场发射扫描电镜观测电池隔膜材料的参数设定

中国的锂离子电池行业近几年在迅猛发展，国内出现一大批掌握核心制造技术的电池原材料生产厂家。电池隔膜﹝separation film﹞在锂电池结构中是关键的内层组件之一，作为隔离正负电极的装置放置于两极之间，能够让电解质离子通过，又能避免两极上的活性物质直接接触而造成短路。电池隔膜一般是用高分子材料PE（聚乙烯）或PP（聚丙烯）来制备，孔径大小通常在10nm至300nm左右。

 

扫描电镜是用来检测电池隔膜孔径大小和孔洞分别是否均匀的常用仪器，为达到观测要求，图像放大倍率通常需要达到2万倍至10万倍甚至更高。不同材质和生产工艺（单向或双向拉伸，干法或湿法等）的电池隔膜在导电性方面有所差异，但作为绝缘高分子材料，直接放入扫描电镜下观察都有一定难度。采用离子溅射仪喷镀的方法，能够解决电池隔膜在扫描电镜观测过程中放电的问题，但溅射Au、Pt等重金属离子的过程中也有可能损伤和改变隔膜样品的原始形貌。采用场发射扫描电镜在不对电池隔膜喷镀的情况下直接观察原始真实形貌，需要解决图像放电和电子束对样品的热损伤问题，其中设定扫描电镜参数非常重要，主要涉及到加速电压、探针电流和扫描模式。这三个参数需要找到平衡点，加速电压的设定原则是电子束打在样品上的加速电压（着陆电压）越低，图像放电和样品损伤越小，但分辨率也会相应降低；探针电流的设定原则是电子束打在样品上的探针电流越小，图像放电和样品损伤越小，但图像信噪比也会相应降低；扫描模式的设定原则是电子束停留在样品上每扫描点时越少，图像放电和样品损伤越小，但图像信噪比也会相应降低。

参数设定在不同型号的场发射扫描电镜操作不同，但大致方法和原则是类似的，本文采用的是日立S-4800冷场发射扫描电镜，电池隔膜样品是没有经过喷镀直接采用低加速电压和低束流观察，放大倍率为2万倍至30万倍。

 

首先看几张电池隔膜在扫描电镜图像放电和受到电子束损伤的照片。

 

图1 图像严重放电，电镜参数加速电压1kV，扫描模式Slow 40s

1kV的加速电压对于扫描电镜来说已经属于低加速电压了，另外图1中电镜参数设定为发射束流设定为10μA，Probe current设定为normal，聚光镜C1值为5，扫描模式为40秒Slow模式，放大倍率3万5千倍，但图像严重放电，连样品的基本特征形貌都无法获得。

 

其他参数不变，将扫描模式由40秒Slow模式改为40秒CSS模式获得图2照片，图像依然放电，但明显减轻而且孔洞边缘清晰度不错。

 

图2 图像放电，电镜参数加速电压1kV，扫描模式CSS 40S

 

在上述参数条件下，除了图像放电，电池隔膜还存在电子束热损伤的问题，拍摄过程中孔径在发生变化，部分区域变形，小屏幕聚焦区域呈现方框状的损伤痕迹，见图3。

 

 

图3 样品在图像调整和拍摄过程中的损伤

 

接下来要采取更改电镜参数的方式来解决这些问题。首先，加速电压由1kV变为0.8kV减速模式；扫描模式采用CSS 40S；采取降低发射束流或者增加聚光镜C1值都可以使得探针电流降低，下面的图像维持聚光镜C1值为5不变，将探针电流由默认10μA设为1μA或者2μA，分别拍摄2万倍至25万倍图像，在拍摄图像过程中未见样品出现明显损伤变化，图像几乎没有放电现象，

 

日立S-4800冷场发射扫描电镜具有优秀的低加速电压高分辨性能，在超低束流下针对高分子材料也能获得非常不错的信噪比图像，做完上一组着陆电压0.8kV的图像之后，又尝试了一下陆电压0.6kV的图像，
 

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