Восточно-Сибирский государственный университет технологий
и управления
Кафедра «Физика»
ПРИМЕНЕНИЕ РАСТРОВОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ
МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ
Методическое указание для студентов, магистров
технических и технологических специальностей
150100, 151005, 260200, 270100
Составитель: Жигжитова С.Б.
Улан-Удэ, 2011
УДК 378.14
В14
Жигжитова С.Б
ПРИМЕНЕНИЕ
РАСТРОВОЙ
ЭЛЕКТРОННОЙ
МИКРОСКОПИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ
МАТЕРИАЛОВ // Методическое указание для студентов, магистров технических и технологических специальностей 150100,
151005, 260200, 270100.−Улан-Удэ:Изд-во ВСГТУ, 2011.−18с.
© ВСГТУ, 2011 г.
2
Введение
Электронный микроскоп (ЭМ) – прибор, который позволяет получать увеличенное изображение объектов, используя
для их освещения электроны. Существуют три вида ЭМ: просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), сканирующий
(растровый) электронный микроскоп (РЭМ) и сканирующий
туннельный микроскоп (СТМ). Эти три вида микроскопа дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных
типов.
Растровый электронный микроскоп предназначен для исследования тонкой структуры металлов и сплавов во вторичных,
отраженных и поглощенных электронах, а также для исследования изломов и повреждений поверхности, т.е. во фрактографии.
С помощью РЭМ можно, используя малые увеличения (менее
чем 20-кратном), наблюдать большие поверхности и разрешать
тонкие детали изломов при 2000-кратном увеличении.
РЭМ состоит из трех основных частей: источник питания,
электронно-оптической колонны с камерой образцов и коллектором электронов, а также системы индикации изображения. На
рис. 1 представлены основные узлы и блоки РЭМ.
Рис. 1. Основные узлы и блоки аналитического комплекса РЭМ
JSM−6510LV JEOL (Япония): 1- стенд прибора с автоматической высоко/
низковакуумной системой и электронными системами управления; 2-камера
3
для образцов; 3-электронно-оптическая система (колонна), установленная на
камере для образцов; 4-энергодисперсионный рентгеновский спектрометр
модели INCA Energy 350, Oxford Instruments (Великобритания); 5- электронные блоки рентгеновских спектрометров; 6- управляющие компьютеры
(2шт); 7- видео мониторы (2шт); 8−пластинчато-роторный форнасос; 9− генератор напряжений.
Обобщенные данные по основным техническим и эксплуатационным характеристикам комплекса сканирующего
электронного микроскопа приведены в табл. 1. Также в таблице
представлены управляющие параметры для создания изображения, детекторы, максимальные значения перемещения столика
для образцов и максимальное разрешение визуального сигнала.
Таблица 1
Параметры
Тип источника электронов
Пространственное разрешение
Значения
вольфрамовая нить
3 нм
Пространственное разрешение в
низковакуумном режиме
Энергия электронного луча
4 нм
от 500 эВ до 30 кэВ
Увеличение
от 5 до 300 000
Ток луча
от 1 пА до 1 мкА
Детекторы
SEI − изображение во вторичных электронах
BEС – изображение в обратнорассеянных электронах
система энергодисперсионного
Аналитические приставки - опции микроанализа INCA Energy
350
Максимальный размер образца
150 мм диаметром
Столик образцов
5 координат (X,Y,Z,T,R)
Система вакуумной откачки
пластинчато-роторный форнасос
4
Общая функциональная схема РЭМ
Общая функциональная схема растрового электронного
микроскопа представлена на рис.2.
Рис. 2. Общая схема сканирующего электронного микроскопа (на схеме показан детектор вторичных электронов)
Электронная пушка представляет собой катод, который
отрицательный потенциал (до 30кВ), называемый ускоряющим
напряжением, эмитирует электроны. Система формирования узкого и интенсивного пучка быстро летящих с катода электронов
включает в себя управляющий электрод и анод и аналогична
совокупности рассеивающей и собирающей линз в световой оптике. Далее пучок электронов проходит через традиционную
линзовую систему электронной оптики: формируются с помощью системы конденсорных линз и фокусируются в узкий электронный зонд. Отклоняющая система развертывает зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов
зонда с объектом возникают несколько видов вторичных продуктов взаимодействия, сигналы от которых могут регистрироваться соответствующими детекторами. После аналогоцифрового преобразования и усиления эти сигналы визуализируются с помощью персонального компьютера. Развертка изо5
бражения в мониторе персонального компьютера производится
синхронно с разверткой электронного зонда в сканирующем
электронном микроскопе, и на экране монитора наблюдается
увеличенное изображение объекта.
Формирование изображения в РЭМ
Важнейшие параметры РЭМ (рис.3), необходимые для
создания изображения и анализа содержащейся в изображении
информации, это ускоряющее напряжение, рабочее расстояние
(WD), зондовый ток (SpoSize) и размер диафрагмы. Данные параметры определяются свойствами образца и задачей исследования.
режим
ускоряющее рабочее
детектора напряжение расстояние
зондовый
давление в
ток
рабочей камере
увеличение область
сканир-я
Рис. 3. Основные параметры для создания изображения
Ускоряющее напряжение. Ускоряющее напряжение между катодом и анодом задает энергию первичных (или падающих) электронов, сканирующих поверхность образца. От энергии первичных электронов и плотности исследуемого материала
зависит глубина проникновения электронов в материал. Чем
выше энергия первичных электронов и ниже плотность материала (меньше порядковый (атомный) номер в таблице Менделеева), тем больше глубина проникновения в него электронов. В
6
результате этого изображение определяется не только поверхностью образца, но и структурами, лежащими на некотором расстоянии под поверхностью. Поэтому чаще всего работают с ускоряющим напряжением от 10 до 25кВ. Для достижения высокого разрешения используют низкие ускоряющие напряжения,
при которых уменьшается область генерации полезного сигнала.
Рабочее расстояние (WD). Рабочее (фокусное) расстояние определяется как расстояние между сфокусированной поверхностью образца и краем объективной линзы. Оно является
определяющим для получаемого разрешения, соотношения сигнал/шум, глубины резкости и получаемого обзорное увеличение.
Ориентировочное значение рабочего расстояния для стандартного применения около 10мм.
Зондовый ток (SS). Зондовый ток или ток падающего
пучка электронов (суммарный заряд, переносимый электронным
пучком через его поперечное сечение в единицу времени), определяет диаметр луча, который оказывает решающее влияние на
получаемое разрешение и на соотношение сигнал/шум изображения. Если зондовый ток уменьшается, то также уменьшается
и диаметр луча, в результате чего в центре пятна будет меньше
первичных электронов, и вместе с тем ослабевают вторичные
процессы, которые обнаруживает детектор. Вследствие этого
ухудшается соотношение сигнал/шум, но увеличивается разрешение, которое зависит непосредственно от диаметра луча.
Размер диафрагмы. Размер диафрагмы определяет, главным образом глубину резкости и соотношение сигнал/шум.
Увеличение. Диапазон регулировки увеличения от Ч5 до
Ч300000. Увеличение растрового изображения равно отношению размера изображения на экране монитора к размеру растра.
Увеличение можно повышать, уменьшая величину растра на поверхности образца. В табл. 2 приведена зависимость величины
растра (сканируемая область) от увеличения. При исследовании
объекта необходимо, использовать комбинацию изображений,
полученных как при низком, так и при высоком увеличениях, а
7
для достижения надежности описания объекта надо изучить
достаточное число участков объекта.
Таблица 2
Сканируемая область в зависимости от увеличения
Увеличение
х 10
х 100
х 1000
х 10000
х 100000
Область сканирования на образце
1 см2
1 мм2
100 мкм2
10 мкм2
1мкм2
Детекторы РЭМ
Выбор режимов работы детекторов позволяет извлечь
максимальное количество полезной аналитической информации.
Растровый электронный микроскоп JSM−6510LV использует
для создания изображений вторичные электроны (SEI) и обратно−рассеянные электроны (BEС).
Вторичные электроны возникают в результате неупругого рассеивания электронов первичного пучка в исследуемом
материале. Получаемое изображение во вторичных электронах
позволяет более эффективно выявлять особенности рельефа поверхности исследуемого образца, называемый обычно топографическим контрастом. Этому способствует расположение детектора вторичных электронов под некоторым углом относительно
оптической оси микроскопа. При этом выступающая часть исследуемого объекта заслоняет электронам путь к детектору таким образом, что ближняя к детектору вторичных электронов
сторона выглядит светлее, а дальняя − темнее. Для углубленных
участков ситуация оказывается прямо противоположной. То
есть по взаимному расположению светлых и темных участков
при детектировании вторичных электронов можно судить о выступах и впадинах исследуемого объекта.
8
Пример изображения, полученного в РЭМ JSM−6510LV с
помощью SEI− детектора вторичных электронов, представлен на
рис.4.
Рис. 4. Микроструктура борированной стали (изображение во вторичных
электронах)
Регистрация вторичных электронов самая распространенная методика растровой микроскопии, которая требует минимальной подготовки образца.
В дополнении к детектору вторичных электронов часто
используется детектор отраженных (обратно− рассеянных)
электронов. Изображение объекта, полученное с помощью
BEС− детектора, показывает четко выраженные различия материалов по атомному весу. Детектирование обратно рассеянных
электронов позволяет с высокой эффективностью различать материал образцов, а изображение обладает высоким фазовым
контрастом. Возникновение фазового контраста при BEС− детектировании связано с зависимостью величины потери энергии
электроном первичном пучка от атомного номера химического
элемента, с которым произошло столкновение. При наличии в
материале образца неоднородности состава, например областей
с тяжелыми элементами в общей легкой матрице, полученное в
обратно-рассеянных электронах изображение будет иметь хорошо различимые с четкими границами светлые области на более темном фоне. Светлые области − это участки с тяжелыми
9
элементами, от которых электроны пучка отражаются лучше,
чем от легких химических элементов.
Пример изображения, полученного в РЭМ JSM−6510LV с
помощью BEC− детектора обратно рассеянных электронов и
демонстрирующий высокий фазовый контраст, представлен на
рис.5.
Рис.5. Микроструктура
рассеянные электронах)
борированной
стали (изображение в обратно-
Также следует отметить, что наблюдение отличий в химическом составе материалов следует проводить на образце с
гладкой поверхностью.
Режимы высокого и низкого давления
Для давления в рабочей камере электронного микроскопа
применяют следующие условное разделение режимов работы:
HV− high vacuum− высокий вакуум;
VP − variable pressure− переменное давление или низкое
давление. Низковакуумный режим работы позволяет исследовать образцы без напыления токопроводящим слоем, в том числе биологические и полимерные материалы, стекла, нефтематеринские породы и т.д.
Рентгеноспектральный микроанализ
Рентгеновский спектрометр является в РЭМ дополнительным оборудованием, которое может использоваться для по10
лучения карты распределения элементов и анализа. Рентгеноспектральный микроанализ − это одна из наиболее популярных
методов количественного и полуколичественного неразрушающего элементного анализа. Данный метод основан на детектировании характеристического рентгеновского излучения, генерируемого в зоне взаимодействия первичного пучка ускоренных
электронов с образцом. Рентгеноспектральный микроанализ
осуществляться с помощью спектрометра с дисперсией по энергии рентгеновских квантов.
Энергетический спектрометр INCA Energy-350 позволяет
выполнять качественный и количественный (по списку элементов) рентгеновские микроанализы с выбором анализируемой области или точки (рис. 6 и 7); получать и распечатывать
а
б
Рис. 6. Пример представления результатов качественного рентгеноспектрального микроанализа: а− электронно-микроскопический снимок, квадра-
11
том на рисунке обозначено место набора рентгеновского спектра; б− рентгеновский спектр
цифровые изображения; редактировать названия пиков; получать карты распределений элементов по площади и профили
вдоль линии; составлять отчеты и экспортировать в форматах
HTML.
a
Спектр
C
Спектр 1
4.60
Спектр 2
5.01
Спектр 3
11.56 4.76
Спектр 4
2.32
Спектр 5
3.59
O
V
Cr
12.09
Fe
Итог
13.40
81.99 100.00
24.02
58.88 100.00
0.75 5.67
2.72
Mn
1.16 76.10 100.00
11.08
86.60 100.00
0.46
93.23 100.00
б
Рис. 7. Пример представления результатов количественного рентгеноспектрального микроанализа (распределение весового содержания химических
элементов): а− электронно-микроскопический снимок, точками на рисунке
обозначены места набора рентгеновских спектров; б− представление результатов в табличном виде
Энергетический спектрометр анализирует и отображает
сразу весь найденный спектр и поэтому имеет более высокую
скорость набора рентгеновского спектра и удобен для экспрессанализа. Для достижения максимальной точности результатов
измерения интенсивности рентгеновского излучения следует
12
проводить анализ по точкам. Рентгеноспектральный микроанализ позволяет определить химический состав образца во всем
интервале концентраций от 0,1 до 100% с точностью ±2%.
Подготовка образцов
Наиболее важным требованием к образцу в растровом
электронном микроскопе, является отсутствие электростатической зарядки поверхности. Изменение поверхностного заряда
изменяет выход вторичных электронов, снижает разрешающую
способность и искажает изображение. Зарядки непроводящих
образцов можно избежать, используя низкое напряжение пучка
или покрывая образец тонкой проводящей пленкой. Еще одно
требование, состоит в том, что размер образца ограничен размером объектодержателя, которым оснащен прибор. Диаметр объектодержателей РЭМ составляет 150 мм, высота не более 100
мм. Могут быть исследованы образцы любых меньших размеров, в том числе менее 1 мм (микронная проволока, лента, порошки и др.) Кроме этих требований, образцы должны быть стабильны в условиях вакуума и под действием электронного пучка. Они не должны иметь остатков органических веществ типа
масла и жира. Органические нежелательные компоненты удаляются с помощью перманганата калия или перекиси водорода.
Карбонаты удаляются с помощью соляной кислоты, оксиды железа − с помощью хлорида олова (II), а углеводороды могут
быть удалены растворителем трихлорэтан.
При резке образцов для исследования на РЭМ под требуемый размер необходимо избегать нагрева и загрязнений исследуемой поверхности. В этом случае поверхность, подлежащая исследованию, тщательно закрывается фольгой. Во избежание нагрева резка производится медленно, с остановками, применяется охлаждение водой или эмульсией. После резки следы
эмульсии или влаги удаляются, затем фольга снимается, образец
промывается в спирте или ацетоне и обдувается сжатым воздухом до полного удаления жидкости. Рекомендуется исследовать
изломы непосредственно после разрушения.
13
При изучении структуры почвы в РЭМ требуется, чтобы
жидкость, которая содержится в виде водного раствора, была
удалена из образца. Требуется высушить образец, не нарушая
его исходной структуры, наиболее простыми способами являются сушка в печи и сушка на воздухе.
Биологические образцы необходимо пропитать ткани
этанолом, метанолом или ацетоном с возрастающей концентрацией и при критической точке, либо лиофильно сушить при низком давлении. Сушка при воздухе не рекомендуется, так как
приводит к сильному искажению ткани, вследствии сильного
поверхностного натяжения воды. В методе «лиофилизации» вода удаляется из замороженного образца сублимацией в вакууме.
Наименее разрушающим, но и наиболее медленным является
метод «сушки вблизи критической точки», который основывается на конверсии жидкости в пар выше температуры критической
точки без фазовых переходов.
Для исследования непроводящих электрический ток образцов используется напылительная установка. Исследование не
проводящих образцов, возможно, в режиме низкого вакуума, но
тогда получение изображения при высоком увеличении невозможно. В качестве покрытия обычно используют тяжелый металл или углерод. Напыляемый металл представляет с собой поток отдельных ионов и мелких капель. В качестве металла
обычно используют золото или сплав палладия. Эти металлы
заметно улучшают контрастность изображения, однако они затрудняют химический микроанализ. Углеродное покрытие используют при микроанализе непроводящих образцов. Недостатком углерода является то, что он не увеличивает контраст изображения.
Так как рентгеновский микроанализ является, в сущности, анализом подготовленной поверхности образца, необходимо, чтобы подготовленная поверхность точно отражала образец.
Поверхность образца должна быть плоской, не иметь царапин и
перед анализом не должна подвергаться травлению, чтобы не
изменять топографию и химию поверхностного слоя.
14
Примеры исследования структуры материалов
Все примеры подобраны таким образом, чтобы дать наиболее полное представление о типах задач, решаемых с помощью РЭМ.
× 2000
Рис. 8. Фрактограмма поверхности стального образца с покрытием, полученного с помощью плазменного напыления
а) волокно из базальта
б) пеностекло системы "стеклобойвитротуф"
Рис. 9. Определение геометрических параметров
15
Рис. 10. Исследование «живых» систем
а) × 30
Рис. 11. Структуры зерна в поперечном срезе
б) × 500
а) × 10000
б) × 25000
Рис. 12. Морфология поверхности: а) золота б) алюминия
16
а) × 250
б) ×30
Рис.13. Структуры: а) хвои в поперечном срезе; б) поверхности чешуи окуня
Растровый электронный микроскоп позволяет существенно расширить и дополнить сведения о поверхностях образца
за счет подробного изучения различных элементов и особенностей рельефа при существенно отличающихся масштабах увеличения, а также идентификации отдельных фаз.
Вопросы самоконтроля
1. Для чего применяют электронный микроскоп?
2. Объясните устройство и принцип действия РЭМ?
3. Какие излучения возникают при взаимодействии электронов
пучка с объектом исследования?
4. Какие режимы используются в РЭМ для формирования изображения?
5. Перечислите необходимые параметры для создания изображения? Дайте определения этим параметрам.
Литература
1. Криштал М.М., Ясников И.С., Полунин В.И. и др. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный
микроанализ в примерах практического применения. М.: Техносфера, 2009.−208с.
2. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: В 2-х книгах. Книга 1. Пер. с англ./Гоулдстейн Дж.,
Ньюбери Д. и др.- М.: Мир, 1984.−348с.
17
3. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: В 2-х книгах. Книга 2. Пер. с англ./Гоулдстейн Дж.,
Ньюбери Д. и др.- М.: Мир, 1984.−348с.
4. Физические методы контроля качества материалов: Учебное
пособие/ Под. ред. А.А. Батаева.−Новосибирск: Изд-во НГТУ,
2000.−XXXc.
5. Дифракционные методы анализа: Учебное пособие/ Под ред.
В.М. Фарбер, А.А. Архангельская− Екатеринбург: Изд-во УрГТУ, 2004.−113с.
6. Рид С. Дж.Б. Электронно-зондовый микроанализ и растровая
электронная микроскопия в геологии.−М: Техносфера,
2008.−232с.
7. Физические методы контроля сырья и продуктов в мясной
промышленности (лабораторный практикум)/ Л.В. Антипова,
Н.Н. Безрядин, С.А. Титов и др.− СПб: ГИОРД, 2006.−200с.
8. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы
исследования и контроля.−М: Техносфера, 2006.−384с.
18
Подписано в печать 5.04.2011г. Формат 60×84×1/16.
Усл.п.л.1,16. Тираж 50 экз. Заказ №81.
Издателсьво ВСГТУ
670013. г. Улан-Удэ, ул. Ключесвская, 40,в.
© ВСГТУ, 2011 г.
19