掃描電鏡技術及其在碳材料表征中的應用
摘要：電子顯微技術是材料表征的重要技術手段之一，其中掃描電子顯微鏡（簡稱SEM）由于具有應用范圍廣、樣品制備簡單、圖像景深大等優點，因而在碳材料表征中發揮著越來越重要的作用。本文在介紹掃描電鏡的結構、工作原理及樣品制備的基礎上，簡要概述了掃描電鏡在材料表征中的應用，并以碳納米管為例對圖譜進行了分析。
二十世紀60年代以來，出現了掃描電子顯微鏡（SEM）技術，這樣使人類觀察微小物質的能力發生質的飛躍依靠掃描電子顯微鏡的高分辨率、良好的景深和簡易的操作方法，掃描電子顯微鏡（SEM）迅速成為一種不可缺少的工具，并且廣泛應用于科學研究和工程實踐中近年來，隨著現代科學技術的不斷發展，相繼開發了環境掃描電子顯微鏡（ESEM）、掃描隧道顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等其它一些新的電子顯微技術這些技術的出現，顯示了電子顯微技術近年來自身得到了巨大的發展，尤其是大大擴展了電子顯微技術的使用范圍和應用領域在材料科學中的應用使材料科學研究得到了快速發展，取得了許多新的研究成果。
1.?SEM?的結構?
掃描電鏡結構由四大部分組成：電子光學系統、信號檢測與轉換系統、顯示與記錄系統、真空系統。
1.1?電子光學系統?
這個系統包括：電子槍、電磁透鏡和掃描電圈。?
（1）電子槍??為了獲得較高的信號強度和掃描強度，由電子槍發射的掃描電子束應該具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。常用的電子槍主要有兩大類，共三種。
一類是利用熱發射效應產生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30～100小時之間，價格便宜，但成像不如其他兩種明亮，常作為廉價或標準SEM配置。六硼化鑭槍壽命介于場致發射電子槍與鎢槍之間，為200～1000小時，價格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮5～10倍，需要略高于鎢槍的真空，一般在10-7torr以上；但比鎢槍容易產生過度飽和和熱激發問題。
一類是利用場致發射效應產生電子，稱為場發射電子槍。場發射電子槍的亮度最高、電子源直徑最小，是高分辨SEM的理想電子槍。當然這種電子槍極其昂貴，且需要小于10-10?torr的極高真空。但它具有至少1000小時以上的壽命，且不需要電磁透鏡系統。
（2）電磁透鏡?其功能是把電子槍的束斑逐漸聚焦縮小，因照射到樣品上的電子束斑越小，其分辨率就越高。SEM?通常有三個聚光鏡，前兩個是強透鏡，縮小束斑，第三個是弱透鏡，焦距長，便于在樣品室和聚光鏡之間裝入各種信號探測器。為了降低電子束的發散程度，每級聚光鏡都裝有光闌。為了消除像散，裝有消像散器。
（3）掃描電圈?其作用是使電子書偏轉，并在樣品表面作有規則的掃動，電子書在樣品上的掃描動作和在顯像管上的掃描動作保持嚴格同步，因為它們是由同一掃描發生器控制的。SEM?中有三個掃描圈：物鏡極靴內的掃描線圈是用于電子探針在樣品表面掃描；觀察和照相用顯象管中的掃描線圈是用于控制陰極攝像管（CRT）中的電子束以便在熒光平上作同步掃描。SEM進行形貌分析時都采用光柵掃描方式。SEM?的倍率放大是通過改變鏡筒中掃描電圈電流大小來控制的，這樣就可以改變樣品掃描區域大小，進而改變倍數。
（4）樣品室?樣品室中的樣品臺除了能夾持一定尺寸的樣品，還能使樣品平移、傾斜和轉動等，同時還能在樣品臺上進行加熱、冷卻和進行力學性能實驗。
1.2?信號檢測與轉換系統?
該系統主要部件是二次電子探測器。?
二次電子探測器有四個部分組成：收集極是用來吸收二次電子，加速其趨向探頭；閃爍技術器是常用的檢測系統；光導管將可見光信號輸出到光電倍增管中，為圖像掃描信號轉換；電子放大器中的視頻放大器可將電信號進一步擴大。
1.3?顯示與記錄系統?
信號顯示系統的兩個顯像管：一個是觀察用的CRT，分辨率較低；一個是照相用的CRT，分辨率較高。而記錄系統為數字照相系統，用于最終的實驗記錄。
1.4?真空系統?
真空系統能夠保障SEM?電子系統的正常工作，并防止樣品受污染等。它包括真空泵和真空柱兩部分：真空泵用來在真空柱內產生真空；?而成像系統和電子束系統均內置在真空柱中，真空柱底端、為密封室，用于放置樣品。
2.?SEM?的工作原理?
SEM?的工作原理是由電子槍發射出來直徑為50μm（微米）的電子束，在加速電壓的作用下經過磁透鏡系統會聚，形成直徑為5nm（納米）的電子束，聚焦在樣品表面上，在第二聚光鏡和物鏡之間偏轉線圈的作用下，電子束在樣品上做光柵狀掃描，同時同步探測入射電子和研究對象相互作用后從樣品表面散射出來的電子和光子，獲得相應材料的表面形貌和成分分析。從材料表面散射出來的二次電子的能量一般低于50?eV，其大多數的能量約在2?～?3?eV。因為二次電子的能量較低，只有樣品表面產生的二次電子才能跑出表面，逃逸深度只有幾個納米，這些信號電子經探測器收集并轉換為光子，再通過電信號放大器加以放大處理，最終成像在顯示系統上。SEM?工作原理的特殊之處在于把來自二次電子的圖像信號作為時像信號，將一點一點的畫面“動態”地形成三維的圖像。
3.?樣品制備
試樣制備技術在電子顯微術中占有重要的地位，它直接關系到電子顯微圖像的觀察效果和對圖像的正確解釋。如果制備不出適合電鏡特定觀察條件的試樣，即使儀器性能再好也不會得到好的觀察效果。?
SEM?樣品制備的基本流程為前處理、干燥、裝臺和表面的導電處理。?
SEM?樣品制備的基本要求：?
（1）?使樣品的表面形貌結構保持活體時的近似形態,所觀察的表面要求處理干凈。?
（2）?對擬研究內表面結構，可采用冷凍斷裂技術獲取一個新的觀察面。?
（3）?盡可能在樣品沒變形的情況下除去水份，即對樣品進行“無損干燥”。?
（4）?樣品表面應有良好的導電性能和二次電子發射率。?
（5）?進行細胞化學研究時，要求標記物有一定的形態，以便于識別。?
當然，不同的樣品其制備方法也不完全相同。然而，化學碳材料一般為粉末狀樣品，因此我們這里重點介紹一下關于此材料的樣品制備技術。
對粉體樣品進行觀測時，通常是將粉體撒于導電膠帶上，通過洗耳球吹去粘接不牢的粉體，然后通過導電處理進行觀測。當同一樣品臺置有多個樣品時，需注意洗耳球的吹掃方向，以避免樣品相互污染。此外，不可用工具或手擠壓樣品，以免影響觀測樣品的形貌。值得一提的是，粉體樣品進行觀測時，不管樣品是否導電，通常均對其進行導電處理。因為粉體分散于導電膠帶時，顆粒間接觸可能存在空隙，接觸不好。如需觀測單個粉體顆粒的形貌，可將粉體分散于酒精等溶劑中，將溶液滴在銅片上，待溶劑揮發完全后才可進行導電處理、觀測。
4.?SEM?在碳材料中的應用?
SEM在碳材料中應用范圍很廣,包括斷裂失效分析、產品缺陷原因分析、鍍層結構和厚度分析、涂料層次與厚度分析、材料表面磨損和腐蝕分析、耐火材料的結構與蝕損分析等。其中，SEM?在碳材料的微區化學成分分析很重要，關系到碳材料合成的成與敗。
在樣品的處理過程中，有時需要提供包括形貌、成分、晶體結構或位向在內的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進行判斷分析。為此，相繼出現了掃描電子顯微鏡—電子探針多種分析功能的組合型儀器。掃描電子顯微鏡如配有X射線能譜和X射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區的化學成分等信息材料。內部的夾雜物等，由于它們的體積細小，因此，無法采用常規的化學方法進行定位鑒定，SEM卻可以提供重要的線索和數據。
5.?碳納米管在SEM?中的表征?
SEM以較高的分辨率（3.5nm）和很大的景深清晰地顯示粗糙樣品的表面形貌，并以多種方式給出微區成份等信息，用來觀察斷口表面微觀形態，分析研究斷裂的原因和機理，以及其它方面的應用。圖1是粉末冶金研究院課題組在碳纖維上生長處的碳納米管（或納米碳纖維）的掃描電子顯微鏡照片。
圖1?碳纖維生長碳納米管的SEM圖像
從圖中我們可以明顯的看到碳纖維被一層密密麻麻的碳納米管包覆轍，而且碳納米管的取向是雜亂無章的。圖中的白色小點是沒有被出去的催化劑顆粒，我們還可以看到，催化劑顆粒是處在生長出來的碳納米管的頂端，這也為碳納米管的頂端生長提供了證據。
6.?總結?
SEM在碳材料的應用中，已經極大的促進了人們認識微觀的碳結構，解釋與之相關的現象，從而更加合理的利用碳材料。總之，現代分析測試技術的發展和應用，已經或將要大大促進碳材料學科的發展，必然帶來碳材料學科研究量的和質的進步。隨著SEM的發展以及其他測試的手段的發展，定將更有力的推動該學科的發展。
