氧化鋁的加熱荷電補(bǔ)償分析

氧化鋁的加熱荷電補(bǔ)償分析在環(huán)境掃描電鏡(ESEM)中配置加熱臺(tái),對(duì)Al2O3樣品開展加熱實(shí)驗(yàn)。結(jié)果說(shuō)明,Al2O3表面的荷電效應(yīng)隨溫度的穩(wěn)定升高而逐漸減小。當(dāng)溫度上升至～360℃時(shí),荷電效應(yīng)完全消除,得到清晰的二次電子(SE)像。在加熱過(guò)程中,Al2O3品的吸收電流(Ia)值不斷提高,在～360℃時(shí)到達(dá)2.67×10-7A。這個(gè)值相當(dāng)于Al樣品臺(tái)的Ia值,說(shuō)明加熱可增加Al2O3表面的導(dǎo)電率。此外,在高真空環(huán)境中通過(guò)加熱消除荷電后,得到的Al2O3樣品的SE像襯度優(yōu)于通常在低真空環(huán)境中通過(guò)電子-離子中和作用得到的圖像襯度。

通常采用掃描電鏡(SEM)直接觀察絕緣樣品時(shí)會(huì)產(chǎn)生荷電效應(yīng)。即入射電子束輻照在非導(dǎo)電樣品表面,電荷不能通過(guò)樣品良好接地,電荷在樣品表面不斷積累形成較高的表面電勢(shì),使二次電子(SE)像產(chǎn)生畸變、扭曲、充放電等現(xiàn)象,給成像帶來(lái)很大的困難。此外,荷電可給元素分析帶來(lái)誤差。

目前在SEM中采用的消除荷電的主要方法包括:在樣品表面噴涂導(dǎo)電層、采用較低能量的電子束輻照、以及在較高的氣壓環(huán)境中成像。其中最有效的方法是采用變氣壓掃描電鏡(VP-SEM)和環(huán)境掃描電鏡(ESEM)。在VP-SEM和ESEM中,樣品室采用較高的壓強(qiáng):在10Pa～2600Pa范圍直接觀察絕緣樣品。荷電補(bǔ)償?shù)幕驹硎?樣品室中的環(huán)境氣體(水蒸汽或其他氣體),在入射電子和信號(hào)電子(二次電子和背散射電子)的碰撞下,形成大量的氣體正離子,與樣品表面積累的負(fù)電荷中和,從而消除了荷電現(xiàn)象。

本項(xiàng)工作采用在高真空環(huán)境中,通過(guò)加熱的方法,對(duì)Al2O3等陶瓷類非導(dǎo)電樣品開展荷電補(bǔ)償。此外通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)Ia的變化,評(píng)價(jià)樣品表面的荷電狀態(tài),并探討了絕緣樣品加熱荷電補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制。1、實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)樣品為多晶α-Al2O3。原始粉體為純度高于99.9%的α-Al2O3,摻入0.2wt%的TiO2,混合球磨后采用熱壓燒結(jié)法,1500℃下氮?dú)夥罩斜?h后爐冷制得。再將樣品表面機(jī)械拋光,1400℃下熱腐蝕30min后得到。樣品厚15mm。α-Al2O3六方晶系(a=0.475nm,c=1.299nm),呈層狀構(gòu)造,禁帶寬度5.1eV,為典型的絕緣體。電阻率1×1014Ω·cm～1015Ω·cm,介電常數(shù)6.5～7.5。

采用FEIQuanta200型環(huán)境掃描電鏡(ESEM),儀器分辨率3.5nm。ESEM有三種真空模式:高真空(～10-4Pa),低真空(13Pa～133Pa)和環(huán)境真空(133Pa～2600Pa)。實(shí)驗(yàn)采用加速電壓30kV,入射電流71.6×10-11A,掃描速率100秒/幀。高真空模式采用ETD-SE探頭成像,低真空和環(huán)境真空模式采用氣體二次電子探頭(GSED)成像。

在ESEM中配置樣品加熱裝置和吸收電流(Ia)檢測(cè)裝置,見圖1。加熱器為鉑2銠熱電偶,直流電源輸出電壓0V～25V,輸出最大電流3A,穩(wěn)定性1×10-3/10min。測(cè)溫毫伏(mV)計(jì)15mV,內(nèi)電阻300Ω。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)溫度從20℃升到260℃時(shí),升溫速率4℃/min,保溫時(shí)間1h,當(dāng)溫度從260℃升到360℃時(shí),升溫速率1.7℃/min,保溫時(shí)間1h。電壓2溫度曲線(V-T)見圖2。

圖1ESEM實(shí)驗(yàn)裝置

圖3為吸收電流(Ia)檢測(cè)原理示意圖。吸收電子為入射電子與樣品中原子核或核外電子發(fā)生多次非彈性散射后能量不斷下降,被樣品所吸收的部分入射電子。圖中Ip、Is、Ib、It和Ia分別為入射電子流、二次電子流、背散射電子流、透射電子流和吸收電子流。在樣品和地之間接入高靈敏度的微小電流測(cè)試表(pA2表),可以測(cè)出樣品對(duì)地的電流信號(hào)。對(duì)于導(dǎo)電塊樣品,It=0,Ip=Is+Ib+Ia。非導(dǎo)電樣品的Ia值(10-11A～10-12A)明顯低于導(dǎo)電樣品的Ia值(10-7A～10-9A),且變化幅度很大,這是由于入射電子難以通過(guò)絕緣樣品良好接地導(dǎo)走,電荷在樣品表面堆積,產(chǎn)生充放電現(xiàn)象所致。我們通過(guò)監(jiān)測(cè)Ia評(píng)價(jià)樣品表面的荷電狀態(tài)。Ia與樣品表面捕獲的電荷量的關(guān)系如式(1)和式(2)所示。

圖2加熱臺(tái)的V2T