掃描電鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、 HUNAN UNIVERSITY姓名： 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)報(bào)告 姓名： 高子琪 學(xué)號(hào)： 201214010604 一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解掃描電鏡的基本結(jié)構(gòu)與原理；2. 掌握掃描電鏡樣品的準(zhǔn)備與制備方法；3. 掌握掃描電鏡的基本操作并上機(jī)操作拍攝二次電子像；4. 了解掃描電鏡圖片的分析與描述方法。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備及樣品1. 實(shí)驗(yàn)儀器：D5000-X衍射儀 基本組成：1）電子光學(xué)系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡、物鏡光闌、樣品室等 2）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：掃描信號(hào)發(fā)生器、掃描放大控制器、掃描偏轉(zhuǎn)線圈 3）信號(hào)探測(cè)放大系統(tǒng) 4）圖象顯示和記錄系統(tǒng) 5）真空系統(tǒng)2. 樣品：塊狀鋁合金 三.實(shí)驗(yàn)原理1.掃描電鏡成像原理從電子槍陰極發(fā)出

2、的電子束，經(jīng)聚光鏡及物鏡會(huì)聚成極細(xì)的電子束（0.00025微米-25微米），在掃描線圈的作用下，電子束在樣品表面作掃描，激發(fā)出二次電子和背散射電子等信號(hào)，被二次電子檢測(cè)器或背散射電子檢測(cè)器接收處理后在顯象管上形成襯度圖象。二次電子像和背反射電子反映樣品表面微觀形貌特征。而利用特征X射線則可以分析樣品微區(qū)化學(xué)成分。掃描電鏡成像原理與閉路電視非常相似，顯像管上圖像的形成是靠信息的傳送完成的。電子束在樣品表面逐點(diǎn)逐行掃描，依次記錄每個(gè)點(diǎn)的二次電子、背散射電子或X射線等信號(hào)強(qiáng)度，經(jīng)放大后調(diào)制顯像管上對(duì)應(yīng)位置的光點(diǎn)亮度，掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的同一信號(hào)又被用于驅(qū)動(dòng)顯像管電子束實(shí)現(xiàn)同步掃描，樣品表面與顯像管上圖

3、像保持逐點(diǎn)逐行一一對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系。因此，掃描電子圖像所包含的信息能很好地反映樣品的表面形貌。2.X射線能譜分析原理X射線能譜定性分析的理論基礎(chǔ)是Moseley定律，即各元素的特征X射線頻率的平方根與原子序數(shù)Z成線性關(guān)系。同種元素，不論其所處的物理狀態(tài)或化學(xué)狀態(tài)如何，所發(fā)射的特征X射線均應(yīng)具有相同的能量。X射線能譜定性分析是以測(cè)量特征X射線的強(qiáng)度作為分析基礎(chǔ)，可分為有標(biāo)樣定兩分析和無(wú)標(biāo)樣定量分析兩種。在有標(biāo)樣定量分析中樣品內(nèi)各元素的實(shí)測(cè)X射線強(qiáng)度，與成份已知的標(biāo)樣的同名譜線強(qiáng)度相比較，經(jīng)過(guò)背景校正和基體校正，便能算出它們的絕對(duì)含量。在無(wú)標(biāo)量定量分析中樣品內(nèi)各元素同名或不同名X射線的實(shí)測(cè)強(qiáng)度相互比

4、較，經(jīng)過(guò)背景校正和基體校正，便能算出它們的相對(duì)含量。如果樣品中各個(gè)元素均在儀器的檢測(cè)范圍之內(nèi)，不含羥基、結(jié)晶水等檢測(cè)不到的元素，則它們的相對(duì)含量經(jīng)歸一化后，就能得出絕對(duì)含量。四實(shí)驗(yàn)過(guò)程1. 制備樣品 掃描電鏡分析的樣品主要有粉末樣品、固體樣品、生物樣品等。樣品形態(tài)不同，則樣品制備方法也不同，非導(dǎo)體樣品需要噴鍍金或鉑導(dǎo)電層。本實(shí)驗(yàn)采用的是塊狀樣品（鋁合金）： 先將塊狀樣品表面研磨拋光，大小不超過(guò)20×18平方毫米，將樣品用導(dǎo)電膠固定于樣品臺(tái)上。2. 樣品測(cè)試1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將樣品在樣品托上裝好；2）打開(kāi)掃描電子顯微鏡樣品室，將樣品托安裝在樣品座上；3）關(guān)好樣品室，并對(duì)樣品室抽真空；4）

5、真空抽好以后，通過(guò)軟件界面給燈絲加高壓，進(jìn)行樣品觀察；5）觀察結(jié)束以后，關(guān)閉燈絲電壓，然后對(duì)樣品室放氣；6）取出樣品，儀器回復(fù)到初始狀態(tài)，關(guān)閉電腦，儀器電壓。五數(shù)據(jù)分析1.基于對(duì)試樣表面的析出相的組成分析ElementWt%At% CK14.5237.94 NaK00.9801.34 MgK00.8801.13 AlK25.9830.21 WM07.7001.31 FeK49.9428.06MatrixCorrectionZAFElementWt%At% CK27.8347.47 ZnL02.7100.85 AlK33.7125.60 SiK35.7626.09MatrixCorrection

6、ZAF上述兩組圖片中均是對(duì)試樣表面的析出相進(jìn)行的分析，從分析的數(shù)據(jù)可以看出，析出相元素Al為主導(dǎo)，其中Si Fe元素在原子數(shù)的摩爾百分?jǐn)?shù)和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)最多，Al的衍射峰強(qiáng)度最大，而Zn C Mg W Na元素均擁有一個(gè)衍射峰。所以析出相中主要成分是Si Fe2.基于對(duì)材料基質(zhì)的組成成分的分析ElementWt%At% ZnL05.5602.37 MgK02.3202.66 AlK92.1294.97MatrixCorrectionZAF（上述是對(duì)基質(zhì)的成分分析，從EDS 能譜圖和組成元素含量分析表中可以看出，在基質(zhì)中，Al元素占據(jù)著絕對(duì)的含量92.12 Wt%，其次就是Zn元素，可以看出本次實(shí)驗(yàn)

7、的樣品是一種富含鋁的合金。上述基質(zhì)之中含有Zn、Mg、Al析出相中含有Mg、Al、Si、C、W、Fe、Zn、Si、Na基質(zhì)和析出相同時(shí)含有的元素是Zn、Mg、Al，都富含的元素是Al,其中析出相中同時(shí)富含有元素Si、W ，而基質(zhì)之中則是Al元素含量明顯的偏多。由此可以看出在合金冷卻的過(guò)程中，出現(xiàn)了偏析現(xiàn)象。綜合基質(zhì)和析出相的組成成分可以看出實(shí)驗(yàn)樣品是Al Si W Fe組成的合金，W Zn C Na元素含量很少，會(huì)和其他的金屬元素生成化合物形式的存在。）六.掃描電鏡的應(yīng)用1.材料的組織形貌觀察 材料剖面的特征、零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及損傷的形貌，都可以借助掃描電鏡來(lái)判斷和分析反射式的光學(xué)顯微

8、鏡直接觀察大塊試樣很方便，但其分辨率、放大倍數(shù)和景深都比較低而掃描電子顯微鏡的樣品制備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)試樣從低倍到高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動(dòng)，還能夠根據(jù)觀察需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)動(dòng)，以利于使用者對(duì)感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析；掃描電子顯微圖像因真實(shí)、清晰，并富有立體感，在金屬斷口和顯微組織三維形態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。2.層表面形貌分析和深度檢測(cè)有時(shí)為利于機(jī)械加工，在工序之間也進(jìn)行鍍膜處理由于鍍膜的表面形貌和深度對(duì)使用性能具有重要影響，所以常常被作為研究的技術(shù)指標(biāo)鍍膜的深度很薄，由于光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)的局限性，使用金相方法檢測(cè)鍍膜的深度和鍍層與母材的結(jié)合情況

9、比較困難，而掃描電鏡卻可以很容易完成使用掃描電鏡觀察分析鍍層表面形貌是方便、易行的最有效的方法，樣品無(wú)需制備，只需直接放入樣品室內(nèi)即可放大觀察。 3.微區(qū)化學(xué)成分分析在樣品的處理過(guò)程中，有時(shí)需要提供包括形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向在內(nèi)的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進(jìn)行判斷分析為此，相繼出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡電子探針多種分析功能的組合型儀器。掃描電子顯微鏡如配有X射線能譜（EDS）和X射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分等信息材料。一般而言，常用的X射線能譜儀能檢測(cè)到的成分含量下限為0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可以應(yīng)用在判定合金中析出相或固溶體的組成、測(cè)定金屬及合金中各種元

10、素的偏析、研究電鍍等工藝過(guò)程形成的異種金屬的結(jié)合狀態(tài)、研究摩擦和磨損過(guò)程中的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及失效件表面的析出物或腐蝕產(chǎn)物的鑒別等方面。 4.顯微組織及超微尺寸材料的研究鋼鐵材料中諸如回火托氏體、下貝氏體等顯微組織非常細(xì)密，用光學(xué)顯微鏡難以觀察組織的細(xì)節(jié)和特征在進(jìn)行材料、工藝試驗(yàn)時(shí)，如果出現(xiàn)這類組織，可以將制備好的金相試樣深腐蝕后，在掃描電鏡中鑒別下貝氏體與高碳馬氏體組織在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)均呈針狀，且前者的性能優(yōu)于后者。但由于光學(xué)顯微鏡的分辨率較低，無(wú)法顯示其組織細(xì)節(jié)，故不能區(qū)分電子顯微鏡卻可以通過(guò)對(duì)針狀組織細(xì)節(jié)的觀察實(shí)現(xiàn)對(duì)這種相似組織的鑒別在電子顯微鏡下（SEM），可清楚地觀察到針

11、葉下貝氏體是有鐵素體和其內(nèi)呈方向分布的碳化物組成。七.應(yīng)用實(shí)例石墨烯即便擔(dān)載催化劑顆粒仍傾向于聚集，且文獻(xiàn)報(bào)道的復(fù)合催化劑均是溶液合成的粉末，擔(dān)載到電極表面時(shí)需高分子粘接劑，進(jìn)一步包埋催化活性位點(diǎn)。本課題采用一步電沉積方法制備垂直取向的石墨烯基復(fù)合電催化劑，一方面避免使用粘接劑，另一方面可使催化劑的活性位點(diǎn)極大程度暴露，提高催化劑利用效率和加速電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。本項(xiàng)目的研究方案圖1所示.圖 1 Pd/石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)制備及燃料電池應(yīng)用示意圖具體內(nèi)容如下：1、氧化石墨烯溶液的制備： 采用Improved Hummers法制備氧化石墨，然后將氧化石墨剪碎加入pH=8.0的磷酸緩沖溶液中，再放

12、入超聲儀內(nèi)超聲分散2.5h，配置成濃度為0.3g/L的氧化石墨烯膠體分散液。2、采用一步電沉積法合成納米材料：Pd納米粒子的合成：采用循環(huán)伏安法電沉積Na2PdCl4溶液，合成粒徑均勻的Pd納米粒子；RGO-Pd垂直結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的合成：采用循環(huán)伏安法電沉積Na2PdCl4溶液和氧化石墨烯組成的電沉積溶液，合成RGO-Pd垂直結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。3、采用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜(Raman Spectroscopy)、X-射線衍射（XRD）等測(cè)試技術(shù)表征材料的形貌和結(jié)構(gòu)，采用電化學(xué)工作站表征其電化學(xué)性能，研究形貌結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理；4、配制濃度為1.0

13、M的CH3OH和KOH的混合溶液，采用循環(huán)伏安法和計(jì)時(shí)電流法檢測(cè)不同材料對(duì)甲醇的催化氧化活性和穩(wěn)定性。擇優(yōu)選擇特定形態(tài)結(jié)構(gòu)材料，研究其在甲醇燃料電池中的應(yīng)用，探討構(gòu)效關(guān)系。掃描電子表征(A)(B)圖3 掃描電鏡圖：（A）Pd納米粒子和（B）VrGO/Pd復(fù)合材料圖3中（A）圖是Pd納米粒子的掃描電鏡圖像，可以看到Pd納米粒子緊密的負(fù)載在電極表面，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)納米粒子的粒徑大約在88 nm左右且發(fā)生堆垛，不利于甲醇的催化。（B）圖是RGO-Pd復(fù)合材料的掃描電鏡圖像，很顯然，這是一種開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)，并且可以發(fā)現(xiàn)有些石墨烯片層垂直生長(zhǎng)在電極表面，而且石墨烯片層上均勻布滿了Pd納米粒子。這種材料有很多

14、的空洞，具有很大的比表面積，非常利于甲醇的催化。透射電鏡表征圖4VrGO/Pd復(fù)合材料的TEM圖片圖4為VrGO/Pd的透射電鏡圖像，圖中的黑點(diǎn)是鈀納米粒子，可以看到石墨烯片層上均勻布滿了Pd納米粒子，這與掃描電鏡相符合，說(shuō)明Pd納米粒子均勻地沉積到了石墨烯片層上。圖中的納米粒子直徑約為8 nm。結(jié)論：（1）首次利用電化學(xué)方法制備了垂直結(jié)構(gòu)石墨烯復(fù)合材料； （2）RGO-Pd垂直結(jié)構(gòu)復(fù)合材料對(duì)甲醇具有很好的催化活性和穩(wěn)定性。研究成果：采用一步電化學(xué)方法可控制備垂直取向的石墨烯基電催化劑。項(xiàng)目意義本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制備在電極表面具有垂直取向結(jié)構(gòu)的石墨烯基電催化劑。常規(guī)的平躺結(jié)構(gòu)石墨烯將催化劑粒子“夾心”于石墨烯片層間，而垂直取向的石墨烯擔(dān)載催化劑可使催化劑的活性中心盡可能暴露，完全實(shí)現(xiàn)了提高催化劑的利用效率、加快反應(yīng)物在電催化劑材料中的傳質(zhì)過(guò)程及提高電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的目的。項(xiàng)目采用資源較豐富、