SEM在材料分析中的應(yīng)用上課講義

1、SEM在材料分析中的應(yīng)用掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱掃描電鏡，英文縮寫(xiě)為SEM)是一種大型的分析儀器，廣泛應(yīng)用在材料科學(xué)、生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。近年來(lái)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、綜合的表面分析儀器1。1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(hào)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(jí)透鏡及物鏡的縮小形成具有一定能量、一定束流強(qiáng)度和束斑直徑的微細(xì)電子束，在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下，于試樣表面按一定時(shí)間、空間順序作柵網(wǎng)式掃描。試

2、樣在電子束作用下，激發(fā)出各種信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度取決于試樣表面狀況。這些信號(hào)被探測(cè)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表面形貌的電子圖像2。2掃描電鏡的特點(diǎn)(1)制樣方法簡(jiǎn)單。對(duì)表面清潔的導(dǎo)電材料可直接進(jìn)行觀察；表面清潔的非導(dǎo)電材料只要在表面蒸鍍一層導(dǎo)電層即可觀察。(2)場(chǎng)深大，三百倍于光學(xué)顯微鏡。適用于粗糙表面和斷口，甚至孔洞縫隙中細(xì)微情況的觀察。圖像富有立體感，易于識(shí)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，能達(dá)到3-6nm。(4)可進(jìn)行多功能分析。采用雙放大倍數(shù)裝置或圖像選擇器，可在熒光屏上同時(shí)觀察不同放大倍數(shù)或不同

3、形式的圖像?？墒褂眉訜帷⒗鋮s和拉伸等樣品臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，觀察各種環(huán)境條件下的相變及形態(tài)變化等3。3影響掃描電鏡成像的因素及控制3.1 加速電壓在控制圖像質(zhì)量的調(diào)節(jié)過(guò)程中，首先要考慮的是電子照明源的加速電壓的選擇問(wèn)題。這是因?yàn)榧铀匐妷涸酱?，電子束越容易聚焦得更?xì)，束流也越大。由此可見(jiàn),采用高的加速電壓，對(duì)提高圖像的分辨率和信噪比是有利的。但是，如果觀察的對(duì)象是高低不平的表面或深孔，為了減小入射電子束的貫穿深度和散射體積，從而改善在不平表面上所獲得圖像的清晰度，采用較低的加速電壓是適宜的，對(duì)于容易發(fā)生充電的非導(dǎo)體試樣或容易燒傷的有機(jī)、生物試樣，也宜采用低的加速電壓4,5。3.2 發(fā)射電流掃描電鏡的

4、發(fā)射電流對(duì)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(duì)提高圖像的分辨率是有利的，但對(duì)信噪比不利，如果采用低的發(fā)射電流則剛好相反。為了兼顧分辨率和信噪比這種相互矛盾的關(guān)系，選擇適中的發(fā)射電流強(qiáng)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，則可以采用較小的發(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，則應(yīng)逐步增加電流值，獲得清晰的圖像。一般來(lái)說(shuō)，隨著所觀察試樣的放大倍數(shù)增加，圖像清晰度本身所要求的分辨率也相應(yīng)增加，故觀察倍數(shù)越高，越適宜采用大的發(fā)射電流6。3.3 束斑尺寸在掃描電鏡中，束斑的尺寸

5、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(lái)說(shuō)，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，則會(huì)出現(xiàn)掃描線重合，而圖像無(wú)法聚焦；但如果束斑尺寸太小，則圖像中電噪聲太大，圖像聚焦和消像散非常困難，另外，可能使試樣表面上一些重要信息被忽視。束斑過(guò)大，焦距無(wú)法調(diào)整，而束斑過(guò)小，電噪聲非常大，圖像很模糊。由此可見(jiàn)，不同束斑對(duì)圖像質(zhì)量的影響。3.4 工作距離掃描電鏡工作時(shí)，為了獲得高的圖像分辨率，通常采取小的工作距離進(jìn)行觀察，因?yàn)楣ぷ骶嚯x縮短，電子束受外界的干擾也就小，比如外界的磁場(chǎng)和振動(dòng)的干擾。但如果要觀察的試樣表面高低不平，要獲得較大的焦深，采用

6、大的工作距離是必要的，不過(guò)圖像的分辨率可能會(huì)有所下降。一般情況下的觀察，只要兼顧了焦深和分辨率，對(duì)工作距離沒(méi)有特殊要求，1020mm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(wàn)倍，則工作距離應(yīng)該選擇在57mm。另外，對(duì)于表面粗糙的試樣，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(guò)程中，除了以上幾個(gè)需要控制的因素外，還有掃描速度、圖像反差、亮度等都對(duì)圖像質(zhì)量有一定影響。因此，成像時(shí)也要對(duì)此適當(dāng)控制。尤其是在高倍成像時(shí)，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(diǎn)”就會(huì)很大（電噪聲大），無(wú)法看清圖像上的細(xì)節(jié)，所以只能選擇慢掃描，但在慢掃描

7、時(shí)，聚焦和消像散調(diào)節(jié)就比較困難，此時(shí)需要仔細(xì)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(gè)人的喜好，但經(jīng)過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)表明，一幅悅目圖像的反差應(yīng)在1530（二次電子像）或6575（t散射像）之間；亮度應(yīng)在2050之間。4掃描電鏡在材料分析中的應(yīng)用4.1 掃描電鏡在無(wú)機(jī)非金屬材料研究中的應(yīng)用無(wú)機(jī)非金屬材料種類(lèi)繁多主要包括陶瓷玻璃、耐火材料、鑄石、水泥和混凝土及復(fù)合材料等。它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，性能各異。利用電鏡可以對(duì)上述材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析，對(duì)它們的物理與化學(xué)及使用性能做出直觀的評(píng)價(jià)，為改善材料性能途徑的研究提供可靠的依據(jù)，同時(shí)電鏡在生產(chǎn)工藝過(guò)程的控制，新材料設(shè)計(jì)與研

8、制等許多方面都發(fā)揮了重要作用30陶瓷屬于多晶體，其物相種類(lèi)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(xì)化和均化對(duì)材料某些性能的穩(wěn)定和提高有十分重要的意義。可通過(guò)對(duì)粉體的處理使之保持較狹窄的粒級(jí)分布（如過(guò)篩），或引入合適的第二相以及均勻地加壓成型，預(yù)燒等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)，僅供學(xué)習(xí)與參考但有時(shí)處理不當(dāng)，也會(huì)發(fā)生晶體異常生長(zhǎng)現(xiàn)象。利用SEM可以觀察到晶粒的改變，從而對(duì)預(yù)燒進(jìn)行監(jiān)控，獲得性能較好的陶瓷。耐火材料顯微結(jié)構(gòu)的形成是由生產(chǎn)過(guò)程中的物理化學(xué)變化和機(jī)械加工因素決定的，同類(lèi)型耐火材料顯微結(jié)構(gòu)的差異將影響耐火制品的技術(shù)性能和使用效果。借助掃描電鏡的觀察，我們可

9、通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)合理的顯微結(jié)構(gòu)以提高耐火材料的性能和延長(zhǎng)使用壽命。玻璃材料顯微結(jié)構(gòu)分析的主要研究對(duì)象是玻璃體內(nèi)各種缺陷：如氣孔、結(jié)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.隨著科技的發(fā)展，多孔玻璃因其具有孔隙率高、孔徑可調(diào)、化學(xué)穩(wěn)定性好、隔音、隔熱、吸附性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建材、環(huán)保、化工、生物學(xué)等領(lǐng)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(jié)構(gòu)和對(duì)比度。利用SEM對(duì)孔徑進(jìn)行觀察，說(shuō)明孔徑是由成孔劑顆粒大小所決定的。水泥材料是一種多相、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(jié)構(gòu)不僅

10、復(fù)雜。而且容易受礦物繃粒大小、環(huán)境條件、水灰比、養(yǎng)護(hù)制度和外加劑等因素的影響。同時(shí)，水化產(chǎn)物的種類(lèi)、數(shù)量、形貌以及晶體生長(zhǎng)情況又影響粉水泥的強(qiáng)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(gòu)成的硬化水泥將強(qiáng)度較高，而由立方體或似球狀多面體水化物構(gòu)成的則強(qiáng)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(xì)制成的。其凝結(jié)過(guò)程是水泥熟料先水化，然后粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3與熟料礦物水化釋放出的Ca(OH)2相反應(yīng)。由于粉煤灰的球形玻璃體較穩(wěn)定，表面又相當(dāng)致密，不易水化，在水化7天后的粉煤灰顆粒表面，幾乎沒(méi)有變化，直至28天，剛能見(jiàn)到表面開(kāi)始初步水化，略有凝膠狀

11、水化物出現(xiàn)，在水化90天后，粉煤灰顆粒表面開(kāi)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(qiáng)度。這就是粉煤灰水泥早期強(qiáng)度較低，而后期強(qiáng)度較高的原因。4.2 掃描電鏡在昆蟲(chóng)學(xué)研究中的應(yīng)用應(yīng)用電鏡技術(shù)研究昆蟲(chóng)的超微形態(tài)結(jié)構(gòu)，對(duì)于昆蟲(chóng)分類(lèi)學(xué)、昆蟲(chóng)生理學(xué)、昆蟲(chóng)病理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科以及資源昆蟲(chóng)利用，農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)防治等具有重要意義。近十年來(lái)，我們應(yīng)用掃描電鏡和透射電鏡先后觀察了50余種昆蟲(chóng)成蟲(chóng)、卵、幼蟲(chóng)、蛹僅供學(xué)習(xí)與參考的超微形態(tài)，探討超微形態(tài)在昆蟲(chóng)分類(lèi)上的意義，同時(shí)，結(jié)合昆蟲(chóng)生理學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)手段研究昆蟲(chóng)超微結(jié)構(gòu)與生理功能的關(guān)系，獲得了一系列成果，為昆蟲(chóng)學(xué)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的發(fā)展提供了大量研

12、究資料7。4.2.1 農(nóng)業(yè)昆蟲(chóng)研究SEM觀察了茶尺蟆、菜粉蝶、財(cái)蟲(chóng)、野蠶、桑粉虱、黑刺粉虱、蛾類(lèi)等重要農(nóng)作物害蟲(chóng)的超微形態(tài)，發(fā)現(xiàn)了一些具有分類(lèi)學(xué)意義的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)還研究了病原微生物作用于昆蟲(chóng)宿主細(xì)胞的病理過(guò)程，為農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)的生物防治提供了基礎(chǔ)理論資料。4.2.2 城市昆蟲(chóng)研究SEM觀察了30種白蟻的翅面微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了一些翅面微刻點(diǎn)新類(lèi)型，進(jìn)一步完善了利用翅面微刻點(diǎn)進(jìn)行白蟻分類(lèi)的方法，為控制白蟻的危害提供了理論資料。此外還對(duì)多種蠅類(lèi)進(jìn)行了SEM和TEM觀察，為法醫(yī)昆蟲(chóng)學(xué)提供了基礎(chǔ)研究資料。4.3 能譜儀的應(yīng)用能譜儀在主要用于試樣元素的鑒別、半定量分析以及元素在整個(gè)視場(chǎng)的分布，主要有3種表述方式

13、：點(diǎn)、區(qū)域元素的半定量分析（主要應(yīng)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(duì)于鋁土礦主要應(yīng)用點(diǎn)、元素面分布圖來(lái)鑒別礦物的組成以及微量未知礦物的存在網(wǎng)。帶能譜分析的掃描電鏡在進(jìn)行成分分析時(shí)，由于不需要進(jìn)行標(biāo)樣，節(jié)省大量校準(zhǔn)時(shí)間，且一次譜線分析就可得到可測(cè)的全部元素。在觀察試樣形貌的同時(shí)就可以快速進(jìn)行元素的定量、定性分析9。合成纖維種類(lèi)繁多，隨著技術(shù)的發(fā)展，各種功能纖維不斷地涌現(xiàn)。為了加快新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的速度，對(duì)各種纖維的剖析顯得尤為重要。且合成纖維粗細(xì)不一，截面直徑從幾個(gè)微米到幾十微米不等，屬于微觀分析的范疇

14、，掃描電鏡觀察和能譜分析是一種比較合適的手段。因合成纖維等高分子材料本身不導(dǎo)電，如果用能譜儀的圖像采集功能采集圖像，雖然經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)的需要，我們直接采用掃描電鏡的二次電子像來(lái)進(jìn)行圖像分析，從而開(kāi)辟了一條合成纖維分析的捷徑10o以一種海島型的超細(xì)纖維為例。海島型超細(xì)纖維是以水溶性聚酯為海，普通聚酯為島，經(jīng)復(fù)合紡絲及后處理生產(chǎn)的一種高性能超細(xì)合成纖維110對(duì)之進(jìn)行剖析可為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)控、質(zhì)量保證提供理論依據(jù)。對(duì)該纖維的剖析包括單絲中的單纖數(shù)、復(fù)合纖維的粗細(xì)、超細(xì)纖維的粗細(xì)及海島比。單絲中的單纖數(shù)：?jiǎn)谓z用人造棉包裹，穿孔切片后處理，通過(guò)

15、計(jì)數(shù)，單纖根數(shù)為48fo未經(jīng)處理的纖維截面，基本上都已變形，截面形狀已不規(guī)則。在生產(chǎn)過(guò)程中，纖維要經(jīng)熱處理，且在處理過(guò)程中要受到各種擠壓及磨擦，所以在纖維的加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形。如果根據(jù)單根纖維來(lái)表征，往往得不到正確的結(jié)果。所以要采用能譜儀的圖像分析技術(shù)來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)能譜儀圖像分析軟件統(tǒng)計(jì)，單纖的平均面積為244.17仙m20根據(jù)形貌分析且憑借以往的經(jīng)驗(yàn)，纖維的初始形貌應(yīng)為圓形，折算成圓，單纖直徑為17.8pm（見(jiàn)圖一）0圖一單絲粗細(xì)圖二超細(xì)纖維粗細(xì)經(jīng)過(guò)處理后的單纖截面如圖二，共分四層，由內(nèi)至外纖維根數(shù)分別為1,6,12,18,共37根。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，單纖的平均截面面積為4.67m2。同上

16、折算成圓，單纖直徑為2.4pm。如果以未處理的單纖截面為海，處理后的超細(xì)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(shè)計(jì)，紡絲工藝的調(diào)整，產(chǎn)品質(zhì)量的控制提供了可靠的理論依據(jù)。5展望隨著科學(xué)的發(fā)展，掃描電鏡被廣泛的應(yīng)用于生活的各個(gè)角落，但就目前的研究而言，單純以電鏡應(yīng)用為主的論文少了，以綜合應(yīng)用課題為中心的論文多了。另外，在應(yīng)用的研究技術(shù)方面，除了顯微學(xué)技術(shù)外，還包括細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)和其他生命科學(xué)技術(shù)。目前，免疫細(xì)胞化學(xué)結(jié)合激光共焦顯微鏡和電鏡技術(shù)，應(yīng)用最為廣泛。這種技術(shù)的結(jié)合在生命科學(xué)研究中的應(yīng)用非常普遍，能解決很多實(shí)際問(wèn)題。例如，光鏡和電鏡原位雜交技術(shù)已從技術(shù)研

17、究走向?qū)嶋H應(yīng)用。如果把電子顯微鏡和共聚顯微鏡有機(jī)結(jié)合應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)研究中，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，互為補(bǔ)充，一定會(huì)取得很好的效果120參考文獻(xiàn)1羅天元.掃描電鏡在環(huán)境試驗(yàn)中的應(yīng)用J.環(huán)境技術(shù)，2001,5:24-26.2張國(guó)棟.材料研究與測(cè)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(wú)機(jī)非金屬材料研究中的應(yīng)用J.山東建材.2000,1.4廖乾初，藍(lán)芬蘭.掃描電鏡原理及應(yīng)用技術(shù)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(shù),2005,43(3):30-32.7洪健,高其康，徐正等