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扫描电镜之电子探针的试样要求
2020-09-16 15:22:33


(a)试样尺寸 扫描电镜
所分析的试样应为块状或颗粒状,其最大尺寸要根据不同仪器的试样架大小而定。定量分析的试样要均质,厚度通常应大于5μm。例如对JCXA-733 电子探针仪,最大试样尺寸为Φ32mm×25mm。EPMA-8705 电子探仪所允许的最大试样尺寸为102mm×20mm。由于电子探针是微区分析,定点分析区域是几个立方微米,电子束扫描分析和图像观察区域与放大倍数有关,但最大也不会超过5mm。所以均匀试样没有必要做得很大,有代表性即可。
如果试样均匀,在可能的条件下,试样应尽量小,特别对分析不导电试样时,小试样能改善导电性和导热性能。

(b)具有较好的电导和热导性能
金属材料一般都有较好的导电和导热性能,而硅酸盐材料和其它非金属材料一般电导和热导都较差。后者在入射电子的轰击下将产生电荷积累,造成电子束不稳定,图像模糊,并经常放电使分析和图像观察无法进行。试样导热性差还会造成电子束轰击点的温度显著升高,往往使试样中某些低熔点组份挥发而影响定量分析准确度度。

电子束轰击试样时,只有0.5%左右的能量转变成X 射线, 其余能量大部份转换成热能,热能使试样轰击点温度升高,Castaing用如下公式表示温升△T(K):
式中V。(kV)为加速电压,i(μA)为探针电流,d(μm)为电子束直径,k 为材料热导率(Wcm-1k-1)。例如,对于典型金属(k=1 时),当V。=20kV,d=1μm,i=1μA 时,△T=96K。 对于热导差的典型晶体,k=0.1,典型的有机化合物k=0.002。对于热导差的材料,如K=0.01, V0=30kV, i=0.1μA, d=1μm时, 由公式得ΔT=1440K。如果试样表面镀上10nm的铝膜,则ΔT减少到760K。因此, 对于硅酸盐等非金属材料必须在表面均匀喷镀一层20nm左右的碳膜、铝膜或金膜等来增加试样表面的导电和导热性能。

(c)试样表面光滑平整
试样表面必须抛光,在100 倍反光显微镜下观察时,能比较容易地找到50μm×50μm无凹坑或擦痕的分析区域。因为X 射线是以一定的角度从试样表面射出,如果试样表面凸凹不平,就可能使出射X 射线受到不规则的吸收,降低X 射线测量强度,图8.15表明试样表面台阶引起的附加吸收。
试样表面台阶引起的附加吸收
 
试样制备方法

(a)粉体试样
粉体可以直接撒在试样座的双面碳导电胶上,用表面平的物体,例如玻璃板压紧,然后用洗耳球吹去粘结不牢固的颗粒。当颗粒比较大时,例如大于5μm,可以寻找表面尽量平的大颗粒分析。也可以将粗颗粒粉体用环氧树脂等镶嵌材料混合后,进行粗磨、细磨及抛光方法制备。

对于小于5μm小颗粒,严格讲不符合定量分析条件,但实际工作中有时可以采取一些措施得到较好的分析结果。对粉体量少只能用电子探针分析时,要选择粉料堆积较厚的区域,以免激发出试样座成分。为了获得较大区域的平均结果,往往用扫描的方法对一个较大区域进行分析。要得到较好的定量分析结果,最好将粉体用压片机压制成块状,此时标样也应用粉体压制。对细颗粒的粉体分析时,特别是对团聚体粉体形貌观察时,需将粉体用酒精或水在超声波机内分散,再用滴管把均匀混合的粉体滴在试样座上,待液体烘干或自然干燥后,粉体靠表面吸附力即可粘附在试样座上。

(b)块状试样
块状试样,特别是测定薄膜厚度、离子迁移深度、背散射电子观察相分布等试样,可以用环氧树脂等镶嵌后,进行研磨和抛光。较大的块状试样也可以直接研磨和抛光,但容易产生倒角,会影响薄膜厚度及离子迁移深度的测定,对尺寸小的试样只能镶嵌后加工。对多孔或较疏松的试样,例如有些烧结材料、腐蚀产物等,需采用真空镶嵌方法。将试样用环氧树脂胶浸泡,在500C-600C 时放入低真空容器内抽气,然后在60°C 恒温烘箱内烘烤4h,即可获得坚固的块状试样。这可以避免研磨和抛光过程中脱落,同时可以避免抛光物进入试样孔内引起污染。

(c)蒸镀导电膜
对不导电的试样,例如陶瓷、玻璃、有机物等,在电子探针的图像观察、成分分析时,会产生放电、电子束漂移、表面热损伤等现象。使分析点无法定位、图像无法法聚焦。大电子束流时,例如10-6A,有些试样电子束轰击点会产生起泡、熔融。为了使试样表面具有导电性,必须在试样表面蒸镀一层金或者碳等导电膜,镀膜后应马上分析,避免表面污染和导电膜脱落。

一般形貌观察时,蒸镀小于10nm厚的金导电膜。金导电膜具有导电性好、二次电子发射率高、在空气中不氧化、熔点低,膜厚易控制等优点,可以拍摄到质量好的照片。
成分定性、定量分析,必须蒸镀碳导电膜。碳为超轻元素,对所分析元素的X 射线吸收小,对定量分析结果影响小。蒸镀碳只能用真空镀膜仪。镀膜要均匀,厚度控制在20nm左右,为了保证试样与标样镀膜厚度相同,标样和试样应该同时蒸镀。

分析方法 扫描电镜
1. 点分析
将电子探针固定在试样感兴趣的点上,进行定性或定量分析。该方法用于显微结构的成份分析,例如,对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相及非化学计量材料的组成等研究。

2. 线分析
电子束沿一条分析线进行扫描(或试样扫描)时,能获得元素含量变化的线分布曲线。如果和试样形貌像(二次电子像或背散射电子像)对照分析,能直观地获得元素在不同相或区域内的分布。


图为 耐火材料-玻璃界面元素的变化规律,图中直线为分析线(电子束扫描线)。。研究发现,玻璃中K, Na 等元素在界面附近的变化规律不同,K, Na离子非常容易扩散到耐火材料内部,并进入耐火材料的玻璃相中,使耐火材料粘度大大下降,这是引起耐火材料解体的原因之一。

3. 面分析
将电子束在试样表面扫描时,元素在试样表面的分布能在CRT 上以亮度分布显示出来(定性分析)

扫描电镜
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