷量的关系如式(1) 和式(2) 所示 。
图2 加热台的V2T 曲线图 图3 Ia 检测原理示意图
式中, Q —绝缘材料捕获的电荷量;α—荷电对成像的影响因子, 与实验装置的几何构造有关(α> 1) 。实验采用HP4140B pA 表检测Ia 。
