掃描電子顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用前景

掃描電子顯微鏡的發(fā)展與應(yīng)用前景

0巖石巖石研究現(xiàn)在，隨著電子源、掃描、圖像采集和處理系統(tǒng)的發(fā)展，掃描電子顯微鏡（sem）已成為紡織、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、冶金、機(jī)械工程、材料、半夏制造、微電路檢查、月石樣品分析等領(lǐng)域的主要研究方法。同時(shí)它還在向復(fù)合型方向發(fā)展,即和X射線能譜分析技術(shù)(X-rayEnergyDispersiveMicroanalysis,簡(jiǎn)稱EDS)進(jìn)行結(jié)合,成為研究分析物品表面結(jié)構(gòu)與微區(qū)化學(xué)成分的最有效的工具。當(dāng)前產(chǎn)業(yè)用紡織品已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、生物工程、化學(xué)化工、醫(yī)療衛(wèi)生以及汽車等領(lǐng)域,其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,大大拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域,開拓出新的市場(chǎng)和高新技術(shù)的特殊產(chǎn)品,如電子紡織材料、智能紡織材料、細(xì)胞組織支架材料和纖維織物柔性顯示器等。因此,利用先進(jìn)的掃描電鏡等工具研究紡織產(chǎn)品極其材料的化學(xué)與機(jī)械物理性能創(chuàng)造產(chǎn)業(yè)用紡織品材料就顯得至關(guān)重要?？梢哉f(shuō),掃描電鏡的未來(lái)有著廣闊的發(fā)展與應(yīng)用前景。1x-ct分析原理掃描電鏡:其場(chǎng)深大約三百倍于光學(xué)顯微鏡,適用于表面形貌觀察,特別是粗糙表面的觀察和分析,圖像富有立體感、真實(shí)感、易于識(shí)別和解釋。放大倍數(shù)范圍大,一般為50—20000倍,對(duì)于相組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析。它具有相當(dāng)?shù)姆直媛?可達(dá)2-6nm。掃描電子顯微鏡主要是利用二次電子成像,由聚光鏡和物鏡構(gòu)成的電子光學(xué)系統(tǒng),把電子槍發(fā)射出來(lái)的電子聚集成為一束極細(xì)的電子束,并聚焦于樣品的表面,同時(shí)按順序?qū)悠繁砻孢M(jìn)行逐行掃描。用檢測(cè)器收集從樣品表面發(fā)射出來(lái)的二次電子,經(jīng)視頻放大形成圖像信號(hào),再經(jīng)顯像管顯示。所獲得的圖像可以直接進(jìn)行觀察,也可以照相或者存儲(chǔ)記錄,它還可對(duì)試樣進(jìn)行成分、晶格、陰極發(fā)光、感應(yīng)電導(dǎo)等多方面分析。X射線能譜儀:電子束轟擊樣品時(shí),產(chǎn)生彈性散射和非彈性散射兩類物理過(guò)程,當(dāng)兩者相互作用發(fā)生具有能量交換的非彈性散射時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征X射線、連續(xù)X射線,以及在可見(jiàn)光和紫外、紅外波段的長(zhǎng)波長(zhǎng)電磁輻射。X射線能譜分析就是取出樣品所產(chǎn)生的X射線作為信號(hào)進(jìn)行分析的。分析這些X射線的能量就可知道組成樣品的元素,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定性分析;根據(jù)X射線能量不同的強(qiáng)度就可知道各種非導(dǎo)體與半導(dǎo)體的含量,即實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的定量分析。由于電子顯微鏡具有很高的空間分辨率,它可以捕捉能譜分析儀在微米和亞微米尺度下的粒子,同時(shí)在與計(jì)算計(jì)配合后,通過(guò)線掃描也就可以獲得直觀的微區(qū)元素分布數(shù)據(jù)。2掃描電鏡技術(shù)的研發(fā)掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想早在1935年便已提出,但受各種技術(shù)條件的限制,進(jìn)展一直很慢。只是在近20年,掃描電鏡才在提高分辨率方面取得了較大進(jìn)展?，F(xiàn)在,使用最常規(guī)掃描電鏡分辨率可達(dá)3.5nm左右。上世紀(jì)90年代中期,它與高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)了電腦控制和信息處理。之后,掃描電鏡在二次電子像分辨率、非導(dǎo)體與半導(dǎo)體的掃描成像上取得了突破。特別是針對(duì)過(guò)去非導(dǎo)體與半導(dǎo)體材料需噴金后才能電描的技術(shù)改進(jìn)為在低真空和低電壓下的電鏡掃描,為產(chǎn)業(yè)用紡織品的出新提供了良好的檢測(cè)手段與保證。目前,使用最廣的常規(guī)鎢絲陰極掃描電鏡的分辨率為3.5nm左右,加速電壓范圍為0.2~30kV。掃描電鏡配備X射線能譜儀后發(fā)展成分析掃描電鏡。它比X射線波譜儀分析速度快、靈敏度高、還可進(jìn)行定性和無(wú)標(biāo)樣定量分析。但是,這種分析型掃描電鏡也存在不足之處,如能量分辨率低,一般為129—155eV,以及Si(Li)晶體需在低溫下使用(液氮冷卻)等。所以未來(lái)的掃描電鏡發(fā)展主要在:高分辨率和分析型兩類電鏡的合并,同時(shí)實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)控制,發(fā)展成多功能高分辨率的分析電鏡。更大限度地滿足大量多元素試樣的超輕元素,低含量,高速定性、定量常規(guī)分析的需求。提高常規(guī)加速電壓時(shí)的分辨本領(lǐng),改善低壓性能,減少直至消除對(duì)樣品的破壞、損傷。無(wú)需先噴涂導(dǎo)電層或冷凍干燥處理,保持樣品的原樣進(jìn)行觀察。研制新的綜合型的電鏡附件設(shè)備,以便取得更多的試樣信息。國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院北京科學(xué)儀器研制中心生產(chǎn)的X射線能譜分析系統(tǒng)Finder-1000,已經(jīng)開發(fā)出自己的圖形化能譜分析系統(tǒng)程序,分析元素從鈹Be(4)元素到鈾U(92)元素,實(shí)現(xiàn)了高精度的無(wú)標(biāo)樣及全標(biāo)樣定量分析。其分析速度極快,10種元素分析時(shí)間不足1秒鐘。目前,國(guó)際最先進(jìn)的采用超導(dǎo)材料生產(chǎn)的能譜儀,分辨率業(yè)已高達(dá)5~15eV,已超過(guò)了25eV分辨率的波譜儀。3x射線能譜儀在紡織材料研究中的應(yīng)用3.1纖維形貌特征纖維材料的表面物理形態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定材料性能的基本因素,也是影響纖維材料的表面的摩擦性能、光學(xué)性能、吸水性和生物相容性等性能的主要因素。用掃描電鏡觀察、分析纖維表面形貌特征,如圖1、圖2所示。樣品噴金后可直接放入樣品室進(jìn)行觀察。根據(jù)纖維的微觀結(jié)構(gòu)不同,即細(xì)度不同,鱗片不同等形態(tài)特征區(qū)分各種纖維,同時(shí)纖維表面的各種元素產(chǎn)生具有不同能量的特征X射線,分析這些X射線的能量就可知道組成的元素,可看出各種纖維微量元素成分的差別,從這兩方面對(duì)纖維進(jìn)行種屬鑒定和纖維鑒別,在鑒別基礎(chǔ)上可通過(guò)熒光屏準(zhǔn)確地測(cè)定各類纖維的直徑和根數(shù),得出各類纖維的定量分析。還可應(yīng)用電鏡觀察織物結(jié)構(gòu)特征、紗線中纖維排列形態(tài)、纖維徑向分布等項(xiàng)目來(lái)分析紗線的物理機(jī)械性質(zhì)、耐磨、染色性能。3.2材料的行為特性紡織材料失效分析主要包括磨損、腐蝕和斷口分析,利用SEM主要對(duì)磨損表面及磨損產(chǎn)物等進(jìn)行分析,磨損、腐蝕的表面攜帶了最主要的信息,可利用SEM結(jié)合EDS進(jìn)行表面形貌分析和微區(qū)成分定性、半定量分析(如圖4所示),可以優(yōu)先了解腐蝕的因素(如夾雜物類型、材料缺陷等),由此鑒別材料失效的形成原因;利用掃描電鏡觀察、分析材料的斷口特征(如圖3所示,針毛尖部3~4mm鱗片破損嚴(yán)重),對(duì)斷裂機(jī)理分析歸類,明確斷裂類型,其次是對(duì)裂紋源位置和擴(kuò)展方向的判定,可根據(jù)斷口學(xué)原理判斷斷裂性質(zhì),追溯斷裂原因,調(diào)查斷裂是跟原材料質(zhì)量有關(guān)還是跟后續(xù)加工或使用情況有關(guān)等等。減少缺陷數(shù)目和尺寸,改善織物性能。3.3掃描電鏡觀察掃描電鏡可以在比微米尺寸更小的范圍內(nèi)獲得高倍率、立體感強(qiáng)、直觀的二次電子圖像。納米材料又稱為超微顆粒材料,由納米粒子組成,一般是指尺寸在1~100nm間的粒子。應(yīng)用在紡織品上具有拒水、拒油、防靜電、防污、抗菌、柔軟等功能。通過(guò)掃描電鏡,可以較直觀地觀察到超微納米材料的表面形貌,可以看到納米結(jié)構(gòu)、看出顆粒的均勻度(例如圖5,為納米SiO2粉體小顆粒分散情況),也可以用這種方法來(lái)改變顆粒的孔分布,解決顆粒的團(tuán)聚問(wèn)題等。而研發(fā)功能性紡織材料是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),所以掃描電鏡的作用在這個(gè)領(lǐng)域會(huì)越來(lái)越突顯出來(lái)。3.4掃描電鏡能譜分析使用各種表面整理劑可以提高織物的耐磨、耐洗、抗皺、抗靜電、防水拒油等性能,對(duì)于它的研究也越來(lái)越重要。而在研究纖維的表面性能和表面結(jié)構(gòu),以及分析整理劑在纖維表面的結(jié)合狀態(tài),研究它的分散情況與纖維性能之間的關(guān)系,探討特色整理劑的作用機(jī)理,以及開發(fā)新型整理劑等方面,掃描電鏡起著越來(lái)越重要的作用。尤其是能譜技術(shù),它可以對(duì)整理劑處理過(guò)的纖維表面元素成分進(jìn)行定性和半定量分析,給出該元素濃度分布的掃描圖像,并對(duì)其中所含元素濃度進(jìn)行定量分析。例如:圖6、圖7所示,這是滌綸纖維表面經(jīng)防油劑改性后的電鏡照片,可以看出防油改性絲的表面已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化。3.5表面形貌分析表面改性處理的手段主要包括化學(xué)氧化法、低溫等離子體改性、輻射接枝法等。經(jīng)過(guò)改性處理的纖維可用SEM和EDS來(lái)觀察其微觀結(jié)構(gòu)組成以及表面化學(xué)成分、濃度分布,這樣就可以用它測(cè)定紗線接觸表面上的沉積物以及由于磨損、刻蝕、沉淀、輻射等而導(dǎo)致的表面性質(zhì)的變化。還可以為評(píng)定材料表面性質(zhì)的專家提供相關(guān)的技術(shù)支持。對(duì)研究改性的生產(chǎn)工藝,開發(fā)新用途都具有重要的意義。3.6纖維材料性能的關(guān)系在掃描電鏡的高倍觀察條件下,材料的顯微組織十分清晰。可用來(lái)觀察纖維的孔洞結(jié)構(gòu),分析不同的孔洞結(jié)構(gòu)與纖維性能之間的關(guān)系。或在多相結(jié)構(gòu)材料中,特別是在某些共晶材料和復(fù)合材料的顯微組織和分析方面,由于可以借助于掃描電鏡景深大的特點(diǎn),所以完全可以采用深浸蝕的方法,把基體相溶去一定的深度,使得欲觀察和研究的相顯露出來(lái),這樣就可以在掃描電鏡下觀察到該相的三維立體的形態(tài),這是光學(xué)顯微鏡和透射電鏡無(wú)法做到的。3.7采用掃描電鏡觀察采裂縫源起標(biāo)的有關(guān)本構(gòu)掃描電鏡的大場(chǎng)深和大視場(chǎng)可清晰顯示纖維斷裂的三維形貌,而在較高放大倍數(shù)下又能觀察斷裂面局部區(qū)域的微細(xì)結(jié)構(gòu),這種圖像有助于研究裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展以及尋找裂縫源。有的型號(hào)的掃描電鏡帶有較大拉力的拉伸臺(tái)裝置,這就為研究纖維斷裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了很大的方便?？捎脕?lái)研究纖維的機(jī)械力學(xué)性能等。在試樣拉伸的同時(shí)既可以直接觀察裂紋的萌生及擴(kuò)展與纖維顯微組織之間的關(guān)系,又可以連續(xù)記錄下