SEM在材料分析中的應用

1、SEM在材料分析中的應用掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡,英文縮寫為 SEM)是一種大型的分析儀器,廣 泛應用在材料科學、生命科學、物理學、化學等學科領域.近年來在掃描電鏡上 相繼安裝了許多專用附件 ,如:能譜儀(EDX)、波譜儀(WDX)、電子衍射儀(ED)等, 使掃描電鏡成為一種多功能的、快速、直觀、綜合的外表分析儀器1 o1掃描電鏡的工作原理掃描電鏡主要由電子槍、電磁透鏡、物鏡、掃描線圈、信號收集及顯示裝置 等組成.其工作原理為：由電子槍發(fā)射電子,以交叉斑作為電子源,經(jīng)二級透鏡及物 鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強度和束斑直徑的微細電子束,在掃描線圈驅(qū)動下,于試樣外表按一定時間、空間順序

2、作柵網(wǎng)式掃描.試樣在電子束作用 下,激發(fā)出各種信號,信號強度取決于試樣外表狀況.這些信號被探測器收集并經(jīng)視頻放大后輸入顯像管柵極,調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度,得到反映試 樣外表形貌的電子圖像2.2掃描電鏡的特點(1)制樣方法簡單.對外表清潔的導電材料可直接進行觀察；外表清潔的非導電材料只要在外表蒸 鍍一層導電層即可觀察.(2)場深大,三百倍于光學顯微鏡.適用于粗糙外表和斷口,甚至孔洞縫隙中細微情況的觀察.圖像富有立體感,易于識別和解釋.(3)放大倍數(shù)在15-200000倍范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),分辨率高,能到達 3-6nm.(4)可進行多功能分析.采用雙放大倍數(shù)裝置或圖像選擇器,可在熒光屏上

3、同時觀察不同放大倍數(shù)或不同形式的圖像.可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺進行動態(tài)實驗,觀察各種環(huán)境條件下的相變及形態(tài)變化等33影響掃描電鏡成像的因素及限制3.1 加速電壓在限制圖像質(zhì)量的調(diào)節(jié)過程中,首先要考慮的是電子照明源的加速電壓的選擇問題.這是由于加速電壓越大,電子束越容易聚焦得更細,束流也越大.由此可 見,采用高的加速電壓,對提升圖像的分辨率和信噪比是有利的.但是,如果觀察的 對象是上下不平的外表或深孔,為了減小入射電子束的貫穿深度和散射體積,從而改善在不平外表上所獲得圖像的清楚度,采用較低的加速電壓是適宜的,對于容易發(fā)生充電的非導體試樣或容易燒傷的有機、生物試樣,也宜采用低的加速電壓4,5

4、.3.2 發(fā)射電流掃描電鏡的發(fā)射電流對圖像的信噪比和分辨率有著決定性的影響,高的發(fā)射電流對提升圖像的分辨率是有利的,但對信噪比不利, 如果采用低的發(fā)射電流那么剛好相反.為了兼顧分辨率和信噪比這種相互矛盾的關系,選擇適中的發(fā)射電流強度是十分重要的.一般方法是：先選擇中等水平的發(fā)射電流,如果所觀察試樣要求的放大 倍數(shù)不高,并且圖像的主要矛盾是信噪比不夠,那么可以采用較小的發(fā)射電流；如果要求的放大倍數(shù)較高,并且圖像質(zhì)量的主要矛盾是在分辨率,那么應逐步增加電流值,獲得清楚的圖像.一般來說,隨著所觀察試樣的放大倍數(shù)增加,圖像清楚度本身所要 求的分辨率也相應增加,故觀察倍數(shù)越高,越適宜采用大的 發(fā)射電流6

5、.3.3 束斑尺寸在掃描電鏡中,束斑的尺寸決定了圖像的分辨率,束斑的尺寸越小,圖像的分辨率越高. 一般來說,理想的束斑尺寸是指相鄰的掃描線接觸得非常好,圖像能聚焦得很清楚.如果束斑尺寸太大,那么會出現(xiàn)掃描線重合,而圖像無法聚焦；但如果束斑尺寸太小,那么圖像中電噪聲太大,圖像聚焦和消像散非常困難,另外,可能使試樣外表上一些重要信息被無視.束斑過大 ,焦距無法調(diào)整,而束斑過小,電 噪聲非常大,圖像很模糊.由此可見,不同束斑對圖像質(zhì)量的影響.3.4 工作距離掃描電鏡工作時, 為了獲得高的圖像分辨率,通常采取小的工作距離進行觀察,由于工作距離縮短,電子束受外界的干擾也就小,比方外界的磁場和振動的干擾.

6、 但如果要觀察的試樣外表上下不平,要獲得較大的焦深,采用大的工作距離是必要的, 不過圖像的分辨率可能會有所下降.一般情況下的觀察,只要兼顧了焦深和分辨率,對工作距離沒有特殊要求,1020 mm都可以；但如果觀察的圖像要求高分辨率或 者放大倍數(shù)大于2萬倍,那么工作距離應該選擇在 57mm.另外,對于外表粗糙的試 樣,工作距離要選擇大于10mm,以取得足夠的焦深.3.5 其他在掃描電鏡成像過程中,除了以上幾個需要限制的因素外,還有掃描速度、 圖像反差、亮度等都對圖像質(zhì)量有一定影響.因此,成像時也要對此適當限制. 尤其是在高倍成像時,束斑尺寸只能選擇小的,如果選擇較快的掃描速度,圖像上的“雪花點就會

7、很大 電噪聲大,無法看清圖像上的細節(jié),所以只能選擇慢 掃描,但在慢掃描時,聚焦和消像散調(diào)節(jié)就比擬困難,此時需要仔細操作.至于圖像的反差、亮度,不僅取決于試樣本身,很大程度上還取決于個人的喜好,但 經(jīng)過大量的統(tǒng)計和經(jīng)驗說明,一幅悅目圖像的反差應在1530二次電子像或6575背散射像之間；亮度應在 2050之間.4掃描電鏡在材料分析中的應用4.1 掃描電鏡在無機非金屬材料研究中的應用無機非金屬材料種類繁多主要包括陶瓷玻璃、耐火材料、鑄石、水泥和混凝土 及復合材料等.它們的結構復雜, 性能各異.利用電鏡可以對上述材料的顯微結構進行觀察與分析,對它們的物理與化學及使用性能做出直觀的評價,為改善材料性能

8、途徑的研究提供可靠的依據(jù),同時電鏡在生產(chǎn)工藝過程的限制,新材料設計與研制等許多方面都發(fā)揮了重要作用3.陶瓷屬于多晶體,其物相種類又分為晶相、玻璃和氣相,依其存在的數(shù)量與分 布上的差異,將賦予陶瓷不同的性能.陶瓷中晶粒的細化和均化對材料某些性能 的穩(wěn)定和提升有十分重要的意義.可通過對粉體的處理使之保持較狹窄的粒級分布 如過篩,或引入適宜的第二相以及均勻地加壓成型,預燒等手段來實現(xiàn),但有時處理不當,也會發(fā)生晶體異常生長現(xiàn)象.利用SEM可以觀察到晶粒的改變,從而對預燒進行監(jiān)控,獲得性能較好的陶瓷.耐火材料顯微結構的形成是由生產(chǎn)過程中的物理化學變化和機械加工因素決 定的,同類型耐火材料顯微結構的差異將

9、影響耐火制品的技術性能和使用效果. 借助掃描電鏡的觀察,我們可通過調(diào)整工藝參數(shù)來設計合理的顯微結構以提高耐火材料的性能和延長使用壽命.玻璃材料顯微結構分析的主要研究對象是玻璃體內(nèi)各種缺陷：如氣孔、結石、玻璃分相、玻璃微晶化等.在傳統(tǒng)的玻璃工藝中視氣孔為一種缺陷.隨著科技的開展,多孔玻璃因其具有孔隙率高、孔徑可調(diào)、化學穩(wěn)定性好、隔音、隔熱、吸附性能好等優(yōu)點,被廣泛應用于建材、環(huán)保、化工、生物學等領域.多孔玻璃的使用性能受到氣孔的形狀,孔徑及分布的影響.利用電鏡觀察孔徑100納米以上的多孔玻璃能直觀地呈現(xiàn)孔的結構和比照度.利用SEM對孔徑進行觀察,說明孔徑是由成孔劑顆粒大小所決定的.水泥材料是一種

10、多相、多組分、多孔隙的非均質(zhì)材料,熱料及水化產(chǎn)物的顯徽結構不僅復雜.而且容易受礦物繃粒大小、環(huán)境條件、水灰比、養(yǎng)護制度和外加 劑等因素的影響.同時,水化產(chǎn)物的種類、數(shù)量、形貌以及晶體生長情況又影響粉 水泥的強度等特性.例如,由交織附生的纖維狀、針狀、棱柱狀以及六方板狀等水 化產(chǎn)物構成的硬化水泥將強度較高,而由立方體或似球狀多面體水化物構成的那么強度低.粉煤灰水泥是由硅膠鹽水泥熟料和粉煤灰,適量石膏磨細制成的.其凝結過程是水泥熟料先水化,然后粉煤灰中的活性SiO 2和Al 2O3與熟料礦物水化釋放出的Ca(OH)2相反響.由于粉煤灰的球形玻璃體較穩(wěn)定, 外表又相當致密,不易水化,在水化7天后的粉

11、煤灰顆粒外表,幾乎沒有變化,直至 28天,剛能見到外表開始初步水化,略有凝膠狀水化物出現(xiàn),在水化 90天后,粉煤灰顆粒外表開始生成大量的水化硅酸鈣凝膠體,它們相互交叉連接,形成很好的粘接強度.這就是粉煤灰水泥早期強度較低,而后期強度較高的原因.4.2 掃描電鏡在昆蟲學研究中的應用應用電鏡技術研究昆蟲的超微形態(tài)結構,對于昆蟲分類學、昆蟲生理學、昆蟲病理學等根底學科以及資源昆蟲利用,農(nóng)業(yè)害蟲防治等具有重要意義.近十年來,我們應用掃描電鏡和透射電鏡先后觀察了50余種昆蟲成蟲、卵、幼蟲、蛹的超微形態(tài), 探討超微形態(tài)在昆蟲分類上的意義,同時,結合昆蟲生理學和分子生物學技術手段研究昆蟲超微結構與生理功能的

12、關系,獲得了一系列成果,為昆蟲學根底理論和應用研究的開展提供了大量研究資料7.4.2.1 農(nóng)業(yè)昆蟲研究SEM觀察了茶尺蟆、菜粉蝶、甥蟲、野蠶、桑粉虱、黑刺粉虱、螭類等重要農(nóng)作物害蟲的超微形態(tài),發(fā)現(xiàn)了一些具有分類學意義的結構特征,同時還研究了病原微生物作用于昆蟲宿主細胞的病理過程,為農(nóng)業(yè)害蟲的生物防治提供了基礎理論資料.4.2.2 城市昆蟲研究SEM觀察了 30種白蟻的翅面微觀結構,發(fā)現(xiàn)了一些翅面微刻點新類型,進 一步完善了利用翅面微刻點進行白蟻分類的方法,為限制白蟻的危害提供了理論資料.此外還對多種蠅類進行了 SEM和TEM觀察,為法醫(yī)昆蟲學提供了根底研 究資料.4.3 能譜儀的應用能譜儀在主

13、要用于試樣元素的鑒別、半定量分析以及元素在整個視場的分布,主要有3種表述方式：點、區(qū)域元素的半定量分析 主要應用于缺陷、未知樣的 判斷、局部元素的偏析等；元素面、線分布圖了解元素的分布情況,可以判斷是否 均勻,另外可以判斷鍍層的厚度及分布 ；對于鋁土礦主要應用點、元素面分布圖來 鑒別礦物的組成以及微量未知礦物的存在8.帶能譜分析的掃描電鏡在進行成分分析時,由于不需要進行標樣,節(jié)省大量校準 時間,且一次譜線分析就可得到可測的全部元素.在觀察試樣形貌的同時就可 以快速進行元素的定量、定性分析9.合成纖維種類繁多,隨著技術的開展, 各種功能纖維不斷地涌現(xiàn).為了加快新產(chǎn)品開發(fā)的速度,對各種纖維的剖析顯

14、得尤為重要.且合成纖維粗細不一,截面直徑從幾個微米到幾十微米不等,屬于微觀分析的范疇,掃描電鏡觀察和能譜分析是一種比擬適宜的手段.因合成纖維等高分子材料本身不導電,如果用能譜儀的圖像采集功能采集圖像,雖然經(jīng)過樣品處理,但圖像的襯度仍不能滿足圖像分析的 要求.為了滿足新產(chǎn)品開發(fā)的需要,我們直接采用掃描電鏡的二次電子像來進行圖像分析,從而開辟了一條合成纖維分析的捷徑 10.以一種海島型的超細纖維為例.海島型超細纖維是以水溶性聚酯為海,普通聚酯為島,經(jīng)復合紡絲及后處理生產(chǎn)的一種高性能超細合成纖維11.對之進行剖析可為新產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)控、質(zhì)量保證提供理論依據(jù).對該纖維的剖析包括單絲中的單纖數(shù)、復合纖

15、維的粗細、超細纖維的粗細及海島比.單絲中的單纖數(shù)：單絲用人造棉包裹,穿孔切片后處理,通過計數(shù),單纖根數(shù)為48fo未經(jīng)處理的纖維截面,根本上都已變形,截面形狀已不規(guī)那么.在生產(chǎn)過程中,纖維要經(jīng)熱處理, 且在處理過程中要受到各種擠壓及磨擦,所以在纖維的加工過程中會產(chǎn)生變形.如果根據(jù)單根纖維來表征,往往得不到正確的結果.所以要采用 能譜儀的圖像分析技術來進行統(tǒng)計分析.2根據(jù)能譜儀圖像分析軟件統(tǒng)計,單纖的平均面積為 244.17以m根據(jù)形貌分析且 憑借以往的經(jīng)驗, 纖維的初始形貌應為圓形, 折算成圓,單纖直徑為17.8 nm 見 圖一.圖一單絲粗細圖二超細纖維粗細經(jīng)過處理后的單纖截面如圖二,共分四層,

16、由內(nèi)至外纖維根數(shù)分別為21,6,12,18 ,共37根.經(jīng)統(tǒng)計分析,單纖的平均截面面積為 4.67rn同上折算成圓, 單纖直徑為2.4 m m如果以未處理的單纖截面為海,處理后的超細纖維作為島, 該海島纖維的島與海比為70% o這些表征數(shù)據(jù)為紡絲噴絲板的設計,紡絲工藝的調(diào)整,產(chǎn)品質(zhì)量 的限制提供了可靠的理論依據(jù).5展望但就目前的研隨著科學的開展, 掃描電鏡被廣泛的應用于生活的各個角落,究而言,單純以電鏡應用為主的論文少了,以綜合應用課題為中央的論文多了.另外,在應用的研究技術方面,除了顯微學技術外,還包括細胞生物學、分子生物學和其他生命科學技術.目前,免疫細胞化學結合激光共焦顯微鏡和電鏡技術,

17、應用最為廣泛.這種技術的結合在生命科學研究中的應用非常普遍,能解決很多實際問題.例如,光鏡和電鏡原位雜交技術已從技術研究走向?qū)嶋H應用.如果把電子顯微鏡和共聚顯微鏡有機結合應用在生物醫(yī)學研究中,相互取長補短, 互為補充,一定會取得很好的效果 12.參考文獻1羅天元.掃描電鏡在環(huán)境試驗中的應用J.環(huán)境技術,2001,5:24-26.2張國棟.材料研究與測試方法M.北京：冶金工業(yè)出版社,2001.3王英姿.掃描電鏡在無機非金屬材料研究中的應用J.山東建材.2000,1.4廖乾初,藍芬蘭.掃描電鏡原理及應用技術M.北京：冶金工業(yè)出版社,1990.5魏全金.材料電子顯微分析M.北京：冶金工業(yè)出版社,1990.6陳曉霞.影響高真空鴇燈絲掃描電鏡成像因素分析J.武鋼技術,2005,43(3):30-32.7洪健,高其康,