电子显微分析技术及其应用 - 图文

电子显微分析技术及其应用

恶魔

（恶魔大学 恶魔学院，湖北 武汉）

[内容提要]：本文阐述的电子显微技术及其在纳米材料中的应用。同时本文介绍了透射电镜（TEM）、扫描电镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)等技术，并论述的电子显微技术在实际中的应用。

[关键词]：电子显微技术；TEM；SEM；STM

材料测试技术是材料科学与工程研究以及应用的重要手段和方法，目的就是要了解、获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系，材料的基本性质和基本规律。同时为发展新型材料提供新途径、新方法或新流程。在现代制造业中,测试技术具有非常重要的地位和作用。特别是基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已成为材料现代测试分析方法的重要组成部分，以光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析等4大类方法，以及基于其他物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。

材料及产品性能和质量的检测是检验和评价制造装备以及产品能否合格有效的重要关口。

在材料纳米材料分析当中，最长用到的电子显微分析技术包括了透射电镜（TEM）、扫描电镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)等技术，通过这些技术来对物质的显微形貌、成分和结构进行分析。

一透射电镜技术

透射电子显微镜，是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透射聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统(镜筒)、电源和控制系统(包括电子枪高压电源、透镜电源、控制线路电源等)、真空系统3部分组成。分辨本领和放大倍数是透射电子显微镜的两项主要性能指标，它体现了仪器显示样品显微组织和结构细节的能力。

透射电镜一般分为分析型透射电镜和高分辨透射电镜。TEM的分辨率较高， 可用于研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳米粒子的粒径，是研究材料微观结构的重要仪器。

利用透射电镜的电子衍射能够较准确地分析纳米材料的晶体结构，配合XRD, SAXS，特别是EX-AFS等技能更有效地表征纳米材料。可结合电子显微镜和能谱两种方法共同对某一微区的情况进行分析。此外， 微区分析还能够用于研究材料夹杂物、析出相、晶界偏析等微观现象。利用透射电镜法测试纳米材料的粒度大小及其分布，是最直观的测试方法之一，可靠性较高，但该法的准确性很大程度上取决于取样的代表性和扫描区域的选择。利用TEM进行微观结构分析时，配以能谱可以研究元素在试样内部的存在状态或分布情况。近年来，高分辨率透射电镜(HRTEM)的应用越来越广泛，利用HRTEM可获取有关晶体结构的更可靠的信息。

二 扫描电镜技术

扫描电子显微镜, 成像原理与透射电镜不同,不用透镜法放大成像, 而是以类似电视摄像显像的方式, 用细聚焦电子束在样品表面扫描是激发产生的某些物理信号来调制成像。扫描电子显微镜由于其具有制样简单、使用方便、可直接观察大样品(如100mm@100mm)、并具有景深大、分辨率较高、放大倍数范围宽、可连续调节、可进行化学成分和晶体取向测定等一系列优点, 在失效分析中得到了广泛的应用。

SEM在纳米材料的分析中应用很广，它可用于纳米材料的粒度分析、形貌分析以及微观结构的分析等。SEM一般只能提供微米或亚微米的形貌信息，与TEM相比，其分辨率较低， 因而表征结果不如透射电镜准

确，但目前的SEM都配有X射线能谱仪装置，可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析，是当今普遍使用的科学研究仪器。

三 扫描隧道显微镜

STM是利用隧道电流对材料的表面形貌及表面电子结构进行研究，是目前世界上分辨率最高的显微镜。STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构，表面及有吸附质覆盖后表面的重构结构，还可以观察表面存在的原子台阶、平台、坑、丘等结构缺陷。STM在成像时对样品呈非破坏性，实验可在真空或大气及溶液中进行。另外，它可以实时测量物体表面的空间三维图象，实现了人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望。而且STM还具有广泛的适用性，如刻划纳米级微细线条、移动原子等实际操作。因此STM已成为研究纳米科学技术的主要工具。

四 应用实例

材料学揭示了材料的宏观性能与其微观特征之间的联系。一般来说，材料性能由化学成分、显微组织、相结构、缺陷分布及晶体去想等多因素决定。电子显微技术具有微区成分分析、显微组织观察、微区相鉴定及显微结构分析等综合功能。如何用好分析仪器，不但涉及到仪器本身，还与分析者对冶金材料学、冶炼加工工艺、样品制备加工和材料分析方法等基本知识的掌握及分析技能的熟练程度有关。

在形貌分析方面，一般要有宏观观察的基础，实体显微镜与光学显微镜是电子显微分析不可或缺的辅助手段；在结构分析方面，TEM和ESED（背散射电子衍射）所做的微观和介观尺度的研究，往往要结合较为宏观的XRD的研究才能理解更为彻底；同样，微区化学成分分析方面往往需要结合较为宏观的光谱分析和化学分析，又是还须结合X射线光电子能谱分析（XPS）。

4.1Al-Mg-Zn-Cu 合金中未知物相的研究

Al-Zn-Mg-Cu系合金具有最高的强度，是重要的航空航天结构材料。其主要的合金元素为Zn，Mg，Cu主要的杂质元素为Fe和Si；有时为了细化晶粒和提高再结晶温度加入Zr、Cr、Mn等微量元素。合金的强度与其内析出相有很大的关系，因此其内析出相的结构一直是人们想要了解的重点之一，虽然人们现在已经对它的结构有了一定的了解，但一直存在着很大的争议。

在Al-Mg-Zn-Cu 合金中未知物相的研究中，郭前进等人用透射电镜技术对此进行研究。通过投射电镜可以得到如下的显微组织：

[1]

图1试样的显微组织：（a）单级时效 (b)RRA 三级时效

图1a 所示是在120℃时效24h后，试样的透射电镜观察结果。从图中可以看到晶内析出物呈细小弥散分布，晶界析出物则较晶内析出物粗大，且呈连续链状分布，并且在晶界处存在无析出带。

图 1b 所示是经RRA处理的试样的显微组织，与图1a 相比，晶内析出物的尺寸更加细化且弥散，晶界析出物明显粗化，而且呈现出孤立分布的特征越明显，这些显微组织特征和抗应力腐蚀性能之间是密切

相关的。

4.2覆膜钡钨阴极显微结构

杜支波等人利用SEM对覆膜钡钨阴极显微结构进行了研究，他们编号为 1~8 的八个覆膜钡钨阴极样品是采用前述工艺制备的阴极基础上，采用溅射工艺在阴极的表面溅射一层金属膜。样品状况如表 1 所示。

表1样品状态描述

[2]

样品老炼是在真空状态下加热1200℃，持续2分钟。通过对8个样品在加热和未加热条件下的形貌及成分分析，掌握阴极材料在使用过程中的微观形貌变化，以及覆膜层的成分变化等。用扫描电子显微镜观察了 1~8 号样品的表面微观形貌，如图2所示。从图中可以看出，溅射 Os-Ir-Al 膜的1号样品和2号样品在老炼前后钨基底的晶粒和晶界依然清晰，但钨基底的晶界处有大量小晶粒析出。3号样品4号样品在老炼前后，钨基底明显的存在大量孔洞，表面不平整，且晶界明显；而样品5和样品6在经过真空下1200℃加热2分钟后，表面相对平整，晶界被填满，钨基底晶粒边缘的孔洞减少，并且晶界处仅有少量的晶粒析出。

分析结果表明，Os-W合金膜阴极老炼后表面薄膜易发生局部开裂，这势必会导致阴极发射均匀性下降，而Os-Re合金膜阴极经过老炼后，表面薄膜相对完整均匀，使覆膜钡钨阴极的发射均匀性得到保证。表面溅射Ir膜的阴极表面形貌在加热前后出现更加明显的改变。7号样品未经过加热，钨基底孔洞最多，晶粒成不规则形态且晶界明显；8号样品经过老炼后，表面微观结构发生变化：看不到钨基底的颗粒形态，钨颗粒的晶界、孔洞都基本消失，形成新的多孔状微观结构。

图2 1~8 号样品的表面SEM图

五结语

电子显微分析是揭示宏观煜微观联系的最有效手段之一，经过几十年的发展，碁图像发达倍数已由仅几万倍提高到了几十到几百万倍。而且电子显微分析在纳米材料分析中起到了非常重要的作用。随着科技的进步，电子显微技术无论在设备上还是技术上都会有一定的提高，而这必定会给材料的分析带来强大的动力，并且将推动材料科学不断向前发展。

［参考文献］

[1]郭向前纳米材料微结构的原位电子显微学研究 [D]. 天津天津大学2009.5

[2]杜支波钡钨阴极电子显微分析研究 [D]. 成都电子科技大学 2008.10 [3]周玉等. 材料分析方法平[M]. 北京：机械工业出版社，2012