掃描電鏡作為材料表征的核心工具，能夠以納米級分辨率揭示樣品表面的微觀形貌。然而，許多初次接觸SEM掃描電鏡的研究者會發現：在觀察非導電或低導電性樣品時，成像質量往往不理想，甚至出現圖像扭曲、閃爍或分辨率下降等問題。這一現象的根源在于電荷積累效應，而噴金（或噴涂導電層）正是解決這一問題的關鍵技術手段。本文將系統解析掃描電鏡成像中噴金的必要性，并探討其科學原理與操作要點。

一、SEM掃描電鏡成像原理與電荷積累效應

掃描電鏡通過聚焦高能電子束掃描樣品表面，激發產生二次電子、背散射電子等信號，經探測器接收后形成圖像。這一過程中，電子束與樣品的相互作用會導致電荷積累：

導電性樣品（如金屬）：內部自由電子可快速中和入射電子的電荷，維持表面電位穩定。

非導電性樣品（如陶瓷、聚合物、生物組織）：缺乏自由電子，入射電子的負電荷無法及時導走，導致樣品表面電位逐漸升高。

當電荷積累到一定程度時，會產生以下問題：

圖像失真：表面電場干擾電子束軌跡，導致圖像扭曲或出現偽影（如亮斑、條紋）。

信號衰減：電荷排斥后續入射電子，降低二次電子發射效率，圖像對比度下降。

樣品損傷：J端情況下，局部高壓可能引發放電，損壞樣品或探測器。

二、噴金的核心作用：構建導電通道

噴金（或噴涂其他導電材料）的本質是通過物理或化學方法在樣品表面沉積一層導電薄膜，其作用體現在以下三個方面：

1. 電荷中和

導電層作為“電荷緩沖區”，允許入射電子的負電荷通過薄膜導走，維持樣品表面電位穩定。例如，噴涂厚度為5-20 nm的金層后，非導電樣品（如聚合物）的表面電阻可從1012 Ω降低至102 Ω量級，有效抑制電荷積累。

2. 信號增強

導電層可提升二次電子發射效率。金等貴金屬具有高二次電子產額（金約為0.25，而絕緣體如聚合物僅0.01-0.05），能放大微弱信號，顯著提高圖像信噪比。

3. 形貌保護

對于軟質樣品（如生物組織），導電層還起到“支撐層”作用，防止電子束轟擊導致樣品變形或熔融。例如，噴涂碳層可增強植物細胞壁的機械穩定性，避免掃描時出現塌陷。

三、不噴金的后果：實驗案例分析

以聚合物薄膜為例，未噴金時SEM掃描電鏡成像可能出現以下現象：

局部亮斑：電荷積累導致電子束被排斥，形成高亮度區域（如圖1a）。

圖像漂移：掃描過程中表面電位變化，導致圖像與掃描位置錯位（如圖1b）。

分辨率下降：信號衰減使細節模糊，無法分辨100 nm以下的特征（如圖1c）。

通過噴涂10 nm金層后，圖像質量顯著改善：亮斑消失，邊緣清晰，可分辨50 nm級的微結構。

四、噴金工藝的關鍵參數

噴金效果取決于以下操作要點：

材料選擇：

金（Au）：導電性優異，二次電子產額高，但成本較高。

鉑（Pt）/鈀（Pd）：性價比高，適用于常規樣品。

碳（C）：適用于生物樣品或需保留表面化學信息的場景。

厚度控制：

過度噴涂（>50 nm）可能掩蓋樣品表面細節。

厚度不足（<5 nm）則無法有效導電。
通常推薦厚度為10-20 nm。

均勻性：
采用磁控濺射或真空蒸鍍工藝，確保導電層均勻覆蓋樣品表面，避免出現“導電死區”。

五、替代方案：無需噴金的掃描電鏡成像技術

對于無法噴金或需保留原始表面狀態的樣品，可采用以下技術：

低真空模式：
在SEM掃描電鏡腔體內引入少量氣體（如水蒸氣），通過電離氣體中和電荷。適用于含水生物樣品或易氧化材料。

導電膠帶/導電漆：
在樣品邊緣粘貼導電膠帶，或涂覆導電銀漆，構建接地通道。但可能影響樣品邊緣觀察。

環境掃描電鏡（ESEM）：
通過差分抽氣系統維持高濕度環境，直接觀察含水或非導電樣品，無需任何預處理。

噴金作為掃描電鏡成像的核心預處理步驟，通過構建導電通道解決了非導電樣品的電荷積累難題，顯著提升了圖像質量與數據可靠性。隨著技術進步，低真空SEM掃描電鏡與環境掃描電鏡等無損成像技術逐漸普及，但噴金仍因其操作簡便、成本低廉、適用性廣等特點，在材料科學、生物醫學、地質學等領域發揮著不可替代的作用。理解噴金的科學原理與操作要點，是掌握掃描電鏡技術、獲取高質量微觀形貌數據的關鍵一步。