扫描电镜的使用演示 (2)

扫描电镜的使用演示
一、实验目的
1）了解扫描电镜基本结构和工作原理。

2）通过对表面形貌衬度和原子序数衬度的观察，了解扫描电镜图像衬底原理及其应用。

二、扫描电镜的基本结构和工作原理
扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。

扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。

扫描电镜所需的加速电压一般在1～30kV，常用的加速电压~20kV左右。

图像放大倍数在一定范围内(几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。

扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。

扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图像显示和记录系统、真空系统和电源及控制系统六大部分。

三、扫描电镜图像衬度观察
1．样品制备
扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理，可以直接进行观察。

但在有些情况下需对样品进行必要的处理。

1) 样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮)在超声波清洗器中清洗。

2) 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。

清洗时可能会失去一些表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。

3) 对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm为宜。

2．表面形貌衬度观察
二次电子信号来自于样品表面层5～l0nm，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的取向非常敏感，随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。

因此，二次电子像适合于显示表面形貌衬度。

二次电子像的分辨率较高，一般约在3～6nm。

其分辨率的高低主要取决于束斑直径，而实际上真正达到的分辨率与样品本身的性质、制备方法，以及电镜的操作条件如高匝、扫描速度、光强度、工作距离、样品的倾斜角等因素有关，在最理想的状态下，目前可达的最佳分辩率为lnm。

扫描电镜图像表面形貌衬度几乎可以用于显示任何样品表面的超微信息，其应用已渗透到许多科学研究领域，在失效分析、刑事案件侦破、病理诊断等技术部门也得到广泛应用。

在材料科学研究领域，表面形貌衬度在断口分析等方面显示有突出的优越性。

3．原子序数衬度观察
原子序数衬度是利用对样品表层微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号，如背散射电子、吸收电子等作为调制信号而形成的一种能反映微区化学成分差别的像衬度。

实验证明，在实验条件相同的情况下，背散射电子信号的强度随原子序数增大而增大。

在样品表层平均原子序数较大的区域，产生的背散射信号强度较高，背散射电子像中相应的区域显示较亮的衬度；而样品表层平均原子序数较小的区域则显示较暗的衬度。

由此可见，背散射电
子像中不同区域衬度的差别，实际上反映了样品相应不同区域平均原子序数的差异，据此可定性分析样品微区的化学成分分布。

吸收电子像显示的原子序数衬度与背散射电子像相反，平均原子序数较大的区域图像衬度较暗，平均原子序数较小的区域显示较亮的图像衬度。

原子序数衬度适合于研究钢与合金的共晶组织，以及各种界面附近的元素扩散。

由于背散射电子是被样品原子反射回来的入射电子，其能量较高，离开样品表面后沿直线轨迹运动，因此信号探测器只能检测到直接射向探头的背散射电子，有效收集立体角小，信号强度较低。

尤其是样品中背向探测器的那些区域产生的背散射电子，因无法到达探测器而不能被接收。

所以利用闪烁体计数器接收背散射电子信号时，只适合于表面平整的样品，实验前样品表面必须抛光而不需腐蚀。

四、实验报告要求
1) 简述扫描电镜的基本结构及特点。

2) 举例说明扫描电镜表面形貌衬度和原子序数衬度的应用。

实验七 DTA/TG 使用演示与分析
一、目的与要求
1.了解差热-热重分析仪的构造。

2.掌握差热和热重分析原理，了解定性分析处理的基本方法
二、原理：
1．差热分析：
许多物质在加热或冷却过程中，会产生热效应，表现为该物质与外界环境之间产生温度差。

差热分析（简称DTA ）就是通过测定温度差来鉴别物质，确定其结构、组成或测定其转化温度、热效应等物理化学性质，广泛地应用于许多科研领域及生产部门。

谱图说明：图1中有两条曲线，曲线T 为温度曲线，它表明参比物温度随时间的变化
情况；曲线D 为差热曲线，它反映样品与参比物间的温度差△T 同时间的关系。

与时间轴t 平行的线段ab 、de 表明△T=0或常数，称为基线；bc 、cd 段组成差热峰，一般规定放热峰为正峰，此时样品的焓变小于零，温度高于参比物；吸热峰出现在基线的另一侧，称为负峰或吸热峰。

在实际测定中，由于样品与参比物间往往存在着比热、导热系数、粒度、装填疏密度等方面的差异，再加上样品在测定过程中可能发生收缩或膨胀，差热曲线会产生漂移，其基线不再平行于时间轴，峰的前后基线也不在一条直线上，差热峰可能比较平坦，使b 、c 、d 三个转折点不明显，这时可以通过作切线的方法来确定转折点，进而确定峰的面积。

定性分析：不同物质产生热效应的温度范围不同，差热曲线的形状不同。

把试样的DTA 曲线与相同实验条件下的已知物质的DTA 曲线作比较，可定性地确定试样的矿物组成。

定量分析：DTA 曲线的峰（谷）面积的大小与热效应的大小相对应，根据热效应的大小，可对试样作定量估算。

图2 差热分析仪简单装置图
差热分析仪简单装置原理：样品和参比物分别填在电炉内，将两只热电偶的热端分别插入样品和参比物中。

热电偶上两相同极接在一起，组成差热电偶，将另两个相同的极接于检流仪器上。

由于这两对热电偶所产生的热电势大小一样而互相抵销，
没有电流通过检流仪t
△图1 理想的差热曲线
器，反映在曲线上为一直线；一旦样品发生变化，产生热效应，使两热电偶所处的温度不同，产生温差电流，使检流仪器指针偏离基线。

测定时，通过调压变压器，调整加热功率，使体系按所规定的速度匀速升温，以后每隔一定时间记录mV数的热电流一次（实验中系统自动记录），这样就可以绘制如图1那样的差热曲线图。

2. 热重分析
热重法（简称TG）是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系。

检测质量的变化最常用的办法就是用热天平，测量的原理可分为变位法和零位法。

在矿物方面的应用：自然界大多数矿物如粘土类矿物、石灰石、白云石等，在加热过程中会放出气体（CO2↑、H2O↑…），造成重量损失，用热天平测出物质的失重量与相对应的温度作图，即可获得失重曲线。

根据曲线斜率的变化可确定该矿物的失重温度区间及失重温度。

对常见的矿物材料来说失重曲线又称为脱水曲线，因为矿物在加热过程中造成失重的原因主要是脱水，脱去吸附水（又称自由水）和结构水（又称结晶水）。

不同的矿物有不同的失重曲线。

将一未知矿物的失重曲线与一套已知矿物的标准曲线相比较，可初步鉴定矿物的类型及组成。

在陶瓷方面的应用，陶瓷矿物原料的组分定性、定量；无机和有机化合物的热分解；蒸发、升华速度的测量；活化能和反应级数测定；催化剂和添加剂评定；吸水和脱水测定。

利用失重分析法还可以对在加热过程中有重量变化的动力学过程进行研究探讨。

热重分析仪工作原理：
图中左边部分的试样在程序控温下工作，它是把程序发生器发生的控温信号与加热炉中控温热电偶产生的信号相比较，所得偏差信号经放大器放大，再经过PID(比例、积分、微分)调节后，作用于可控硅触发线路，从而改变加热电流，使偏差信号趋于零，以达到闭环自动控制的目的，使实验的温度严格地按给定速率线性升温或降温。

图中右边为天平检测部分，试样质量变化，通过零位平衡原理的称重变换器，把与质量变化成正比的输出电流信号，经称重放大器放大，再由记录仪或微处理机加以记录。

图中其它部分为热重天平辅助调节不可缺少的部分，温度补偿器用来校温；称量校正器是用来校正天平称量准确度；电调零为自动清零装置；电减码为如需要可人为扣除试样重量时用；微分器可对试样质量变化作微分处理，得到质量变化速率曲线。

目前，国内外都生产出同时可以进行差热分析和失重分析的仪器，称为“差示热天平”，这类仪器可以精确地测出材料差热和失重，升温降温可以程序控制，并可作长时间保温。

可以对材料进行综合热分析，为确定材料的热效应研究带来极大的方便。

三、实验仪器设备
DTA-TG分析仪，型号：（自己记录），实验样品若干
四、实验数据
五、实验报告
编写实验包括，内容应包括：简单叙述差热分析和热失重分析的原理，数据分析。

六、思考题：
1. 仪器装置有哪几个模块？操作步骤有哪几步？DTA-TG联用的原理与DTA和TG单独使用时的原理是否一致？
2.各操作参数，如升温速度和样品粒度等，对实验曲线形状有何影响？。