必收藏！材料分析检测知识大汇总（一）

http://www.ecorr.org/news/science/2016-06-06/7054.html

 

  三、扫描电镜

  测试解析 | 六大常用显微技术与设备！

  扫描电子显微镜

  仪器简介

  中文名：扫描电子显微镜

  外文名：scanning electron microscope（SEM）

  简写：SEM

  发明：1965年

  属性：细胞生物学、材料等研究工具

 

  扫描电子电镜

  主要性能参数

  1、放大率

  与普通光学显微镜不同，在SEM中，是通过控制扫描区域的大小来控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要扫描更小的一块面积就可以了。放大率由屏幕/照片面积除以扫描面积得到。所以，SEM中，透镜与放大率无关。

  2、场深

  在SEM中，位于焦平面上下的一小层区域内的样品点都可以得到良好的会焦而成象。这一小层的厚度称为场深，通常为几纳米厚，所以，SEM可以用于纳米级样品的三维成像。

  作用体积

  电子束不仅仅与样品表层原子发生作用，它实际上与一定厚度范围内的样品原子发生作用，所以存在一个作用“体积”。

  作用体积的厚度因信号的不同而不同：

  欧革电子：0.5～2纳米。

  次级电子：5λ，对于导体，λ=1纳米；对于绝缘体，λ=10纳米。

  背散射电子：10倍于次级电子。

  特征X射线：微米级。

  X射线连续谱：略大于特征X射线，也在微米级。

  3、工作距离

  工作距离指从物镜到样品最高点的垂直距离。

  如果增加工作距离，可以在其他条件不变的情况下获得更大的场深。

  如果减少工作距离，则可以在其他条件不变的情况下获得更高的分辨率。

  通常使用的工作距离在5毫米到10毫米之间。

  4、成象

  次级电子和背散射电子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次级电子。

  5、表面分析

  欧革电子、特征X射线、背散射电子的产生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品表面很浅的一层（参见作用体积），所以只能用于表面分析。

  表面分析以特征X射线分析最常用，所用到的探测器有两种：能谱分析仪与波谱分析仪。前者速度快但精度不高，后者非常精确，可以检测到“痕迹元素”的存在但耗时太长。

  应用范围

  ⑴生物：种子、花粉、细菌……

  ⑵医学：血球、病毒……

  ⑶动物：大肠、绒毛、细胞、纤维……

  ⑷材料：陶瓷、高分子、粉末、金属、金属夹杂物、环氧树脂……

  ⑸化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥（杆菌）、机械、电机及导电性样品，如半导体（IC、线宽量测、断面、结构观察……）电子材料等。

  生物样品检测与透射电子显微镜

  仪器简介

  透射电子显微镜

  透射电子显微镜与光学显微镜的成像原理基本一样，但其放大倍数最高可达近百万倍、达到0.1～0.2nm。使用TEM可以观察样品的精细结构，甚至可以用于观察仅仅一列原子的结构，因此TEM的应用几乎可涵盖包括材料科学、地质矿物和其他固体科学以及生命科学在内的所有科学领域，成为探索客观物质世界微观结构奥秘的强有力的手段。

  应用范围

  TEM的优质性能使其成为物理学、生物学、材料科学等相关科学领域的重要分析方法，可应用于如癌症研究、病毒学、材料科学，以及纳米技术、半导体研究等方面。能够观察和研究金属及其合金的内部结构并进行晶体缺陷分析；配合相应样品台可观察样品的形变和断裂过程；观察及分析样品组织结构；高分辨显微。

  仪器特点

  1.使用日立独有的双狭缝物镜，可以得到独有的低倍大视野、高对比度的成像

  2.标配高灵敏度实时CCD相机，具有低剂量电子束成像的功能。

  3.采用实时荧光屏照相机，通过一台操作显示器实现低对比度样品普查。

  4.具有更多的自动化功能，如大视场全景成像功能、自动聚焦、自动消像散、自动拍照等。

  5.标准就具有图像数据库功能，测长、图像过滤功能等。

  6.具有较强的扩展功能，如三维重构等。

  仪器简介

  1、分辨率：0.204 nm

  2、拍摄金单晶薄膜样品的晶格像； Au[200]

  3、加速电压：40 至 120 kV

  4、放大倍率：

  观测模式（高反差模式） 200至200,000（30步）

  高分辨模式3,000至600,000 （20步）

  低倍模式50至1,000 （10步）

  送样要求

  可测样品送样要求：固体、薄膜、粉末、液体样品；

  样品需提供的信息：注明样品大致形态、摄片倍数及是否要做衍射晶格；

  不可测试样品：易燃易爆、和易升华样品、磁性材料、有机材料；

  原子力显微镜

  仪器简介

 

原子力显微镜

  它主要由带针尖的微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动的反馈回路、使样品进行扫描的压电陶瓷扫描器件、计算机控制的图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测，当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时，检测该斥力可获得表面原子级分辨图像，一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求，可测量固体表面、吸附体系等。

  仪器结构

  在原子力显微镜（Atomic Force Microscopy，AFM）的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。

  力检测部分

  在原子力显微镜（AFM）的系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以在本系统中是使用微小悬臂（cantilever）来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100~500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。

  位置检测部分

  在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。

  反馈系统

  在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。

  仪器优缺点

  优点

  相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。原子力显微镜与扫描隧道显微镜（Scanning TunnelingMicroscope）相比，由于能观测非导电样品，因此具有更为广泛的适用性。当前在科学研究和工业界广泛使用的扫描力显微镜，其基础就是原子力显微镜。

  缺点

  和扫描电子显微镜（SEM）相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。

  扫描隧道电子显微镜

  仪器简介

  扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜”、“隧道扫描显微镜”，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德·宾宁（G.Binnig）及海因里希·罗雷尔（H.Rohrer）在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

 

扫描隧道显微镜

  工作原理

  扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。

  工作模式

  恒电流模式

  利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高。

  恒高度模式

  在对样品进行扫描过程中保持针尖的绝对高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一（如由同一种原子组成）的情形。从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描隧道显微镜”的原因。

  免疫荧光细胞化学与荧光显微镜

  仪器简介

  荧光显微镜（Fluorescence microscope） ：荧光显微镜是以紫外线为光源，用以照射被检物体，使之发出荧光，然后在显微镜下观察物体的形状及其所在位置。荧光显微镜用于研究细胞内物质的吸收、运输、化学物质的分布及定位等。细胞中有些物质，如叶绿素等，受紫外线照射后可发荧光；另有一些物质本身虽不能发荧光，但如果用荧光染料或荧光抗体染色后，经紫外线照射亦可发荧光，荧光显微镜就是对这类物质进行定性和定量研究的工具之一。

  中文名：荧光显微镜

  外文名：Fluorescence microscope

  光源：紫外线

  用于：研究细胞内物质的吸收、运输等

  释义：物质进行定性和定量研究工具之一

  注意事项：在暗室中检查，按照说明书使用等

  鉴别方法

  荧光显微镜和普通显微镜有以下的区别：

  1.照明方式通常为落射式，即光源通过物镜投射于样品上；

  2.光源为紫外光，波长较短，分辨力高于普通显微镜；

  3.有两个特殊的滤光片，光源前的用以滤除可见光，目镜和物镜之间的用于滤除紫外线，用以保护人眼。

  标本制作要求

  1、载玻片

  载玻片厚度应在0.8～1.2mm之间，太厚的坡片，一方面光吸收多，另一方面不能使激发光在标本上聚集。载玻片必须光洁，厚度均匀，无明显自发荧光。有时需用石英玻璃载玻片。

  2、盖玻片

  盖玻片厚度在0.17mm左右，光洁。为了加强激发光，也可用于涉盖玻片，这是一种特制的表面镀有若干层对不同波长的光起到不同干涉作用的物质（如氟化镁）的盖玻片，它可以使荧光顺利通过，而反射激发光，这种反射的激发光可激发标本。

  3、标本

  组织切片或其他标本不能太厚，若太厚激发光大部分消耗在标本下部，而物镜直接观察到的上部不充分激发。另外，细胞重叠或杂质掩盖，影响判断。

  4、封裱剂

  封裱剂常用甘油，必须无自发荧光，无色透明，荧光的亮度在pH8.5～9.5时较亮，不易很快褪去。

  5、镜油

  一般暗视野荧光显微镜和用油镜观察标本时，必须使用镜油，最好使用特制的无荧光镜油，也可用上述甘油代替，液体石蜡也可用，只是折光率较低，对图像质量略有影响。

  使用方法

  （1）打开灯源，超高压汞灯要预热15min才能达到最亮点。

  （2）透射式荧光显微镜需在光源与暗视野聚光器之间装上所要求的激发滤片，在物镜的后面装上相应的压制滤片。落射式荧光显微镜需在光路的插槽中插入所要求的激发滤片、双色束分离器、压制滤片的插块。

  （3）用低倍镜观察，根据不同型号荧光显微镜的调节装置，调整光源中心，使其位于整个照明光斑的中央。

  （4）放置标本片，调焦后即可观察。使用中应注意：未装滤光片不要用眼直接观察，以免引起眼的损伤；用油镜观察标本时，必须用无荧光的特殊镜油；高压汞灯关闭后不能立即重新打开，需待汞灯完全冷却后才能再启动，否则会不稳定，影响汞灯寿命。

  （5）观察。例如：在荧光显微镜下用蓝紫光滤光片，观察到经0.01%吖啶橙荧光染料染色的细胞，细胞核和细胞质被激发产生两种不同颜色的荧光（暗绿色和橙红色）。

  数码显微镜

  仪器简介

  视频显微镜

  数码显微镜又叫视频显微镜，它是将显微镜看到的实物图像通过数模转换，使其成像在显微镜自带的屏幕上或计算机上。数码显微镜是将精锐的光学显微镜技术、先进的光电转换技术、液晶屏幕技术完美地结合在一起而开发研制成功的一项高科技产品。从而，我们可以对微观领域的研究从传统的普通的双眼观察到通过显示器上再现，从而提高了工作效率。

  仪器分类

  数码显微镜根据数据显示方式不同可分为两大类：自带屏幕数码显微镜和采用计算机显示的数码显微镜。

  自带屏幕数码显微镜，又可分为三类，1.台式数码显微镜；2.便携式数码显微镜；3.无线数码显微镜；台式数码显微镜的主要特点是放大倍率相对较高，可以与电子显微镜媲美；便携式数码显微镜追求的是随处可显微，讲究小巧，其现市场上最具代表性的是3R推出的MSA200视频显微镜；无线显微镜其应用的是2.4G无线传输，追求快捷方便，其现只有3R推出的一款WM401无线显微镜；

  采用计算机显示的数码显微镜通过显微镜内置的摄像机将显微镜看到的标本图像传输到计算机上，通过计算机上安装的显微图像分析软件进行追踪分析，从而获得一系列有价值的定性定量数据。主要用于微生物鉴定、细胞形态检查、尿液有形成份分析、纤维细度检测等方面。具有全自动扫描、图像分析功能强、拓展性强等诸多特点。

  仪器特点

  数码显微镜在观察物体时能产生正立的三维空间影像。立体感强，成像清晰和宽阔，又具有长工作距离，并是适用范围非常广泛的常规显微镜。它操作方便、直观、检定效率高，如3R的A200数码显微镜其适用于电子工业生产线的检验、印刷线路板的检定、印刷电路组件中出现的焊接缺陷（印刷错位、塌边等）的检定、单板PC的检定、真空荧光显示屏VFD的检定，也可对对印刷网格、字画等的鉴定等等，它将实物的图像放大后显示在计算机的屏幕上，可以将图片保存，放大，打印。配测量软件可以测量各种数据。

  与普通显微镜区别

  数码显微镜与普通显微镜之间的不同，有下面的六大区别：

  1.具有显微摄像功能，把观察到的显微效果保存下来，形成图文文件，可给相关部门互相传阅；普通显微镜只能通过目镜观察，不能进行显微摄像。

  2.与电脑相接，可以实现多人同时观察；普通显微镜只能一人观察。

  3.通过电脑屏幕预览，可以减少眼睛疲劳；普通显微镜则需要每时每刻通过目镜观察，容易造成眼睛过度疲劳。

  4.数码显微镜的成像装置可以有测量，打印图文报告，录像等功能；普通显微镜只能单纯的进行显微观察。

  5.数码显微镜是现代科学仪器仪表发展的一个新时代，具有很多普通显微镜没有的功能。它在科学研究、产品检测、教学演示、考古等方面都有迅速的发展。

 

【断口赏析】你的韧窝没有酒，我却醉得像条狗！

  1、韧窝断口简介

  在微孔聚集型断裂的断口上，覆盖着大量显微微坑，称为 “韧窝”。韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征。它是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞，经形核、长大、聚集最后相互连接而导致断裂后，在断口表面上所留下的痕迹。

  韧窝的形状主要由所受的应力状态所决定，一般可以出现三种不同形状的韧窝花样：正交韧窝、剪切韧窝、撕裂韧窝。

  韧窝的大小包括平均直径和深度，用韧窝宽度和深度来度量。影响韧窝大小的主要因素从材料方面讲为第二相的大小、密度、基体的塑性变形能力、形变硬化指数等，从外界条件讲与应力大小和加载速率有关。一般在断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，表示材料的塑性越好。

  2、韧窝断口赏析

 

  图为TC4（Ti-6Al-4v）钛合金在500℃和700℃的高温拉伸断口形貌，在500℃时断口中的韧窝为普通的形貌特征，然而在700℃测试试样的断口出现了大量颗粒状的形貌特征。700℃时断口中颗粒形貌特征产生的可能原因：钛合金出现明显氧化的温度在600℃左右，这也是限制钛合金应用温度不能超过600温度的主要因素之一。TC4实际应用在400℃以下，但是要研究超塑性或做超塑性成形，总是要超过600℃的。700℃拉伸断口总要考虑氧化因素了。（来源：小木虫）

 

  DP780双相钢不同应变速率下的拉伸断口形貌（a）0.001/s；（b）0.01/s；（c）0.067/s；（d）1/s；（e）10/s；（f）100/s；（g）500/s；（h）1000/s。较低应变速率（0.001~0.067/s）条件下，韧窝在塑性变形阶段得到充分长大，形成大量韧窝；随应变速率增加，断口韧窝未见明显变化。当应变速率>1/s时，断口韧窝越来越不均匀，韧窝尺寸差别较大，大尺寸韧窝深度亦明显增加，断口起伏程度增大；还能观察到越来越多的孔洞。（来源：Li S, et al. J Mater Eng Perform. 2015（24）：2426-2434.）

 

  DP600/DP980异种金属激光焊后的拉伸断口形貌，拉伸速率1×10?2 s?1, （a）断口中心区域，（b）接近试样表面的断口。（来源：Farabi N, et al. J Alloy Compd. 2011（509）：982-989.）

 

  AZ31B 镁合金在应变速率1×10-3s-1不同变形温度下的断口形貌。a）100 ℃；b）200 ℃；c）300 ℃。可以看出， 在较低的变形温度100 ℃时， 韧窝很浅， 也很少。随着温度的升高， 到200 ℃时， 断口出现了大量韧窝， 且韧窝明显加深， 韧窝周围存在着非常明显的较薄的撕裂棱， 表现出非常典型的韧窝聚合型延性断裂的特征。在变形温度到300 ℃时， 沿晶断裂的特征很明显， 且晶界滑移引起的晶间微小空洞连接成较大的空洞而导致断裂的发生。这说明， 由于镁合金的密排六方晶体结构， 在较低的温度时， 其变形主要受位错运动控制， 随着温度升高， 原子扩散能力增强， 受扩散控制的晶界滑移逐渐取代了位错运动， 并开始主导AZ31B 镁合金的变形过程。（来源：杨东峰等，塑性工程学报，2011,2（18）：76-80）

 

  T6 状态下时效不同时间AA2024 合金样品断口的较低倍和较高倍SEM 像：（a）（b）欠时效5 h；（c）（d）峰值时效18 h；（e）（f）过时效48 h。可见断裂机制为混合型，随时效状态不同，各种机制存在竞争关系。欠时效状态下断口形貌主要由沿晶界的粗大棱条状裂纹、穿晶的韧性剪切撕裂纹以及粗大第二相（约10 μm）脆断形成的韧窝构成，并以前两种特征最多。峰值时效状态下的断口形貌主要由沿晶界的粗大裂纹和粗大第二相脆断孔坑构成，并以前一种特征为最多。同样的，这些粗大的裂纹被成片的韧窝连接起来。韧窝的尺寸和内部结构与欠时效状态样品情况几乎相同。过时效状态下，合金的断口形貌与其它状态相比有较大不同，主要由粗大第二相脆断形成的孔坑、成片的韧窝及少量沿晶断裂特征构成。韧窝数量明显增多但深度较浅，小韧窝尺寸也有所减小，平均为0.5 μm，同时，密度增加。韧窝数量和密度的增加，说明了裂纹源的增加有利于降低样品断裂前所需消耗的塑性变形能，增加裂纹扩展速度，从而得到较低的UPE 值。（来源：尹美杰等，中国有色金属学报，2015,25（12）：3271-3281）

 

  X90管线钢母材和焊缝试样在空气中的拉伸断口形貌。可以看出，母材试样的颈缩现象较焊缝试样的更为明显，前者的拉伸断口上呈现大而深的等轴韧窝，而后者断口上则是微孔洞与小韧窝相间而生，断口存在蛇形滑移特征，表现为典型的韧窝微孔型韧性断裂特征。这是由于材料内部存在的位错在拉伸过程中于晶界、相界和缺陷等处形成位错塞积群，在应力集中处诱发微孔洞萌生和长大，从而导致发生缩颈和断裂。（来源：杨宝等，机械工程材料，2016,40（3）：78-81）

 

  设计了两种不同氮含量（0.75，0.213wt%）的低镍不锈钢。图（ b,d） 为两试验钢的宏观断口形貌，可见断口均由纤维区、放射区、剪切唇3 个区组成。图（ a,c） 为两试验钢冲击断口SEM 形貌，试验钢的断口形貌都为等轴韧窝，断裂方式为韧性断裂。低氮含量试验钢的韧窝直径较小、相对较深，高氮含量试验钢的韧窝则分布比较均匀。还可以看到分散的孔洞，这由冲击过程中的撕裂产生。（来源：徐桂芳，金属热处理，2014,39（9）：92-95）

 

  最后来一张大自然的杰作！被海水侵蚀的岩石形貌如同韧性材料断口的韧窝。（来源：科学网徐坚的博文）

 

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