SEM在材料分析中的应用.doc

SEM在材料分析中的应用扫描电子显微镜(简称扫描电镜,英文缩写为SEM)是一种大型的分析仪器,广泛应用在材料科学、生命科学、物理学、化学等学科领域。近年来在扫描电镜上相继安装了许多专用附件,如:能谱仪(EDX)、波谱仪(WDX)、电子衍射仪(ED)等,使扫描电镜成为一种多功能的、快速、直观、综合的表面分析仪器1。1扫描电镜的工作原理扫描电镜主要由电子枪、电磁透镜、物镜、扫描线圈、信号收集及显示装置等组成。其工作原理为:由电子枪发射电子,以交叉斑作为电子源,经二级透镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束,在扫描线圈驱动下,于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。试样在电子束作用下,激发出各种信号,信号强度取决于试样表面状况。这些信号被探测器收集并经视频放大后输入显像管栅极,调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度,得到反映试样表面形貌的电子图像2。2 扫描电镜的特点（1）制样方法简单。对表面清洁的导电材料可直接进行观察;表面清洁的非导电材料只要在表面蒸镀一层导电层即可观察。（2）场深大，三百倍于光学显微镜。适用于粗糙表面和断口，甚至孔洞缝隙中细微情况的观察。图像富有立体感，易于识别和解释。（3）放大倍数在15-200000倍范围内连续可调，分辨率高，能达到3-6nm。（4）可进行多功能分析。采用双放大倍数装置或图像选择器，可在荧光屏上同时观察不同放大倍数或不同形式的图像。可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态实验，观察各种环境条件下的相变及形态变化等3。3 影响扫描电镜成像的因素及控制 3.1加速电压在控制图像质量的调节过程中，首先要考虑的是电子照明源的加速电压的选择问题。这是因为加速电压越大，电子束越容易聚焦得更细，束流也越大。由此可见,采用高的加速电压，对提高图像的分辨率和信噪比是有利的。但是，如果观察的对象是高低不平的表面或深孔，为了减小入射电子束的贯穿深度和散射体积，从而改善在不平表面上所获得图像的清晰度，采用较低的加速电压是适宜的，对于容易发生充电的非导体试样或容易烧伤的有机、生物试样，也宜采用低的加速电压4,5。3.2发射电流扫描电镜的发射电流对图像的信噪比和分辨率有着决定性的影响，高的发射电流对提高图像的分辨率是有利的，但对信噪比不利，如果采用低的发射电流则刚好相反。为了兼顾分辨率和信噪比这种相互矛盾的关系，选择适中的发射电流强度是十分重要的。一般方法是:先选择中等水平的发射电流，如果所观察试样要求的放大倍数不高，并且图像的主要矛盾是信噪比不够，则可以采用较小的发射电流；如果要求的放大倍数较高，并且图像质量的主要矛盾是在分辨率，则应逐步增加电流值，获得清晰的图像。一般来说,随着所观察试样的放大倍数增加，图像清晰度本身所要求的分辨率也相应增加，故观察倍数越高，越适宜采用大的发射电流6。3.3束斑尺寸在扫描电镜中,束斑的尺寸决定了图像的分辨率，束斑的尺寸越小，图像的分辨率越高。一般来说，理想的束斑尺寸是指相邻的扫描线接触得非常好，图像能聚焦得很清楚。如果束斑尺寸太大，则会出现扫描线重合，而图像无法聚焦；但如果束斑尺寸太小，则图像中电噪声太大，图像聚焦和消像散非常困难，另外，可能使试样表面上一些重要信息被忽视。束斑过大,焦距无法调整，而束斑过小，电噪声非常大，图像很模糊。由此可见,不同束斑对图像质量的影响。3.4工作距离扫描电镜工作时，为了获得高的图像分辨率，通常采取小的工作距离进行观察，因为工作距离缩短,电子束受外界的干扰也就小，比如外界的磁场和振动的干扰。但如果要观察的试样表面高低不平,要获得较大的焦深,采用大的工作距离是必要的，不过图像的分辨率可能会有所下降。一般情况下的观察，只要兼顾了焦深和分辨率，对工作距离没有特殊要求，1020 mm都可以；但如果观察的图像要求高分辨率或者放大倍数大于2万倍，则工作距离应该选择在57mm。另外，对于表面粗糙的试样，工作距离要选择大于10mm，以取得足够的焦深。3.5其他在扫描电镜成像过程中，除了以上几个需要控制的因素外，还有扫描速度、图像反差、亮度等都对图像质量有一定影响。因此，成像时也要对此适当控制。尤其是在高倍成像时，束斑尺寸只能选择小的，如果选择较快的扫描速度，图像上的“雪花点”就会很大(电噪声大)，无法看清图像上的细节，所以只能选择慢扫描，但在慢扫描时，聚焦和消像散调节就比较困难,此时需要仔细操作。至于图像的反差、亮度，不仅取决于试样本身，很大程度上还取决于个人的喜好，但经过大量的统计和经验表明，一幅悦目图像的反差应在1530(二次电子像)或6575(背散射像)之间；亮度应在2050之间。4 扫描电镜在材料分析中的应用4.1 扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用无机非金属材料种类繁多主要包括陶瓷玻璃、耐火材料、铸石、水泥和混凝土及复合材料等。它们的结构复杂，性能各异。利用电镜可以对上述材料的显微结构进行观察与分析，对它们的物理与化学及使用性能做出直观的评价，为改善材料性能途径的研究提供可靠的依据，同时电镜在生产工艺过程的控制，新材料设计与研制等许多方面都发挥了重要作用3。陶瓷属于多晶体，其物相种类又分为晶相、玻璃和气相，依其存在的数量与分布上的差异，将赋予陶瓷不同的性能。陶瓷中晶粒的细化和均化对材料某些性能的稳定和提高有十分重要的意义。可通过对粉体的处理使之保持较狭窄的粒级分布(如过筛)，或引入合适的第二相以及均匀地加压成型，预烧等手段来实现，但有时处理不当，也会发生晶体异常生长现象。利用SEM可以观察到晶粒的改变，从而对预烧进行监控，获得性能较好的陶瓷。耐火材料显微结构的形成是由生产过程中的物理化学变化和机械加工因素决定的，同类型耐火材料显微结构的差异将影响耐火制品的技术性能和使用效果。借助扫描电镜的观察，我们可通过调整工艺参数来设计合理的显微结构以提高耐火材料的性能和延长使用寿命。玻璃材料显微结构分析的主要研究对象是玻璃体内各种缺陷：如气孔、结石、玻璃分相、玻璃微晶化等。在传统的玻璃工艺中视气孔为一种缺陷.随着科技的发展，多孔玻璃因其具有孔隙率高、孔径可调、化学稳定性好、隔音、隔热、吸附性能好等优点，被广泛应用于建材、环保、化工、生物学等领域。多孔玻璃的使用性能受到气孔的形状，孔径及分布的影响。利用电镜观察孔径100纳米以上的多孔玻璃能直观地呈现孔的结构和对比度。利用SEM对孔径进行观察，说明孔径是由成孔剂颗粒大小所决定的。水泥材料是一种多相、多组分、多孔隙的非均质材料，热料及水化产物的显徽结构不仅复杂。而且容易受矿物绷粒大小、环境条件、水灰比、养护制度和外加剂等因素的影响。同时，水化产物的种类、数量、形貌以及晶体生长情况又影响粉水泥的强度等特性。例如，由交织附生的纤维状、针状、棱柱状以及六方板状等水化产物构成的硬化水泥将强度较高，而由立方体或似球状多面体水化物构成的则强度低。粉煤灰水泥是由硅胶盐水泥熟料和粉煤灰，适量石膏磨细制成的。其凝结过程是水泥熟料先水化，然后粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3与熟料矿物水化释放出的Ca(OH)2相反应。由于粉煤灰的球形玻璃体较稳定，表面又相当致密，不易水化，在水化7天后的粉煤灰颗粒表面，几乎没有变化，直至28天，刚能见到表面开始初步水化，略有凝胶状水化物出现，在水化90天后，粉煤灰颗粒表面开始生成大量的水化硅酸钙凝胶体，它们相互交叉连接，形成很好的粘接强度。这就是粉煤灰水泥早期强度较低，而后期强度较高的原因。 4.2扫描电镜在昆虫学研究中的应用应用电镜技术研究昆虫的超微形态结构，对于昆虫分类学、昆虫生理学、昆虫病理学等基础学科以及资源昆虫利用,农业害虫防治等具有重要意义。近十年来，我们应用扫描电镜和透射电镜先后观察了50余种昆虫成虫、卵、幼虫、蛹的超微形态，探讨超微形态在昆虫分类上的意义，同时，结合昆虫生理学和分子生物学技术手段研究昆虫超微结构与生理功能的关系，获得了一系列成果，为昆虫学基础理论和应用研究的发展提供了大量研究资料7。4.2.1农业昆虫研究SEM观察了茶尺蠖、菜粉蝶、蚜虫、野蚕、桑粉虱、黑刺粉虱、螨类等重要农作物害虫的超微形态，发现了一些具有分类学意义的结构特征，同时还研究了病原微生物作用于昆虫宿主细胞的病理过程，为农业害虫的生物防治提供了基础理论资料。4.2.2城市昆虫研究SEM观察了30种白蚁的翅面微观结构，发现了一些翅面微刻点新类型，进一步完善了利用翅面微刻点进行白蚁分类的方法，为控制白蚁的危害提供了理论资料。此外还对多种蝇类进行了SEM和TEM观察，为法医昆虫学提供了基础研究资料。4.3 能谱仪的应用能谱仪在主要用于试样元素的鉴别、半定量分析以及元素在整个视场的分布，主要有3种表述方式：点、区域元素的半定量分析(主要应用于缺陷、未知样的判断、局部元素的偏析等)；元素面、线分布图(了解元素的分布情况,可以判断是否均匀，另外可以判断镀层的厚度及分布)；对于铝土矿主要应用点、元素面分布图来鉴别矿物的组成以及微量未知矿物的存在8。带能谱分析的扫描电镜在进行成分分析时,由于不需要进行标样,节省大量校准时间,且一次谱线分析就可得到可测的全部元素。在观察试样形貌的同时就可以快速进行元素的定量、定性分析9。 合成纤维种类繁多，随着技术的发展，各种功能纤维不断地涌现。为了加快新产品开发的速度，对各种纤维的剖析显得尤为重要。且合成纤维粗细不一，截面直径从几个微米到几十微米不等，属于微观分析的范畴，扫描电镜观察和能谱分析是一种比较合适的手段。因合成纤维等高分子材料本身不导电，如果用能谱仪的图像采集功能采集图像，虽然经过样品处理，但图像的衬度仍不能满足图像分析的要求。为了满足新产品开发的需要，我们直接采用扫描电镜的二次电子像来进行图像分析，从而开辟了一条合成纤维分析的捷径10。以一种海岛型的超细纤维为例。海岛型超细纤维是以水溶性聚酯为海，普通聚酯为岛，经复合纺丝及后处理生产的一种高性能超细合成纤维11。对之进行剖析可为新产品开发、生产监控、质量保证提供理论依据。对该纤维的剖析包括单丝中的单纤数、复合纤维的粗细、超细纤维的粗细及海岛比。单丝中的单纤数:单丝用人造棉包裹，穿孔切片后处理，通过计数，单纤根数为48f。未经处理的纤维截面，基本上都已变形，截面形状已不规则。在生产过程中，纤维要经热处理，且在处理过程中要受到各种挤压及磨擦，所以在纤维的加工过程中会产生变形。如果根据单根纤维来表征，往往得不到正确的结果。所以要采用能谱仪的图像分析技术来进行统计分析。根据能谱仪图像分析软件统计，单纤的平均面积为244.17m2。根据形貌分析且凭借以往的经验，纤维的初始形貌应为圆形，折算成圆，单纤直径为17.8m（见图一）。图一 单丝粗细图二 超细纤维粗细 经过处理后的单纤截面如图二，共分四层，由内至外纤维根数分别为1,6,12,18，共37根。经统计分析，单纤的平均截面面积为4.67m2。同上折算成圆，单纤直径为2.4m。如果以未处理的单纤截面为海，处理后的超细纤维作为岛，该海岛纤维的岛与海比为70% 。这些表征数据为纺丝喷丝板的设计，纺丝工艺的调整，产品质量的控制提供了可靠的理论依据。5展望随着科学的发展，扫描电镜被广泛的应用于生活的各个角落，但就目前的研究而言，单纯以电镜应用为主的论文少了，以综合应用课题为中心的论文多了。另外，在应用的研究技术方面，除了显微学技术外，还包括细胞生物学、分子生物学和其他生命科学技术。目前，免疫细胞化学结合激光共焦显微镜和电镜技术，应用最为广泛。这种技术的结合在生命科学研究中的应用非常普遍，能解决很多实际问题。例如，光镜和电镜原位杂交技术已从技术研究走向实际应用。如果把电子显微镜和共聚显微镜有机结合应用在生物医学研究中，相互取长补短，互为补充，一定会取得很好的效果12。参考文献1 罗天元.扫描电镜在环境试验中的应用J.环境技术,2001,5:24-26.2 张国栋.材料研究与测试方法M.北京:冶金工业出版社,2001.3 王英姿.扫描电镜在无机非金属材料研究中的应用J.山东建材.2000,1.4 廖乾初,蓝芬兰.扫描电镜原理及应用技术M.北京:冶金工业出版社,1990.5 魏全金.材料电子显微分析M.北京:冶金工业出版社,1990.6 陈晓霞. 影响高真空钨灯丝扫描电镜成像因素分析J.武钢技术,2005,43(3):30-32.7 洪健,高其康,徐正等, 扫描电镜在昆虫学研究中的应用N.电子显微学报,2001,20(4):489490.8 仓向辉,赵春芳,郭永恒.扫描电镜及能谱在铝土矿相关领域应用研究J.轻金属：2008,109 王英姿.带能谱分析的扫描电子显微镜在材料分析中的应用J.制造技术与机床,2007(9):80.10高仪祥,曾宪春.扫描电镜及能谱仪在合成纤维研究中的应用J.合成技术及应用，2002,17(1):36-3811 应宗荣.江苏省高分子学术论文报告会论文集C,199812 张德添、刘安生、朱衍勇等, 电子显微技术的发展趋势及应用特点J.现代科学仪器，2008,1:10.