氧化鋁的加熱荷電補償研究

2010-01-02 王麗北京工業(yè)大學固體微結(jié)構(gòu)與性能研究所

　　在環(huán)境掃描電鏡(ESEM) 中配置加熱臺,對Al₂O₃樣品進行加熱實驗。結(jié)果表明,Al₂O₃表面的荷電效應(yīng)隨溫度的穩(wěn)定升高而逐漸減小。當溫度上升至～360 ℃時,荷電效應(yīng)完全消除,得到清晰的二次電子(SE) 像。在加熱過程中,Al₂O₃品的吸收電流( Ia) 值不斷提高,在～360 ℃時達到2.67 ×10 ^-7A。這個值相當于Al 樣品臺的Ia 值,表明加熱可增加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會產(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,使二次電子(SE) 像產(chǎn)生畸變、扭曲、充放電等現(xiàn)象,給成像帶來很大的困難。此外,荷電可給元素分析帶來誤差。

　　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:在10 Pa～2600 Pa 范圍直接觀察絕緣樣品。荷電補償?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電荷中和,從而消除了荷電現(xiàn)象。

　　本項工作采用在高真空環(huán)境中,通過加熱的方法,對Al₂O₃等陶瓷類非導(dǎo)電樣品進行荷電補償。此外通過實時監(jiān)測Ia 的變化,評價樣品表面的荷電狀態(tài),并探討了絕緣樣品加熱荷電補償?shù)臋C制。

1、實驗方法

　　實驗樣品為多晶α-Al₂O₃ 。原始粉體為純度高于99.9 %的α-Al₂O₃ ,摻入0.2 wt %的TiO₂ ,混合球磨后采用熱壓燒結(jié)法,1500 ℃下氮氣氛中保溫1 h 后爐冷制得。再將樣品表面機械拋光,1400 ℃下熱腐蝕30 min 后得到。樣品厚15 mm。α-Al₂O₃六方晶系(a = 0.475 nm ,c = 1.299 nm) ,呈層狀結(jié)構(gòu),禁帶寬度5.1 eV ,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FEI Quanta 200 型環(huán)境掃描電鏡( ESEM) ,儀器分辨率3.5 nm。ESEM 有三種真空模式:高真空(～10 ^{- 4} Pa) ,低真空(13 Pa～133 Pa) 和環(huán)境真空(133 Pa～2600 Pa) 。實驗采用加速電壓30 kV ,入射電流71.6 ×10 ^{- 11} A ,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)檢測裝置,見圖1。加熱器為鉑2銠熱電偶,直流電源輸出電壓0 V～25 V ,輸出最大電流3 A ,穩(wěn)定性1 ×10 ^{- 3}/ 10 min。測溫毫伏(mV) 計15 mV ,內(nèi)電阻300Ω。實驗中當溫度從20 ℃升到260 ℃時,升溫速率4 ℃/ min ,保溫時間1 h ,當溫度從260 ℃升到360 ℃時,升溫速率1.7 ℃/ min ,保溫時間1 h。電壓2溫度曲線( V-T) 見圖2。

ESEM實驗裝置

圖1 　ESEM實驗裝置

　　圖3 為吸收電流( Ia) 檢測原理示意圖。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試表(pA2表) ,可以測出樣品對地的電流信號。對于導(dǎo)電塊樣品, It = 0 , Ip = Is + Ib + Ia 。非導(dǎo)電樣品的Ia 值(10^{- 11} A～10 ^{- 12} A) 明顯低于導(dǎo)電樣品的Ia值(10^{- 7} A～10^{- 9} A) ,且變化幅度很大,這是由于入射電子難以通過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。我們通過監(jiān)測Ia 評價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。

加熱臺的V2T 曲線圖 Ia 檢測原理示意圖