材料檢測(cè)表征方法之掃描電鏡

時(shí)間：2024-12-27作者：武漢市鑫宇環(huán)檢測(cè)技術(shù)有限公司瀏覽：82

材料檢測(cè)表征方法之掃描電鏡

自從1965年**臺(tái)商品掃描電鏡問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的不斷改進(jìn)，掃描電鏡的分辨率從**臺(tái)的25nm提高到現(xiàn)在的0.01nm，而且大多數(shù)掃描電鏡都能與X射線波譜儀、X射線能譜儀等組合，成為一種對(duì)表面微觀世界能夠經(jīng)行全面分析的多功能電子顯微儀器。
 
在材料領(lǐng)域中，掃描電鏡技術(shù)發(fā)揮著較其重要的作用，被廣泛應(yīng)用于各種材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)、界面狀況、損傷機(jī)制及材料性能預(yù)測(cè)等方面的研究。利用掃描電鏡可以直接研究晶體缺陷及其產(chǎn)生過(guò)程，可以觀察金屬材料內(nèi)部原子的集結(jié)方式和它們的真實(shí)邊界，也可以觀察在不同條件下邊界移動(dòng)的方式，還可以檢查晶體在表面機(jī)械加工中引起的損傷和輻射損傷等。

1、掃描電鏡的結(jié)構(gòu)及主要性能

掃描電鏡可粗略分為鏡體和電源電路系統(tǒng)兩部分。鏡體部分由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)收集和顯示系統(tǒng)以及真空抽氣系統(tǒng)組成。

1.1 電子光學(xué)系統(tǒng)

由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用是用來(lái)獲得掃描電子束，作為信號(hào)的激發(fā)源。為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率，掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。

1.2 信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)

檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)?，F(xiàn)在普遍使用的是電子檢測(cè)器，它由閃爍體，光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。
 
1.3 真空系統(tǒng)
 
真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染，一般情況下要求保持10-4~10-5Torr的真空度。
 
1.4 電源系統(tǒng)
 
電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。
 
2、掃描電鏡工作原理
 
掃描電鏡由電子槍**出來(lái)的電子束，在加速電壓的作用下，經(jīng)過(guò)磁透鏡系統(tǒng)匯聚，形成直徑為5nm，經(jīng)過(guò)二至三個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會(huì)聚成一個(gè)細(xì)的電子束聚焦在樣品表面。在末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線圈，在它的作用下使電子束在樣品表面掃描。由于高能電子束與樣品物質(zhì)的交互作用，結(jié)果產(chǎn)生了各種信息：二次電子、背反射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。這些信號(hào)被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵較上，調(diào)制顯像管的亮度。由于經(jīng)過(guò)掃描線圈上的電流是與顯像管相應(yīng)的亮度一一對(duì)應(yīng)，也就是說(shuō)，電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí)，在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。掃描電鏡就是這樣采用逐點(diǎn)成像的方法，把樣品表面不同的特征，按順序，成比例地轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，完成一幀圖像，從而使我們?cè)跓晒馄辽嫌^察到樣品表面的各種特征圖像。
 
2.1 掃描電鏡襯度像
 
2.1.1 二次電子像
 
在入射電子束作用下被轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的核外電子叫做二次電子。這是一種真空中的自由電子。二次電子一般都是在表層5~10 nm深度范圍內(nèi)**出來(lái)的，它對(duì)樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒(méi)有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用它來(lái)進(jìn)行成分分析。
 
2.1.2 背散射電子像
 
背散射電子是被固體樣品中的原子核反彈回來(lái)的一部分入射電子，背散射電子來(lái)自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)能隨樣品原子序數(shù)增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來(lái)顯示原子序數(shù)襯度，定性地用作成分分析。
 
背散射電子信號(hào)強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。
 
2.2 掃描電鏡的附件
 
掃描電鏡一般都配有波譜儀或者能譜儀。波譜儀和能譜儀是不能互相取代的，只能是互相補(bǔ)充。
 
波譜儀是利用布拉格方程2dsinθ=λ，從試樣激發(fā)出了X射線經(jīng)適當(dāng)?shù)木w分光，波長(zhǎng)不同的特征X射線將有不同的衍射角2θ。波譜儀是微區(qū)成分分析的有力工具。波譜儀的波長(zhǎng)分辨率是很高的，但是由于X射線的利用率很低，所以它使用范圍有限。
 
能譜儀是利用X光**的能量不同來(lái)進(jìn)行元素分析的方法，對(duì)于某一種元素的X光**從主**數(shù)為n1的層躍遷到主**數(shù)為n2的層上時(shí)，有特定的能量ΔE=En1-En2。能譜儀的分辨率高，分析速度快，但分辨本領(lǐng)差，經(jīng)常有譜線重疊現(xiàn)象，而且對(duì)于低含量的元素分析準(zhǔn)確度很差。
 
能譜儀與波譜儀相比的優(yōu)缺點(diǎn)：
 
(1) 能譜儀探測(cè)X射線的效率高。
 
(2) 能譜儀的結(jié)構(gòu)比波譜儀簡(jiǎn)單，沒(méi)**械傳動(dòng)部分，因此穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好。
 
(3) 能譜儀不必聚焦，因此對(duì)樣品表面沒(méi)有特殊要求。
 
但是能譜儀的分辨率比波譜儀低；能譜儀的探頭必須保持在低溫狀態(tài)，因此必須時(shí)時(shí)用液氮冷卻。
 
3、試樣制備技術(shù)
 
和透射電鏡相比，掃描電鏡試樣制備比較簡(jiǎn)單。在保持材料原始形狀情況下，可以直接觀察和研究試樣表面形貌及其它物理效應(yīng)（特征），這是掃描電鏡的一個(gè)**優(yōu)點(diǎn)。掃描電鏡的有關(guān)制樣技術(shù)是以透射電鏡、光學(xué)顯微鏡及電子探針X射線顯微分析制樣技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，有些方面還兼具透射電鏡制樣技術(shù)，所用設(shè)備也基本相同。但因掃描電鏡有其本身的特點(diǎn)和觀察條件，只簡(jiǎn)單地引用已有的制樣方法是不夠的。掃描電鏡的特點(diǎn)是：
 
①觀察試樣為不同大小的固體（塊狀、薄膜、顆粒），并可在真空中直接進(jìn)行觀察。
②試樣應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性能，不導(dǎo)電的試樣，其表面一般需要蒸涂一層金屬導(dǎo)電膜。 
③試樣表面一般起伏（凹凸）較大。 
④觀察方式不同，制樣方法有明顯區(qū)別。 
⑤試樣制備與加速電壓、電子束流、掃描速度（方式）等觀察條件的選擇有密切關(guān)系。
 
上述項(xiàng)目中對(duì)試樣導(dǎo)電性要求是較重要的條件。在進(jìn)行掃描電鏡觀察時(shí)，如試樣表面不導(dǎo)電或?qū)щ娦圆缓?，將產(chǎn)生電荷積累和放電，使得入射電子束偏離正常路徑，較終造成圖像不清晰乃至無(wú)法觀察和照相。
 
3.1 塊狀試樣制備
 
導(dǎo)電性材料：主要是指金屬，一些礦物和半導(dǎo)體材料也具有一定的導(dǎo)電性。這類材料的試樣制備較為簡(jiǎn)單。只要使試樣大小不得**過(guò)儀器規(guī)定（如試樣直徑較大為φ25mm，較厚不**過(guò)20mm等），然后用雙面膠帶粘在載物盤(pán)，再用導(dǎo)電銀漿連通試樣與載物盤(pán)（以確保導(dǎo)電良好），等銀漿干了（一般用臺(tái)燈近距離照射10分鐘，如果銀漿沒(méi)干透的話，在蒸金抽真空時(shí)將會(huì)不斷揮發(fā)出氣體，使得抽真空過(guò)程變慢）之后就可放到掃描電鏡中直接進(jìn)行觀察。
 
非導(dǎo)電性材料：試樣的制備也比較簡(jiǎn)單，基本可以像導(dǎo)電性塊狀材料試樣的制備一樣，但是要注意的是在涂導(dǎo)電銀漿的時(shí)候一定要從載物盤(pán)一直連到塊狀材料試樣的上表面，因?yàn)橛^察時(shí)候電子束是直接照射在試樣的上表面的。
 
3.2 粉末狀試樣的制備
 
首先在載物盤(pán)上粘上雙面膠帶，然后取少量粉末試樣在膠帶上的靠近載物盤(pán)圓心部位，然后用洗耳球朝載物盤(pán)徑向朝外方向輕吹（注意不可用嘴吹氣，以免唾液粘在試樣上，也不可用工具撥粉末，以免破壞試樣表面形貌），以使粉末可以均勻分布在膠帶上，也可以把粘結(jié)不牢的粉末吹走（以免污染鏡體）。然后在膠帶邊緣涂上導(dǎo)電銀漿以連接樣品與載物盤(pán)，等銀漿干了之后就可以進(jìn)行最后的蒸金處理。
 
3.3 溶液試樣的制備
 
對(duì)于溶液試樣我們一般采用薄銅片作為載體。首先，在載物盤(pán)上粘上雙面膠帶，然后粘上干凈的薄銅片，然后把溶液小心滴在銅片上，等干了（一般用臺(tái)燈近距離照射10分鐘）之后觀察析出來(lái)的樣品量是否足夠，如果不夠再滴一次，等再次干了之后就可以涂導(dǎo)電銀漿和蒸金了。


武漢市鑫宇環(huán)檢測(cè)技術(shù)有限公司專注于光電產(chǎn)品檢測(cè),可靠性試驗(yàn),第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)等

• 詞條

  詞條說(shuō)明

• 323項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，多數(shù)涉及產(chǎn)品檢測(cè)

  近日，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委發(fā)布2020年*28號(hào)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公告，批準(zhǔn)發(fā)布了《立體倉(cāng)庫(kù)貨架系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》等323項(xiàng)推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和4項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)修改單，多數(shù)涉及產(chǎn)品檢測(cè)要求與檢測(cè)方法，列舉如下： 序號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)編號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)名稱 代替標(biāo)準(zhǔn)號(hào) 實(shí)施日期 1 GB/T 10241-2020 旋轉(zhuǎn)變壓器通用技術(shù)條件 GB/T 10241-2007 2021/7/1 2 GB/T 11022-2020 高壓交流開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制

• 金屬3D打印制造技術(shù)的6大應(yīng)用場(chǎng)景

  談到增材制造技術(shù)（俗稱3D打印技術(shù)），估計(jì)很多人并不陌生，但是說(shuō)到增材制造技術(shù)的應(yīng)用，可能大部分人還只停在以下兩個(gè)階段： 1) 原型制造，即通過(guò)樹(shù)脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，功能原型則用于優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，促進(jìn)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如檢查產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模擬裝配、裝配干涉檢驗(yàn)等。 2) 間接制造，即通過(guò)3D打印技術(shù)完成工、模具制造

• 電感可靠性測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)

  電感可靠性測(cè)試分為環(huán)境測(cè)試和物理測(cè)試兩種。 一般的SMD型電感，貼片功率電感，插件電感等都會(huì)做這樣的測(cè)試。環(huán)境測(cè)試主要測(cè)試電感的耐溫性，耐濕性，熱沖擊等；物理測(cè)試主要是測(cè)試電感的強(qiáng)度，可焊性，再流焊，跌落，碰撞等。 一、電感可靠性測(cè)試之環(huán)境測(cè)試 MIL-STD-202G Method 108A 高溫儲(chǔ)存試驗(yàn) 1.無(wú)明顯的外觀缺陷 2.感值變化不**過(guò)10% 3.品質(zhì)因數(shù)變化不**過(guò)30% 4.直流電阻

• 光電子元器件都需要做哪些可靠性測(cè)試？

  光電子元器件物理特性測(cè)試項(xiàng)目： 1、內(nèi)部水汽：確定在金屬或陶瓷封裝的光電子器件內(nèi)部氣體中水汽含量。 2、密封性：確定具有內(nèi)空腔的光電子器件封裝的氣密性。 3、ESD闊值：確定光電子器件受靜電放電作用所造成損傷和退化的靈敏度和敏感性。 4、可燃性：確定光電子器件所使用材料的可燃性。 5、剪切力：確定光電子器件的芯片和無(wú)源器件安裝在管座或其他基片上使用材料和工藝的完整性。 6、可焊性：確定需要焊接的光