掃描電子顯微鏡在材料分析中的應(yīng)用

掃描電子顯微鏡在材料分析中的應(yīng)用

作為現(xiàn)代研究和分析的重要工具，sem作為掃描電子顯微鏡（sem）已廣泛應(yīng)用于生物、考古、石油勘探、化學(xué)、衛(wèi)生、司法、材料科學(xué)等領(lǐng)域。SEM應(yīng)用廣泛,具有以下特點(diǎn):(1)樣品在樣品室運(yùn)動空間大。可在XYZ三維空間移動,也可以進(jìn)行360°自由旋轉(zhuǎn),有利于從各個角度觀察樣品的形貌特征;(2)可觀測各種類型材料,使用范圍廣、操作簡單,塊材、薄膜、粉體乃至生物高分子稍加處理或不經(jīng)處理后,均可進(jìn)行觀測;(3)分辨率高、放大倍數(shù)大。SEM最高分辨率達(dá)0.8nm,可在5~300000放大倍數(shù)下連續(xù)可調(diào),遠(yuǎn)高于光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù);(4)可結(jié)合多種探測器,除可觀察表面形貌外,還可實(shí)現(xiàn)對材料元素、組分及結(jié)晶學(xué)分析,功能強(qiáng)大;(5)對樣品的損傷小、污染輕。1電子探針顯示電子原理:電子槍發(fā)出電子束(直徑約為50μm),在加速電壓的作用下,經(jīng)過電磁透鏡聚光匯聚成5nm左右的電子探針,在物鏡上方掃描線圈的作用下,對樣品表面進(jìn)行光柵式掃描。電子探針與樣品相互作用,產(chǎn)生如二次電子、背散射電子、X射線、俄歇電子、透射電子等信息。這些信息經(jīng)探測器接收后,經(jīng)進(jìn)一步光電轉(zhuǎn)換和信號放大處理,最終在顯示器上顯示出樣品的特征。結(jié)構(gòu):SEM主要包括電子光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、顯示部件和真空系統(tǒng)組成。(1)掃描信號發(fā)生器掃描圈主要包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。根據(jù)陰極材料分類,電子槍主要有三種類型,鎢絲(W)、六硼化鑭(LaB6)、鎢單晶。根據(jù)分辨率的不同,可選擇不同的陰極材料。分辨率要求越高,陰極材料也就越貴。電子束加速電壓一般為0.5~30kV。電磁透鏡,主要是對電子束進(jìn)行聚焦,一般有兩到三個透鏡。每個透鏡都配有光闌,可對無用的電子實(shí)現(xiàn)遮擋。掃描線圈,在掃描信號發(fā)生器的作用下,對樣品表面進(jìn)行從左到右的光柵式掃描。樣品室是試樣的檢測場所,同時裝有各種信號探測器。樣品在該區(qū)域可實(shí)現(xiàn)上下、前后、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動,以便對樣品進(jìn)行全方位的觀測。(2)檢測系統(tǒng)組成主要包括電源系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。電源系統(tǒng)主要是指各種部件的電源,如加速電壓電源、透鏡電源和光電倍增管電源等。檢測系統(tǒng)主要由探測器、信號放大器和電信號處理器組成。探測器接收到樣品信息后,經(jīng)放大器放大后,轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行處理,最終在顯示器上成像。探測器類型有x射線探測器、二次電子探測器和背散射電子探測器等。(3)顯示組件主要是顯像管,將經(jīng)處理后的信號通過顯像管轉(zhuǎn)換成圖像顯示。(4)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)為電子光學(xué)系統(tǒng)提供必需的高真空,保證了電子束的正常掃描,還可以防止樣品受到污染。2樣品制備方法傳統(tǒng)樣品2.1電子束效應(yīng)的影響用SEM進(jìn)行觀測時,有以下幾點(diǎn)要求:(1)樣品無毒、不具有放射性;(3)待觀測的樣品必須具有導(dǎo)電性。如觀測陶瓷、纖維或生物樣品等導(dǎo)電性較差的樣品時,電子束會在樣品表面進(jìn)行累積(荷電效應(yīng)),輕則圖像漂移或成霧狀,重則無法成像。如需對不導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的樣品進(jìn)行觀測時,常見辦法是對樣品進(jìn)行導(dǎo)電處理。2.2樣品制備2.2.1導(dǎo)電膠帶/銀漿粘于樣品臺對于導(dǎo)電的塊狀樣品,一般只需簡單處理(清洗)或無需處理,只要樣品尺寸在樣品臺尺寸范圍內(nèi),用導(dǎo)電膠帶或銀漿粘于樣品臺即可。而對于導(dǎo)電性差或不導(dǎo)電的塊狀樣品,必須進(jìn)行導(dǎo)電處理。2.2.2樣品的吹掃和觀測對粉體樣品進(jìn)行觀測時,通常是將粉體撒于導(dǎo)電膠帶上,通過洗耳球吹去粘接不牢的粉體,然后通過導(dǎo)電處理進(jìn)行觀測。當(dāng)同一樣品臺置有多個樣品時,需注意洗耳球的吹掃方向,以避免樣品相互污染。此外,不可用工具或手?jǐn)D壓樣品,以免影響觀測樣品的形貌。值得一提的是,粉體樣品進(jìn)行觀測時,不管樣品是否導(dǎo)電,通常均對其進(jìn)行導(dǎo)電處理。因?yàn)榉垠w分散于導(dǎo)電膠帶時,顆粒間接觸可能存在空隙,接觸不好。如需觀測單個粉體顆粒的形貌,可將粉體分散于酒精等溶劑中,將溶液滴在銅片上,待溶劑揮發(fā)完全后才可進(jìn)行導(dǎo)電處理、觀測。圖2給出了經(jīng)酒精分散后,粉體的SEM圖。2.2.3多次滴定的觀測制備方法與觀測單個粉體顆粒相似,將溶液滴于銅片上,待溶劑揮發(fā)完全后即可進(jìn)行導(dǎo)電處理、觀測,如一次滴定的量不夠,可進(jìn)行多次滴定,直到滿足觀測要求。3導(dǎo)電的處理方法避免電子在樣品表面積累,是樣品進(jìn)行導(dǎo)電處理的根本原因。常用的導(dǎo)電處理的方法有蒸鍍法、電鍍法和導(dǎo)電染色體法等。掃描電鏡中以蒸鍍法和導(dǎo)電染色體法最為常見,蒸鍍法又可細(xì)分為真空蒸發(fā)法和離子濺射法。3.1導(dǎo)電組織液技術(shù)該法常見于生物樣品的導(dǎo)電處理?；驹頌?利用某些金屬鹽(稱為導(dǎo)電組織液)對生物組織的蛋白質(zhì)等成分的化學(xué)作用,使樣品表面離子化或產(chǎn)生導(dǎo)電性良好的金屬化合物,從而改善了樣品的導(dǎo)電性。提高了圖像質(zhì)量。常見的導(dǎo)電組織液有:碘化鉀、硝酸銀、高錳酸鉀和重鉻酸鉀等。3.2導(dǎo)電層的制備真空蒸發(fā)法原理較為簡單:在高真空條件下,以低壓大電流加熱金屬材料,使其熔化蒸發(fā),形成原子霧,在樣品表面冷凝沉積,得到導(dǎo)電層。該法特點(diǎn)是對樣品損傷小、可噴鍍鋁等廉價金屬。3.3離子水質(zhì)表面改性該法原理是:在低壓下,以待鍍樣品為陽極,金屬靶材為陰極,兩電極間形成輝光放電,使腔體內(nèi)的殘余氣體電離成正離子和電子。正離子在電場的作用下,撞向金屬靶材,使金屬粒子得以濺出。金屬粒子與氣體分子隨機(jī)碰撞,最終均勻的沉積于樣品表面。原理示意圖見圖3。離子濺射法與真空蒸發(fā)法相比,具有以下優(yōu)勢:(1)濺射過程一般只需幾分鐘,而真空蒸發(fā)法通常約半小時左右;(2)濺射法得到的鍍膜更為均勻,顆粒細(xì)膩,附著力強(qiáng);鍍膜材料包括金、銀、金-鈀合金或碳等,此類材料的特點(diǎn)是性能穩(wěn)定、容易蒸發(fā),一般與樣品不反應(yīng)等。鍍膜的厚度對樣品的實(shí)際觀測結(jié)果也有重要影響,鍍層太薄,導(dǎo)電性較差,太厚則有可能掩蓋樣品真實(shí)表面形貌,不利于結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外,鍍膜還可以避免由電子累積帶來的熱損傷。4掃描電鏡技術(shù)的應(yīng)用掃描電子顯微鏡作為現(xiàn)代科學(xué)的重要檢測儀器,可對各種材料進(jìn)行觀察與分析。材料不同,需采用不同的不同的制樣方式。離子濺射法是目前進(jìn)行SEM觀測前,最為常用的鍍膜手段。隨著材料學(xué)研究的不斷深入,往往需要觀察到分子乃至原子水平,目前來說,掃描電鏡還遠(yuǎn)未滿足此要求。此外,如何將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于掃描電鏡,也是未來的發(fā)展方向。(2)不管樣品以何種形態(tài)進(jìn)行觀測(