扫描电子显微镜观察聚合物形态_new

1、扫描电子显微镜观察聚合物形态大学仇满德显微镜可以宜接观察到物质的微观结构，是研究聚合物形态的重要工具。光学显微镜 的最大分辨率为2000A,极限放大倍数为1500倍。可以用来观察聚合物部较大尺寸的结构, 如球晶结构等。更精细结构的测左就必须借助于电子显微镜。一般实验室用的透射式电子显 微镜的分辨率为10 A左右，可以用于研究高分子聚合物或共聚物的两相结构：研究结晶聚 合物的形态和结晶结构：以及研究非晶态聚合物的分子聚集形态等。随着我国电子光学工业 的发展，电子显微镜在聚合物研究中的应用也越来越普及。在介绍扫描电镜的同时，也简单 的介绍透射式电子显微镜的原理和应用。透射式电镜的结构同光学显微镜相

2、似，也是由光源、物镜和投影镜三部分组成的。只 是电镜的光源是用电子枪产生的电子朿。电子束经聚光镜集束后，照射在样品上，透过样品 的电子经物镜、中间镜和投影镜最后在荧光观察屏上成像图（9-1）。电子显微镜中所用的 透镜都是电磁透镜。它是通过电磁现象使电子束聚焦的。因此只要改变透镜线圈的电流，就 可以使电镜的放大倍数连续变化。投射电镜的分辨率与电子枪阳极的加速电压有关，加速电 压越高，电子波的波长就越短，分辨率就越髙。例如，普通50kV电镜的分辨率为10入左 右。透射电镜用的样品制备比较麻烦，对聚合物的研究来说，有两类试样：如以观察多相 结构为目的，采用超薄切片：如系观察单晶、球晶或表而形貌，常常

3、须将样品作复型处理。 制备超薄切片需应用专门的超薄切片机，厚度不超过1000 A,通常使用200500入。试样 过厚，因电子穿透能力弱，或多层次上的图像交叠而不能观察。在观察超薄切片的两相结构 时，只有当处于不同相的聚合物对于电子的散射能力有明显差异时才能形成图像，但通常这 种差异不大。这就要对试样进行选择染色。对于含有聚双烯烧的多相聚合的体系，可用OsOq 溶液染色，双键因与OsO4的结合而获得很高的散射能力。对于不含这类双键的聚合物，染 色技术仍属难题。列一方而，髙能量电子束轰击样品表而时，被辐射部分的温度会急剧升高, 甚至使聚合物结构发生变化。这可通过冷却样品台，缩短观察时间，提髙加速电

4、压予以改善。 但不少情况下，需对聚合物试样进行复型，再对复型膜进行观察。常用重金属Cd或P（投影 喷镀复型膜来增加反差。扫描式电子显微镜是20世纪三十年代中期发展起来的一种新型电镜，是一种多功能的 电子显微镜分析仪器，能接收和分析电子与样品相互作用后产生的大部分信息。如被散射电 子、二次电子、透射电子、衍射电子、特征X-射线、俄歇电子、阴极发光等。因此，不但 可以用于物理形貌的观察，而且可以进行微区成分分析。因而在科研和工业各个领域得到了 广泛的应用。与透射电镜相比，扫描电镜样品制备方便是突出的优点。扫描电镜对样品的厚度无苛电子鏡聚）tift试样中间彖 投彩饒照相底板图9-1电子显微镜与光学显

5、微镜构造和成像原理比较图刻要求。导体样品一般不需要任何处理就可以进行观察。聚合物的样品在电子束作用下，特 別是进行高倍数观察时，也可能出现熔融或分解现象。在这种情况下，也需要进行样品复型。 但由于对复型膜厚度无要求，其制作过程也就简单多了。扫描电镜的上述优点，使其在聚合物形态研究中的应用越来越广泛。目前主要用于研 究聚合物自由表而和断面结果。例如观察聚合物的粒度、表而和断而的形貌与结构，增强髙 分子材料中填料在聚合物中的分布、形状及粘结情况等等。一、目的要求：（1）了解扫描电镜的工作原理和结构。（2）掌握扫描电镜的基本操作。（3）掌握扫描电镜样品的制备方法。二、原理本实验采用KYKY-2800

6、B型台式扫描电子显微镜。该电镜具有接收二次电子和被散射 电子成像的功能。二次电子”是入射到样品的电子在透射和散射过程中，与原子的外层电子进行能量 交换后，被轰击射出的次级电子，它是从样品表而很薄的一层，约50入的区域激发出来的。 二次电子发射与样品表面的物化性状有关，被用来研究样品的表面形貌。二次电子的分辨率 较高，一般可达50100 A左右，是扫描电镜应用的主要电子信息。“被散射电子”是入射 电子与试样原子的外层电子或原子核连续碰撞、发生弹性散射后重新从试样表而逸出的电 子。主要反映试样表面较深处（100Alpm）的情况。其分辨率较低，约5001000A。扫描电镜的工作原理如图（9-2）所示

7、。带有一立能量的电子，经过第一、第二两个电 磁透镜会聚，再经末级透镜（物镜）聚焦，成为一朿很细的电子束（称之为电子探针或一次 电子）。在第二聚光镜和物镜之间有一组扫描线圈，控制电子探针在试样表面进行扫描，引 起一系列的二次电子发射。这些二次电子信号被探测器依次接收，经信号放大处理系统（视 频放大器）转入显像管的控制柵极上调制显像管的亮度。由于显像管的偏转线圈和镜简中的扫描线圈的扫描电流由一扫描发生器严格控制同步。所以在显像管的屏幕上就可以得到与样 品表而形貌相应的图像。电子枪磁透镜扫描线圈J 0(B 同步扫描卜 压 极 描 翩 栅 打 显彖管9电子束样品台二次电子探测器抽真空图9-2扫描电镜结

8、构原理图扫描电镜的上述主要部件均安装在金属的镜筒。镜筒的貞空度为5X10-5壬。电子枪加 速电压为20kV,电镜的分辨率优于300 A o三、仪器和样品KYKY-28OOB型扫描电子显微镜KYKY SBC-2多功能表而处理机聚丙烯多晶体一维取向聚丙烯膜四、样品的制备为防止产生荷电现象及热损伤，对非导电材料必须进行表而镀导电层处理。常用的镀导电层方法有頁空喷涂和离子溅射。本实验采用的是离子溅射镀金膜。五、试验步骤（-）开机1. 打开扩散泵冷却水阀门。检查冷却水管有无漏水，若有漏水紧急关闭水阀！2. 合机械泵电源开关，机械泵启动。3. 插上空压机电源插头，空压机运行。4. 插上扫描电镜主机电源插头

9、，插上扫描电镜计算机电源插头。合上扫描电镜电源开关。5. 打开变压器开关（向上搬动，灯亮），打开扫描电镜控制柜后而开关（向上搬动）。6. 按亮扫描电镜主机前而板电源按钮（Vacuum Power）,接着按亮扫描电镜主机前面板准 备按钮（Standby ）。此时会看到控制柜而板真空度指示指针不断向右移动，主机前而 板V2灯亮，过片刻扩散泵灯亮。7. 按亮控制柜而板右上角计算机开关按钮，计算机启动。计算机桌面图标全部出现后， 双击KYKY-28OOB图标，启动SEM控制程序。点击鼠标右键岀现程序控制画面（标 题为主控制台）。点击“活动区域”，岀现选区框，调整框的大小约lOXIOcm见方。扫描速度主

10、披制冷図扫 HDtSQ.0.0 KV 149 X 100 um KYKY-2800B SEM SN:2733二、装样品和更换样品待系统真空达到要求、准备阶段结束后，可以观察样品。向样品室装样品或更换样品步 骤如下：1. 检查电子枪灯丝电工流是否降到零，若没有降到零，反时针旋动灯丝电流旋钮到底。 检査电子枪高压是否降到零，若没有降到零，按加速电压按钮降到零。2. 检査VI是否关严，若未关严，关VI,主机前面板VI灯灭。3. 按亮样品室进气按钮（chamber Vent） ,llt时V3灯火，V4灯火，V5灯火，V2灯亮， 扩散泵灯亮，V6灯亮。有向样品室进气声，样品室盖自动打开。4. 用手托住样

11、品室盖子，慢慢拉出样品架，待样品台漏岀为止。，用钟表螺丝刀松开样 品台固定螺丝，将旧样品取出，将要观察的样品台插入样品台支座，用钟表螺幺幺刀拧 紧样品台固左螺线。5. 用手指轻轻在样品室盖子橡胶密封圈上搽一圈，然后用手托住样品室盖子，慢慢推入 样品架，使样品室盖子紧贴样品室。6. 按火样品室进气按钮(chamberVent)。开始自动抽真空。真空指示灯亮灭顺序同前而开机“第10条所述。待V3灯火，V2灯亮，V4灯亮，V5灯亮，扩散泵灯亮。真 空指示屏亮线指示到最右边，系统真空达到要求。可以进入观察样品阶段。三、观察样品1. 仪器达到二、装样品和更换样品”中第6条，即系统真空度达到要求时，可以观

12、察 样品了。首先拉开在镜筒侧而的VI。这时主机前面板VI灯亮。2. 按控制柜前而板的对比度按钮(com),按钮指示灯亮，此时在放大倍数显示屏上显示 的是对比度值。调节聚焦手动旋钮(manual adijustment),使对比度值在160左右。3. 按控制柜前而板的亮度按钮(BRT),按钮指示灯亮，此时在放大倍数显示屏上显示的 是亮度值。调节聚焦手动旋钮，使亮度在一 15左右。4. 按加速电压按(acceleration potential),使电压达到25KV,然后慢慢旋动灯丝电流旋 钮(filament),使灯约电流达到饱和(大约在灯丝电流旋钮7.2附近，千万注意：旋动 灯丝电流旋钮速度不

13、要过快，以免电流过大烧坏灯丝)。此时应该在屏幕上的活动选 区看到图像。假若一点图像都没有，可能有以下几种原因：A. 放大倍数太大，看不到特征部位，将放大倍数变到十几倍。B. 若放大倍数很低仍看不到图像，可能是电子束对中不好。按朿对中X按钮(beam),慢慢调节聚焦手动旋钮，使活动选区变亮，再以同样方法按束对中 Y按钮(beam),慢慢调节聚焦手动旋钮，直到活动选区达到最亮为止。C. 若电子束对中调整好后仍看不到图像，可能是聚焦不好。可先按聚焦粗调按钮(coarse),然后慢慢调巧聚焦手动旋钮，使图像基本淸楚，然后按聚焦中调按 钮(med),慢慢调节聚焦手动旋钮,使图像达到最淸晰。5. 在活动选

14、区看到图像后，改变放大倍数，观察图像，放大后图像可能不淸楚了，慢慢 调肖聚焦手动旋钮，使图像达到最淸晰。再改变放大倍数，继续调节聚焦手动旋钮。当 达到所要求放大倍数，通过调节样品室盖子上的位移旋动钮(X、Y、Z及旋转)，移 动样品，找到所要观察的特征部位。按上述方法调整聚焦。要想达到最好聚焦，可以 将计算机屏幕上的“主控制台”扫描速度滑动块拉到最右边，再慢扫描下调盯聚焦。6. 调肖好聚焦后，点击计算机屏幕上的主控制台”的常规扫描，屏幕岀现整个图像， 若图像符合要求，点击“主控制台”的模拟键，开始记录图像，同时屏幕左边会岀现 一变化中的蓝色粗线条，当蓝色线条一直伸长到底，图像采集完毕。7点击“主

15、控制台”的主窗口键，出现控制程序主窗口:封? I5C視5畑7 KTKT-2d00B SKIScal.ot200S102000325 KV 10.0KX1 um KYKY-2800B SEM SN:2562点击“主控制台”的快照键，在控制程序主窗口出现图像:XICO X|O.X X主控加 XE。25 KV 20.0KX1 um KYKY-2800B SEM SN：2561& I II I I KTKTMe 21 - SeBlMace200$l 020001 Seo! i. ；ce20tl 020001点击控制程序主窗口文件下拉菜单，找到保存或另存为菜单将图像存到选立的文件夹即可。0.0 KV 149 X 100 urn KYKY-2800B SEM SN:27338. 关掉控制程序主窗口图像，点击右键，屏幕会恢复出现主控制台图像。若需要测其他 部位可通过调节样品室盖子上的位移旋动钮（X、Y、Z及旋转），移动样品，找到所 要观察的特征部位。然后按上述步骤得到所要图像。9. 若暂不继续采集图像，将灯丝电流降到零，将加速电压降到零，将放大倍数放在一千 倍左右。注意：在调肖图像中可能会遇到其他一些问题。这些问题将在实验课上具体解决。四、关机若图像采集完毕，暂停使用本仪器，按下述步骤关机。1. 将灯丝电流降到零，将加速电压降到零。2. 将镜筒侧而的VI向里推到底，会听到咔的一声。此时