扫描电子显微镜的原理及应用

Question

如题所述

Answer 1

扫描电子显微镜（SEM）是金属科研中不可或缺的工具，广泛应用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。本文将详细介绍SEM的原理、主要性能参数以及应用。

一、SEM的原理

扫描电子显微镜利用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生二次电子、背散射电子等，对样品表面或断口形貌进行观察和分析。

二、SEM的主要性能参数

1. 分辨率：指能分析的最小区域或能分辨的两点间的最小距离。对于成像而言，二次电子像的分辨率较高，约为5-10nm。

2. 放大倍数：可从十倍到几十万倍连续可调。放大倍数通过调节扫描线圈电流进行。

3. 景深：指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。SEM物镜采用小孔视角、长焦距，可获得很大景深。

4. 衬度：包括表面形貌衬度和原子序数衬度。表面形貌衬度由试样表面的不平整性引起，而原子序数衬度则对微区内原子序数的差异相当敏感。

三、SEM的应用

1. 形貌观察

SEM可用于观察金属玻璃、纳米纯金属Ni等材料的形貌。

2. 成分分析

结合能量色散X射线光谱仪（EDX），SEM可进行元素分析。点分析可用于显微结构的成分分析，如材料的晶界、析出相、夹杂相等；线分析可获得元素含量变化的线分布曲线；面分析可在CRT上以亮度分布显示元素在试样表面的分布。

3. 取向分析

电子背散射衍射（EBSD）技术可在SEM中进行样品的微区晶体结构及取向信息分析。这项技术的主要优点是扫查区域与SEM相当，可以对孪晶进行数目统计。通过反极图和极图可以明显看出孪晶的取向以及孪晶会使晶粒转动变形方式。

四、实例解析

1. 在金属领域中，SEM结合EDX广泛应用于材料成分的分析。例如，在图6中，通过点扫描成分分析证实了元素Ce、Co、Y、Ba、O的存在并给出了相应含量；线扫描成分分析证实了Cu2+在硅/铜/碳纳米核壳结构复合材料中的均匀分布。

2. 在取向分析方面，EBSD技术为钛合金的形变孪晶研究提供了有力支持。通过EBSD技术，可以鉴定孪晶类型及其变体，确定孪晶带与母体晶粒的晶体关系，并揭示孪晶的取向以及变形方式。