SEM样品需要满足什么条件？
扫描电子显微镜（SEM）的成像原理，是用聚焦电子束逐点轰击样品表面，通过收集二次电子、背散射电子信号重构表面形貌。
由于电子束与信号电子极易被气体分子散射，样品仓必须维持 10⁻³~10⁻⁵ Pa 的高真空环境。样品中含有的水分、有机溶剂及易挥发组分，在高真空下会快速蒸发、放气甚至喷溅，因此进仓前必须彻底去除。
满足真空条件后，第二项核心要求是构建顺畅的电荷泄放通路。入射电子持续轰击样品表面，若电荷无法通过样品台导入接地端，就会在表面积累形成局部电场。
金属、碳基材料本身导电性良好，直接固定在样品台上即可形成接地通路；而氧化物、聚合物、陶瓷、生物组织等绝缘 / 高阻材料，则需要通过导电胶粘接、表面镀膜或低真空模式来补充电荷泄放路径。
最后一项基础要求，是样品表面必须洁净、完好，保留原始形貌。SEM 的有效信号来自样品表面几纳米至几百纳米的深度，制样过程中残留的溶剂、指纹油脂、研磨碎屑，或是干燥导致的形貌收缩，都会直接呈现在最终图像中。
装样时，需用导电碳胶带或导电银浆将样品牢固粘接在铝制样品台上；粘接不牢的颗粒会在抽真空气流、电子束轰击下发生位移，甚至脱落污染镜筒。
图1. 硅灰石粉末以多层镀膜、单层镀膜和单层未镀膜三种装载状态粘在铝样品台上的实物照片。DOI：10.3390/app132312600
除了粘接牢固，粉末样品的铺展厚度也直接影响电荷泄放效果与视场质量。铺粉过厚，底层颗粒无法接触导电胶，表层电荷难以导走；铺粉过薄，视场内颗粒数量不足，难以满足粒径统计等分析的样本量要求。常规操作是让导电胶表面刚好铺满单层颗粒，再用洁净氮气吹去表面浮粉。
除了浮粉，表面污染同样会破坏图像质量。裸手接触会将油脂带到样品与样品台表面，碳氢污染物在电子束照射下会发生分解沉积，在扫描区域留下逐渐发黑的方形污染印记。进仓前用无水乙醇超声清洗样品台，必要时对样品进行等离子体清洗，可有效避免这类污染。
真空、导电、洁净表面这三项基础要求中，电荷泄放通路的搭建，往往是决定制样方案的核心：金属断口类样品经清洗后可直接进仓观测；而陶瓷块体、聚合物薄膜、氧化物粉末等绝缘样品，则必须通过导电胶带、导电银浆或表面金属镀膜，构建完整的接地通路。
导电处理怎样让表面电荷流向样品台？
一旦缺少有效的电荷泄放路径，最典型的问题就是充电效应。绝缘表面积累的负电荷会排斥后续入射电子，导致二次电子产额不稳定，图像上表现为异常亮斑、横向拖影、整体画面漂移；充电严重时，局部强电场甚至会使轻质颗粒发生跳动、翻转。
图2. 三种装载与镀膜状态的硅灰石样品在三档逐级放大下的SEM形貌，未镀膜组高倍下衬度发虚并出现充电亮区。DOI：10.3390/app132312600
接地通路首先从装样环节搭建：用导电碳胶带、导电银浆或铜胶带将样品底面与铝制样品台连通，再通过样品台与仪器机架实现接地。但对于块体绝缘样品，仅连通底面远远不够，样品上表面的电荷仍无法泄放。
解决方法有两种：一是在样品表面镀一层连续的导电薄膜，二是用导电银浆沿样品侧面涂抹，形成从上表面到样品台的导电引流带。
喷金、喷碳怎样选？
目前最常用的表面导电处理是溅射镀膜：在氩气等离子体环境中，将金、铂、铬或碳等靶材原子溅射沉积到样品表面，沉积速率约为每分钟数纳米，常规镀膜厚度控制在 5~20 nm。
不同镀膜材料各有适用场景：金膜的二次电子产额高，拍摄形貌像时信噪比优异；铂膜、铬膜的晶粒尺寸更小，高倍率观测下颗粒感更弱，细节更清晰；碳膜的原子序数低，进行 EDS 能谱分析时不会掩盖轻元素信号，也能避免金的 M 线（约 2.1 keV）与磷、硫的 K 线峰位重叠造成的干扰。
图3. 二氧化硅气凝胶未镀膜及溅射5、16、32 nm金膜后的低真空SEM形貌，金层增厚逐步盖过原始纳米网络。DOI：10.3390/polym13040588
镀膜厚度需要在导电性与形貌保真度之间权衡：膜层太薄无法形成连续导电层，电荷依然会积累；膜层过厚，金属晶粒本身会成为成像主体，掩盖样品真实形貌。
以由数纳米纤维构成的二氧化硅气凝胶为例，镀 5 nm 金膜后，纤维直径已出现明显增粗；当膜厚达到 32 nm 时，金颗粒几乎完全覆盖原始纤维网络，最终图像呈现的其实是金层自身的形貌。
涂层会在图像里留下什么痕迹？
溅射金属膜通常以岛状形核的方式生长，高倍率下会在图像中形成均匀的细颗粒背景；在纤维、片层等高比表面积结构上，金属颗粒更易聚集在凸起与交叉位置，可能将 20 nm 级的微观细节增粗至 50 nm 级。
在背散射电子像中，这些高原子序数的金属颗粒亮度远高于低原子序数基体，衬度差异显著，可直观观察到涂层的分布状态。
图 4. 海藻酸钙气凝胶纤维网络的二次电子像与对应的金颗粒背散射分布，金颗粒集中在纤维表面和交叉处。DOI：10.3390/polym13040588
如果不希望镀膜影响样品原始形貌，也可采用低加速电压或低真空模式观测：低加速电压（通常 1 kV 左右）可使入射电子数与出射电子数接近平衡，减少电荷积累；低真空模式则通过仓内气体电离产生的正离子，中和表面积累的负电荷。
这两种模式的分辨率略低于常规高真空镀膜观测，但能保留样品最原始的表面状态。
低真空仓内可通入数百帕的水汽，能有效减缓样品失水。对于含水样品而言，水既是维持结构的关键组分，也是高真空环境中最不稳定的因素，因此这类样品的制样核心，也从导电镀膜转向了水分的温和去除。
含水和软物质样品
水分在常压下自然蒸发时，气液界面会扫过样品内部的每一处孔隙与细胞结构。常温下水的表面张力约为 72 mN/m，作用在亚微米级孔道上时，产生的毛细压力可达兆帕级别，足以压瘪细胞壁、拉塌凝胶网络。
因此直接自然晾干的叶片、细菌、水凝胶等样品，在 SEM 下普遍会出现皱缩、塌陷、开裂等形貌损伤。
在干燥之前，生物类样品通常需要先进行化学固定。戊二醛可与蛋白质的氨基发生交联反应，加固细胞与组织结构；四氧化锇则能与膜脂反应，进一步稳定生物膜系统，同时还能提升样品表面的导电性。
以秀丽隐杆线虫为例，未经固定的样品即便采用温和的冷冻干燥，虫体仍会整体收缩，表面布满褶皱；而经戊二醛固定后再冷冻干燥，虫体体表可保持平滑饱满的原始状态。
图 5. 秀丽隐杆线虫未固定与经戊二醛固定后分别冷冻干燥的 SEM 形貌，未固定虫体皱缩起皱，固定后体表平滑。DOI：10.1038/s41598-025-30335-4
固定完成后，样品需经过 30%~100% 浓度梯度的乙醇溶液进行脱水，将样品中的水分逐步替换为易挥发的乙醇。但即便替换为乙醇，自然挥发过程中气液界面依然会扫过孔道与细胞，毛细收缩的风险仍然存在。目前主流的无毛细收缩干燥方式有三种：临界点干燥、化学干燥和冷冻干燥。
临界点干燥、HMDS 和冷冻干燥怎样选？
临界点干燥的原理，是先将样品中的乙醇置换为液态 CO₂，再通过升温加压使其越过临界点（31.1 ℃、7.38 MPa）。超过临界点后，液态与气态的界面消失，整个干燥过程没有气液界面扫过样品，从根本上避免了毛细收缩。
化学干燥通常使用六甲基二硅氮烷（HMDS）置换样品中的乙醇，HMDS 表面张力低，可在常温下自然挥发，对于蜡质叶片、昆虫外壳等本身具有刚性骨架的样品，保形效果接近临界点干燥，且操作成本更低。
冷冻干燥则是将样品中的水分完全冻结，再在低温真空环境下让冰直接升华，同样不经过气液界面。但冷冻过程中冰晶生长会挤压柔软的样品网络，因此需要提高冷冻速率、减小样品体积，以控制冰晶尺寸，减少结构损伤。
图 6. 同一种植物叶面经临界点干燥、HMDS 化学干燥与自然晾干后的 SEM 形貌，晾干组表皮细胞皱缩塌陷。DOI：10.1186/s42649-020-00035-6
干燥方式需根据样品的含水量与机械强度选择：高含水量、低模量的水凝胶、细胞悬液等样品，优先选择临界点干燥或快速冷冻干燥；而蜡质表皮、花粉、硅藻壳等自带刚性骨架的样品，使用 HMDS 干燥甚至温和自然晾干，也能较好地保留原始形貌。干燥完成后的样品，即可按常规流程进行镀膜、装样。
不脱水的冷冻 SEM 和环境 SEM 什么时候用？
如果需要完全保留样品的含水状态，可选择冷冻 SEM 或环境 SEM。冷冻 SEM 通过高压冷冻或快速投入液氮冷媒，使样品中的水以玻璃态或极小冰晶的形式原位固定，随后在冷台上直接观测冰包裹的样品断面；环境 SEM 则在数百帕的水汽分压下，维持样品湿润状态直接成像。
这两种方式都避免了干燥收缩带来的形貌损伤，但分辨率会受冰晶尺寸、气体散射的限制。
块体、粉末和截面样品
对于不含水的常规材料样品，制样的核心是获得平整、洁净、固定牢固的观测面：粉末样品需要均匀摊薄并固定，块体样品需要保留或制备出目标观测面，观测内部结构则需要制备截面。
清洗、干燥、镀膜等步骤是通用流程，不同样品的差异主要体现在表面加工环节。
粉末怎样摊得又薄又牢？
粉末样品的常规制样方法，是将粉末加入无水乙醇或异丙醇中超声分散，再滴加到抛光硅片或铝箔上自然晾干，颗粒会随液滴铺展形成近单层分布，超声也能打散团聚体；如果需要快速制样，也可将粉末薄薄撒在碳胶带上，用洁净的镊子背面轻压，再将样品台倒扣轻敲，去除未粘接牢固的浮粉。
残余浮粉是粉末制样最主要的风险点：粘接不牢的颗粒在抽真空气流、电子束轰击下发生位移，轻则导致视场漂移，重则颗粒被吸入物镜，污染镜筒光路。磁性粉末的风险更高，强磁性颗粒易被物镜磁场吸附，通常需要将粉末包埋在树脂中或压制成片后再进行观测。
观察块体样品该用断口还是抛光面？
块体样品的观测面分为两类，制备方式截然不同：镀层表面、腐蚀表面、晶体生长面这类原始形貌表面，仅需用溶剂超声去油、氮气吹干即可，任何研磨抛光都会破坏目标形貌；
如果需要观测内部组织，金属材料可直接通过冲击、弯折制备断口，断口能完整保留裂纹扩展的真实路径，进仓前同样仅需清洗处理。
对于背散射成分衬度观测、EBSD 背散射电子衍射等对表面平整度要求极高的分析，块体样品需要经过砂纸逐级研磨、金刚石抛光至亚微米级平整度，再通过振动抛光或电解抛光去除表层加工变形层。
研磨引入的变形层厚度与磨粒尺寸处于同一量级，若变形层残留，会导致 EBSD 衍射花样衬度显著下降。
怎样才能把样品截面切得平整干净？
截面制备的目的，是将多层膜结构、材料界面、内部孔隙等隐藏的内部结构暴露到观测表面。机械切割 + 抛光的制备方式成本最低，但对于软硬相间的复合材料，磨料容易在表面留下划痕，还会将软相涂抹在硬相表面，使孔洞边缘磨圆，涂层与基体的界面也容易在磨削应力下发生开裂、剥离。
图 7. 彩绘织物截面在机械抛光与氩离子铣削后的背散射像，离子铣面上颜料层轮廓与纤维截面保持完整。DOI：10.1186/s40494-019-0316-4
氩离子铣削则采用宽束氩离子以掠射角度剥蚀样品表层，加工过程无机械应力，对于颜料层、电池极片、多孔陶瓷这类软硬混合结构，能完整保留锐利的界面轮廓与真实的孔隙形貌。
如果需要在指定的单个颗粒、微器件位置制备截面，可采用聚焦离子束（FIB）技术，能以微米级精度定点铣削出平整截面，还可原位提取制备成 TEM 观测薄片。
进仓前的最终检查，可在体视显微镜与 SEM 低倍模式下完成：表面浮粉、溢出的导电胶、样品边缘缺口等问题，在光学低倍下即可清晰识别；镀膜后的样品表面应呈现均匀哑光状态，蒸碳的厚度还可通过抛光黄铜片上的干涉色大致判断：橙色对应约 15 nm，蓝紫色对应约 20 nm。
