金靶这么贵，还有其他平替靶材（方案）吗？

（金价高背景下 低真空镀膜仪 靶材平替方案）

最近半年来国际金价持续上涨，作为扫描电子显微镜（SEM）样品镀膜常用靶材的金（Au）成本显著提高。传统上，低真空溅射镀膜仪（如VPI公司的SD-900和SD-900M等型号）广泛使用金靶对非导电样品进行镀膜，以提高样品导电性和成像质量。然而，在金价高企的背景下，寻找成本更低或性能更优的替代靶材变得具有现实意义。

今天，我们分析银靶（Ag）和铂金靶（Pt）在低真空溅射镀膜仪中替代金靶用于SEM及场发射电镜样品制备的可行性，包括镀膜性能、电导率、膜层质量、成像分辨率等方面的对比。对不同靶材在这些仪器上的兼容性、稳定性、应用案例以及性价比进行阐述，并给出关键性能参数的对比表格，帮助用户直观了解银靶和铂金靶作为金靶替代材料的优势与局限。

材料性能对比

选择溅射靶材时需要考虑材料的电学性质、微观结构以及溅射特性。下表总结了金（Au）、银（Ag）和铂（Pt）三种常用贵金属靶材的关键性能参数对比：

上述对比表明，银在电导率方面优于金和铂，其电阻率仅约1.6×10^-8 Ω·m，为所有金属中最高导电率者。金的电导性也很好（约2.2×10^-8 Ω·m），而铂的电阻率高达1.1×10^-7 Ω·m，导电性能明显不及金、银。这意味着在相同膜厚下，银膜的导电能力最强，金次之，铂相对较弱。不过在SEM镀膜的实际厚度范围内（几纳米），只要形成连续膜层，三者均能有效导走电荷，避免样品表面充电。

在微观结构方面，铂涂层的颗粒最为细小，典型粒径仅2–3 nm，在低真空溅射仪中即可获得细腻、均匀的膜层。相比之下，金靶溅射出的膜粒度约5 nm左右，通常在>30k–50k倍率的SEM下其颗粒结构开始变得可见。银靶溅射膜的粒度与金相近或略大，通常也在几纳米量级（约5–10 nm），但如果样品或环境中存在卤素元素，可能导致银膜颗粒异常粗大。因此，在高倍率高分辨成像需求下（>50,000×），铂金靶更能提供无颗粒影响的细致镀膜；而在中低倍率下（<30,000×），金膜和银膜的颗粒对图像影响不明显。

溅射速率方面，金属材料的原子量和靶材“溅射产率”影响镀膜速度。金靶常被作为基准速度，银的溅射速度与金相当，在相同功率下单位时间内沉积的厚度相近。铂由于原子结合能和电子逸出功函数较高，导致溅射速率比金慢，大约只有金的40%。这意味着在同样条件下沉积一定厚度，铂靶需要更长的溅射时间或者更高的能量输入。不过，由于铂膜只需更薄即可达到等效的防充电效果（典型2–5 nm铂≈10 nm金的效果），实际制样中铂镀膜总时间并不一定明显增加。因此，对高分辨率需求的样品，铂靶尽管溅射速率慢，但所需膜厚更薄，整体制备效率并未削弱。

综上，从材料性能上看：银靶具有成本低和导电性佳的优势，但颗粒略大且易失去光亮；铂金靶具备颗粒超细和化学惰性的优点，能在高倍率下保持优异成像，但导电性稍逊且价格仍较昂贵；金靶作为经典材料各方面性能均衡，但价格高昂且在超高倍率下粒径成为短板。

膜层质量对比

不同靶材溅射形成的镀膜质量对于SEM成像有直接影响。（这里的膜层质量主要指膜的均匀性、覆盖能力、附着力和长期稳定性等。）

1. 膜层均匀性与覆盖能力：铂金膜由于颗粒极细，可以在较小厚度下实现对样品表面的连续覆盖。研究表明，在相同等离子条件下，金原子在基底表面形成的颗粒约为5–15 nm，需要沉积约10 nm厚度才能完全覆盖样品表面不留空隙；而铂原子形成的颗粒仅2–7 nm，2–5 nm厚度即可形成连续膜，有效避免样品充电。下图为在纳米纤维样品上分别溅射10 nm厚金膜和2 nm厚铂膜在10万倍SEM下的表面形貌对比，可以明显看出金膜表面的颗粒结构，而铂膜表面仍然光滑细腻，无明显颗粒：

对于银膜，其颗粒大小与金膜相仿，通常需要与金膜相近的厚度（几纳米量级）才能确保覆盖样品表面。银的溅射颗粒在大多数无机或生物样品上不会异常粗大，因而银膜在常规厚度下也能形成均匀连续的覆盖层。但应注意，如样品含有氯、硫等卤素元素，银在溅射过程中可能与之反应生成化合物，导致颗粒变粗从而膜层不均匀。因此对于含卤素较多的材料（如某些盐类、生物样品等），银膜的质量可能受影响，不如金膜和铂膜稳定。

2. 膜层附着力和应力：几种金属中，金和银均较软，溅射形成的薄膜在绝大多数材料表面附着力良好，不易产生裂纹。铂金属较硬，且溅射过程中铂原子可能在基底表面产生较大内应力。特别是在存在残余氧气的情况下，铂膜容易出现微裂纹（称为“应力开裂”现象）。这是因为铂与氧作用会改变膜层生长方式和应力状态。一些多孔样品在抽真空时会释放出氧或水汽，也可能诱发铂膜产生龟裂纹路。因此要获得高质量无裂纹的铂膜，通常需要更高的真空度或纯惰性气氛以尽量避免氧的影响。在这一点上，金靶和银靶对真空要求相对没那么严苛——即使在普通旋转泵真空（~10 Pa量级）环境中也能溅射出致密连续的金膜或银膜。现代低真空磁控溅射仪（如SD-900M）通常带有氩气冲洗功能，可在溅射前置换腔体中的空气，从而提高铂膜质量、减少裂纹风险。

3. 膜层稳定性（存储和环境影响）：金和铂都是化学惰性很高的贵金属，其溅射膜在空气中长期放置也不会氧化或失去导电性。样品镀金或镀铂后可长期保存而膜层性质基本不变，这对需要保存样品或延后测试非常有利。相比之下，银膜在空气中特别是有硫、氯等污染时容易失去光泽（即发生“氧化发黑”或硫化变暗的现象）。变暗的银膜虽然仍有一定导电性，但其表面可能生成的硫化银/氯化银会降低导电能力，并影响后续观察或分析。因此，用银靶镀膜的样品不宜长时间存放暴露于空气中，最好在制备后尽快完成显微镜观察。如果必须长期保存，建议密封于干燥无硫环境，或者在使用前重新溅射新鲜的导电膜。

电镜成像效果

导电镀膜的根本目的是提高SEM成像质量，包括抑制电荷积累、提升信噪比和分辨率等。不同靶材对电子成像产生的影响既有共同点也有差异。

1.    抑制电荷与信噪比：不论金、银或铂，均属于高导电性金属，镀上一层后能有效导出电子束激发的二次电荷，消除图像中的“充电效应”。这在非导电样品（如生物组织、聚合物、矿物等）的SEM中至关重要。由于银的电导率最高，在相同厚度下银膜导电排除电荷的能力理论上最强；金次之，铂稍逊。但在实际操作中，只要膜层达到几纳米并覆盖完整，各种金属都足以消除充电。值得注意的是，在极薄膜（<2 nm）情况下，铂因自身电阻率较高，可能需要略大厚度才能达到与金银相同的导电效果。然而如前所述，铂膜通常也不会低于2 nm使用，所以能够满足需求。在信噪比方面，重金属镀膜还会增加样品的二次电子产额和背散射电子信号，从而令图像更亮、更有对比度。金和铂的原子序数高（Au 79，Pt 78），对入射电子的散射能力强，二次电子产额都很高，因此镀金和镀铂通常都能显著提高图像亮度和细节。银的原子序数为47，略低，因此银膜产生的二次电子相对略少，图像亮度/对比可能稍低于同厚度金膜或铂膜。不过银仍属于高原子序数金属，相比未镀膜时的绝缘样品，其提高信噪比的效果依然非常显著。因此在一般SE（二次电子）成像模式下，三种镀膜对图像质量的改善都是明显的，差别主要在极限分辨率和高倍率下。

2.    分辨率与高倍率成像：当SEM放大倍数升高到几十万倍量级时，镀膜层自身的颗粒结构和厚度将影响最终分辨率。金膜由于颗粒约5 nm，在>50k×以上倍率下会在图像中呈现出微小的颗粒纹理。这相当于在观察样品细节的同时，也看到了覆膜本身的结构，从而限制了能够观察的最小细节尺寸。银膜颗粒与金相近，也会有类似的问题——一般来说，在场发射高分辨SEM上，如果尝试超过50,000倍观察银镀膜样品，可能也会逐渐看到银颗粒的影子，甚至由于银颗粒略大，有时在30,000倍附近就开始出现细微影响。相比之下，铂膜因为颗粒极细，在100,000倍以上成像依然不明显可见颗粒。这使得铂镀膜非常适合高分辨率应用场景。例如在前文提到的纳米纤维案例中，采用2 nm铂膜可以在100k×下清晰成像纤维结构而无杂质；若用金膜，则10 nm厚度在同倍率下就明显看到一层金颗粒附着在纤维表面，干扰了纤维本身的形貌辨识。因此对于要求超高分辨率（>50k×）或观察纳米级细节的样品（如纳米材料、生物超微结构等），铂金靶镀膜能提供更好的成像效果；而在中低分辨率（<50k×）常规观察中，金靶和银靶镀膜已经足够胜任，且看不出显著差别。

3.    X射线能谱（EDS）影响：在SEM搭载的能量色散X射线谱（EDS）分析中，镀膜材料本身的谱峰可能干扰对样品成分的检测。金在5 keV以下有M系谱线（~2.2 keV）和Lα线（~9.7 keV）等，其M线正好落在磷(P)和硫(S)元素的Kα峰附近，会对检测这些轻元素造成干扰。铂有M系谱线在2 keV左右，L系谱线在约2 keV以上，同样可能与某些元素峰重合，因此镀铂同样不利于EDS中检测轻元素。此外，镀膜元素的自身峰（如Au的Mα，Ag的Lα，Pt的Mα等）也会出现在谱图中，增加解析难度。银的主要X射线峰为Lα（~3.0 keV）和Lβ（~3.15 keV），位置比Au的M峰高一些，对于P, S, Cl等元素的Kα峰区间没有直接干扰。因此在需要进行元素分析且涉及磷、氯、硫等元素的生物或地质样品中，有时银镀膜被视为优于金镀膜的选择。例如，某些生物样品中含磷（DNA、骨骼）、含氯（盐类）、含硫（蛋白质）的成分较多，使用金镀膜可能使这些元素的谱峰淹没在金M谱峰中，而银镀膜则较少出现该问题。当然，银膜会引入Ag的谱峰，同样需要在分析时扣除背景。综上，在需进行EDS元素分析的应用里，推荐根据待测元素种类选择靶材：若涉及P、S等元素可考虑银靶替代金靶；如不涉及，可继续使用金或铂，但需注意扣除其谱峰对分析的影响。

靶材兼容性与应用案例

仪器兼容性：对于典型的低真空溅射镀膜仪而言（如VPI SD-900系列），更换不同金属靶材一般是可行且便捷的。这类仪器通常采用直流磁控溅射，对导电性材料均适用，因此金、银、铂等金属靶均能被溅射击穿并沉积到样品上。而靶材的物理尺寸（直径、厚度）只要符合仪器设计即可互换使用。例如，SD-900M配备标准直径的圆盘靶，用户可以通过卸下靶夹环更换为银靶或铂靶，然后调节溅射电流/时间以达到所需膜厚。需要注意的是，不同靶材的溅射参数可能略有不同：银靶的击穿电压和电流与金相似，通常无需特别调整；铂靶由于溅射速率较慢，可能需要延长打靶时间或略高的电流才能获得同样厚度。另外，前文提及的铂靶对残余气体敏感问题，意味着如果使用SD-900（非磁控）等简单溅射仪，尽量确保良好的预抽真空和惰性气体环境，以减少铂膜开裂。总体而言，SD-900/SD-900M这类镀膜仪在硬件上兼容多种金属靶材，铂金靶的应用只需在操作上稍加注意真空度和溅射时间，而银靶的使用几乎与金靶无异。

稳定性与维护：更换不同材质靶材对仪器本身的稳定运行没有大的影响，但靶材的特性可能对镀膜腔体清洁度有所不同。金和铂都是惰性金属，溅射过程中不会与残余气体剧烈反应，靶材消耗均匀可控。银靶在长期闲置或使用中若暴露于空气，表面可能形成氧化层，但一般并不妨碍后续溅射（初始几秒的溅射过程会清除表面氧化层）。用户在更换靶材时应佩戴手套并避免用手直接接触靶材表面，银靶尤其要注意存放于干燥密封容器中以防失光。对于使用铂靶的仪器，定期检查真空系统的密封和干燥剂，以确保达到铂镀膜所需的较佳真空条件。此外，不同金属的溅射碎片可能沉积在腔壁上，例如金、银的沉积会呈现不同颜色，定期清洁可避免交叉污染影响其他分析。

所以，在金价持续上涨的情况下，以银靶或铂金靶替代金靶用于SEM样品镀膜在技术上是可行且有优势的。银靶提供了显著的成本优势和优秀的导电性能，在中低倍率成像中表现良好，已在一些日常应用中成功替代金靶。需要注意银膜易于失光变色，因此适合制备后即时观察的样品或对长期稳定性要求不高的场景。铂金靶则在高分辨率和高要求应用中展现出不可替代的价值：极细的镀膜颗粒确保在超高放大倍数下仍不干扰样品细节，同时铂膜化学惰性强，适合长期保存样品及避免元素分析干扰。铂靶的投入成本虽然仍属高档，但在当前贵金属市场形势下相对黄金已有一定经济性，对于注重性能的实验室来说是值得的投资。

对于使用VPI SD-900/900M等低真空镀膜仪的用户，建议根据实验需求灵活选用靶材：当批量制样、成本敏感且放大倍率不超五万倍时，可优先考虑银靶镀膜，以最低成本获得足够的图像质量；当追求最高成像清晰度或进行纳米尺度研究时，应选用铂（金）靶镀膜，以充分发挥FE-SEM的分辨能力；而在一般通用用途下，传统金靶依然是不失稳妥的选择，其镀膜性能均衡、膜层稳定，不受卤素影响。如下概括了不同靶材适配应用场景的建议：

在金价高企的现今，银靶提供了高性价比的替代方案，而铂金靶提供了性能提升的解决方案。用户可依据自身实验需求和经费状况，采用一种或多种靶材策略，既控制成本又保障SEM镀膜制样的效果。随着材料科学和市场行情的发展，我们有理由相信银和铂等靶材将在SEM制样领域扮演愈发重要的角色，为科研和产业提供更灵活高效的选择。