扫描电子显微镜在材料分析中的应用

扫描电子显微镜在材料分析中的应用

作为现代研究和分析的重要工具，sem作为扫描电子显微镜（sem）已广泛应用于生物、考古、石油勘探、化学、卫生、司法、材料科学等领域。SEM应用广泛,具有以下特点:(1)样品在样品室运动空间大。可在XYZ三维空间移动,也可以进行360°自由旋转,有利于从各个角度观察样品的形貌特征;(2)可观测各种类型材料,使用范围广、操作简单,块材、薄膜、粉体乃至生物高分子稍加处理或不经处理后,均可进行观测;(3)分辨率高、放大倍数大。SEM最高分辨率达0.8nm,可在5~300000放大倍数下连续可调,远高于光学显微镜的放大倍数;(4)可结合多种探测器,除可观察表面形貌外,还可实现对材料元素、组分及结晶学分析,功能强大;(5)对样品的损伤小、污染轻。1电子探针显示电子原理:电子枪发出电子束(直径约为50μm),在加速电压的作用下,经过电磁透镜聚光汇聚成5nm左右的电子探针,在物镜上方扫描线圈的作用下,对样品表面进行光栅式扫描。电子探针与样品相互作用,产生如二次电子、背散射电子、X射线、俄歇电子、透射电子等信息。这些信息经探测器接收后,经进一步光电转换和信号放大处理,最终在显示器上显示出样品的特征。结构:SEM主要包括电子光学系统、电子系统、显示部件和真空系统组成。(1)扫描信号发生器扫描圈主要包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。根据阴极材料分类,电子枪主要有三种类型,钨丝(W)、六硼化镧(LaB6)、钨单晶。根据分辨率的不同,可选择不同的阴极材料。分辨率要求越高,阴极材料也就越贵。电子束加速电压一般为0.5~30kV。电磁透镜,主要是对电子束进行聚焦,一般有两到三个透镜。每个透镜都配有光阑,可对无用的电子实现遮挡。扫描线圈,在扫描信号发生器的作用下,对样品表面进行从左到右的光栅式扫描。样品室是试样的检测场所,同时装有各种信号探测器。样品在该区域可实现上下、前后、旋转等运动,以便对样品进行全方位的观测。(2)检测系统组成主要包括电源系统和检测系统。电源系统主要是指各种部件的电源,如加速电压电源、透镜电源和光电倍增管电源等。检测系统主要由探测器、信号放大器和电信号处理器组成。探测器接收到样品信息后,经放大器放大后,转换为电信号进行处理,最终在显示器上成像。探测器类型有x射线探测器、二次电子探测器和背散射电子探测器等。(3)显示组件主要是显像管,将经处理后的信号通过显像管转换成图像显示。(4)真空系统真空系统为电子光学系统提供必需的高真空,保证了电子束的正常扫描,还可以防止样品受到污染。2样品制备方法传统样品2.1电子束效应的影响用SEM进行观测时,有以下几点要求:(1)样品无毒、不具有放射性;(3)待观测的样品必须具有导电性。如观测陶瓷、纤维或生物样品等导电性较差的样品时,电子束会在样品表面进行累积(荷电效应),轻则图像漂移或成雾状,重则无法成像。如需对不导电或导电性较差的样品进行观测时,常见办法是对样品进行导电处理。2.2样品制备2.2.1导电胶带/银浆粘于样品台对于导电的块状样品,一般只需简单处理(清洗)或无需处理,只要样品尺寸在样品台尺寸范围内,用导电胶带或银浆粘于样品台即可。而对于导电性差或不导电的块状样品,必须进行导电处理。2.2.2样品的吹扫和观测对粉体样品进行观测时,通常是将粉体撒于导电胶带上,通过洗耳球吹去粘接不牢的粉体,然后通过导电处理进行观测。当同一样品台置有多个样品时,需注意洗耳球的吹扫方向,以避免样品相互污染。此外,不可用工具或手挤压样品,以免影响观测样品的形貌。值得一提的是,粉体样品进行观测时,不管样品是否导电,通常均对其进行导电处理。因为粉体分散于导电胶带时,颗粒间接触可能存在空隙,接触不好。如需观测单个粉体颗粒的形貌,可将粉体分散于酒精等溶剂中,将溶液滴在铜片上,待溶剂挥发完全后才可进行导电处理、观测。图2给出了经酒精分散后,粉体的SEM图。2.2.3多次滴定的观测制备方法与观测单个粉体颗粒相似,将溶液滴于铜片上,待溶剂挥发完全后即可进行导电处理、观测,如一次滴定的量不够,可进行多次滴定,直到满足观测要求。3导电的处理方法避免电子在样品表面积累,是样品进行导电处理的根本原因。常用的导电处理的方法有蒸镀法、电镀法和导电染色体法等。扫描电镜中以蒸镀法和导电染色体法最为常见,蒸镀法又可细分为真空蒸发法和离子溅射法。3.1导电组织液技术该法常见于生物样品的导电处理。基本原理为:利用某些金属盐(称为导电组织液)对生物组织的蛋白质等成分的化学作用,使样品表面离子化或产生导电性良好的金属化合物,从而改善了样品的导电性。提高了图像质量。常见的导电组织液有:碘化钾、硝酸银、高锰酸钾和重铬酸钾等。3.2导电层的制备真空蒸发法原理较为简单:在高真空条件下,以低压大电流加热金属材料,使其熔化蒸发,形成原子雾,在样品表面冷凝沉积,得到导电层。该法特点是对样品损伤小、可喷镀铝等廉价金属。3.3离子水质表面改性该法原理是:在低压下,以待镀样品为阳极,金属靶材为阴极,两电极间形成辉光放电,使腔体内的残余气体电离成正离子和电子。正离子在电场的作用下,撞向金属靶材,使金属粒子得以溅出。金属粒子与气体分子随机碰撞,最终均匀的沉积于样品表面。原理示意图见图3。离子溅射法与真空蒸发法相比,具有以下优势:(1)溅射过程一般只需几分钟,而真空蒸发法通常约半小时左右;(2)溅射法得到的镀膜更为均匀,颗粒细腻,附着力强;镀膜材料包括金、银、金-钯合金或碳等,此类材料的特点是性能稳定、容易蒸发,一般与样品不反应等。镀膜的厚度对样品的实际观测结果也有重要影响,镀层太薄,导电性较差,太厚则有可能掩盖样品真实表面形貌,不利于结果的准确性。此外,镀膜还可以避免由电子累积带来的热损伤。4扫描电镜技术的应用扫描电子显微镜作为现代科学的重要检测仪器,可对各种材料进行观察与分析。材料不同,需采用不同的不同的制样方式。离子溅射法是目前进行SEM观测前,最为常用的镀膜手段。随着材料学研究的不断深入,往往需要观察到分子乃至原子水平,目前来说,扫描电镜还远未满足此要求。此外,如何将数字技术应用于扫描电镜,也是未来的发展方向。(2)不管样品以何种形态进行观测(