Применение сканирующей электронной микроскопиив решении актуальных проблем материаловедения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 537.533.35

Применение сканирующей электронной микроскопии в решении актуальных проблем материаловедения

Г.М. Зеер*, О.Ю. Фоменко, О.Н. Ледяева

Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 16.11.2009, received in revised form 7.12.2009, accepted 15.12.2009

Рассмотрены вопросы практического применения сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа для исследования материалов. Показаны возможности сканирующего электронного микроскопа JSM 7001F фирмы JEOL (Япония) с системой микроанализаторов фирмы Oxford Instruments (Великобритания) на примере диффузионных соединений разнородных материалов, серебряных электроконтактов и сплава на основе алюминия.

Ключевые слова: сканирующая электронная микроскопия, микроструктура,

микрорентгеноспектральный анализ.

Методы сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для анализа материалов нашли широкое применение в решении конкретных научных и технологических задач вследствие их высокой информативности и достоверности получаемых результатов исследования [1-2]. Известно, что физикомеханические свойства материалов определяются их микроструктурой, которая зависит от электронного строения, химического состава и технологии их получения. У исследователей при изучении структурного состояния часто возникают методические трудности при выборе методов и методик исследований, типа прибора и т.д. [3-5]. СЭМ позволяет одновременно исследовать размеры и форму зерен, распределение зерен и фаз по размерам, определить состав фазы и распределение химических элементов по ее площади и по

площади исследуемого образца, химическую неоднородность по площади шлифа, а также получить изображение объекта в широком диапазоне увеличений во вторичных и отраженных электронах. Объектом исследования в СЭМ являются такие образцы, как шлиф, излом, порошки различной дисперсности, пленки, покрытия и т.п. (рис. 1, 2).

В данной работе исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM 7001F фирмы JEOL (Япония) с системой микроанализаторов фирмы Oxford Instruments (Великобритания). Разрешение микроскопа до 1,2 нм при ускоряющем 30 кВ (изображение во вторичных электронах), ускоряющее напряжение - от 0,5 до 30 кВ, увеличение - от x 10 до x 1 000 000, ток пучка до 200 нА, элементный анализ - от B до U. Пробоподготовка исследуемых образцов про-

* Corresponding author E-mail address: [email protected]

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

а - х5 000 б - х70 000

Рис. 1. Форма и размеры порошка меди, х5000 (а); структура поверхности порошинки (б)

Рис. 2. Углеродные нанотрубки, увеличение - х100 000, (образец для исследований предоставлен ГН. Чуриловым)

Рис. 3. Микроструктура полиэтилена, ускоряющее 1,5 кВ, увеличение - х5 000

водилась на комплексе оборудования фирм Jeol (Japan) и Gatan (USA). Результаты получают при использовании ряда специальных программ, таких как, например: качественного и количественного элементного анализа -INCA Point & ID, картирования - Mapping и QuantMap, количественного распределения фаз и включений - Feature.

Возможность работать на низких ускоряющих напряжениях (от 500 В) позволяет в некоторых случаях исследовать микроструктуру непроводящих образцов без нанесения токопроводящего покрытия (рис. 3).

На рис. 4, а приведена фрактограмма серебряного электроконтакта, в состав которого в качестве дугогасящей добавки входит на-нодисперсный порошок ZnO в количестве 2,5 масс. %. После ионного травления (рис. 4, б) видно, что контакт имеет мелкозернистую структуру, размер пор не превышает 100 нм, отдельные равномерно распределенные в Ag-матрице белые частицы - зерна ZnO, что позволяет предположить наличие высоких эксплуатационных свойств электрических контактов данного состава.

Наличие детекторов вторичных и обратно рассеянных электронов позволяет получать следующие типы изображения: во вторичных, обратно рассеянных электронах, с использованием композиционного (зависит от номера химического элемента) и топографического (контраст от рельефа поверхности) контрастов. Например, микроструктура твердого сплава марки ВК8 (92 масс. % WC-8 масс. % Co), полученная с помощью композиционного контраста (рис. 5, а), позволяет определить наличие двух фаз - карбида вольфрама (очень светлые зерна) и прослойку более темного цвета, состоящую из кобальта. Топографический контраст подчеркивает рельеф поверхности образца: карбидные

зерна, имеющие огранку, и кобальтовую прослойку (рис. 5, б).

Исследование микроструктуры образцов часто сопровождается микрорентгеноспек-тральным анализом, характерной особенностью которого является локальность - максимальная область возбуждения составляет 1 мкм. Рентгеноспектральный микроанализ в аналитическом комплексе JEOL JSM 7001F представлен рентгеновским спектрометром с дисперсией по энергии рентгеновских квантов (модель INCA Energy-350) и рентгеновским спектрометром с дисперсией по длине волны рентгеновского излучения (модель INCA Wave-500). Данные микрорентгеноспектраль-ного анализа можно оформить в виде стандартных протоколов, состоящих из снимка микроструктуры исследуемой области образца, таблицы данных в весовом или атомарном соотношении, спектров и гистограмм.

Энергодисперсионный спектрометр позволяет выполнять количественный рентгеновский микроанализ с выбором анализируемой области: в точке (рис. 6, а), по площади, по линии (с заданным шагом получения спектров), получать карты распределения элементов по площади и профили вдоль заданной линии (рис. 6, б).

На образцах алюминия, легированного лантаном и церием, полученных в различных условиях кристаллизации, была исследована микроструктура и элементный состав фаз. Количественный элементный состав двух точечных спектров позволил установить, что светлая фаза состоит из алюминия (44,89 масс. %), лантана (20,43 масс. %) и церия (34,69 масс. %), темная - из алюминия (100 масс. %). Спектр, полученный в точке 2, приведен на рис. 7.

Для подтверждения элементного состава фаз было проведено картирование (рис. 8). Если наложить карты распределения химиче-

а б

Рис. 4. Электроконтакт состава Ag-ZnO: а - фрактограмма, увеличение - х50 000; б - микроструктура после ионного травления, увеличение - х20 000

Рис. 5. Микроструктура сплава ВК8, увеличение - х33 000, с различными типами контраста: а - композиционный; б - топографический

а б

Рис. 6. Энергодисперсионный микрорентгеноспектральный анализ образцов состава А1-Ьа-Се, увеличение - х3 000: а - количественный микроанализ в точке; б - профиль распределения La и Се по линии

Рис. 7. Общий вид линий рентгеновского спектра, показывающих наличие элементов в точке 2

Рис. 8. Изображение во вторичных электронах (а); картирование на этом участке по La (б), А1 (в), Се (г)

Зит 1 Electron Image 1

Рис. 9. Распределение элементов в диффузионной зоне, совмещенное с микроструктурой образца, полученного диффузионной сваркой меди М1 и бронзы БрХ08 через прослойку №-Р (увеличение -х20 000)

ских элементов (рис. 8, б-г) на микроструктуру (рис. 8, а), то получим, что светлые зерна состоят из трех элементов Al, La, Ce, темные - только из Al.

Данные микрорентгеноспектрального анализа можно экспортировать в специальные программы для обработки, например, Microsoft Office Excel для представления их в графическом виде. Выполнив микрорент -геноспектральный анализ, например, переходной зоны образца, полученного диффузионной сваркой бронзы БрХ08 и меди М1 с электрохимическим покрытием состава Ni-P. можно построить распределение элементов в переходной зоне (рис. 9).

При исследовании микроструктуры диффузионного соединения дефектов в виде пор, трещин выявлено не было, следовательно, с учетом ширины диффузионного соединения (4 мкм) можно сделать вывод о качестве данного соединения. Далее, по методу Матано, используя полученные концентрационные кривые, можно рассчитать коэффициенты взаимной диффузии меди, никеля и фосфора

в медь и бронзу при температуре диффузионной сварки (1000 К - для образцов данного состава).

Волнодисперсионный спектрометр ШСА Wave-500 позволяет решать те же задачи, что и энергодисперсионный. Преимуществом волнового спектрометра является более высокое разрешение по линиям рентгеновского спектра. Например, кремний в присутствии большого количества вольфрама энергодисперсионный спектрометр не разрешит, в таком образце следует определять эту пару элементов волнодисперсионным спектрометром. К недостаткам волнодисперсионного спектрометра можно отнести относительно низкую скорость набора спектра, при этом он набирает спектры химических элементов последовательно, тогда как энергодисперсионный одновременно может анализировать до 50 элементов и сразу отражать весь найденный спектр, поэтому он удобен для экспресс-анализа. Программа ENERGY+ позволяет совместно работать энергодисперсионному и волнодисперсионному спектрометрам как

единой системе, что увеличивает точность и производительность анализов.

Таким образом, показаны возможности сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа, заключающиеся в методах исследования микроструктуры материалов, определении количественного элементного состава и построении карт распределения элементов на примере аналитического комплекса, состоящего из сканирующего электронного ми-

кроскопа JSM 7001F фирмы JEOL (Япония) и спектрометров фирмы Oxford Instruments (Великобритания).

Все электронно-микроскопические исследования, представленные в данной работе, проведены в лаборатории электронной микроскопии Центра коллективного пользования Сибирского федерального университета при частичной финансовой поддержке НИР № 1.3.09, проводимой по заданию Федерального агентства по образованию.

Список литературы

1. Гоулдстейн, Дж. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: в 2 т. / Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Эчлин и др. - М.: Мир, 1984.

2. Weilie Zhou. Scanning Microscopy for Nanotechnology (Techniques and Applications). / Weilie Zhou (Ed.) Zhong Lin Wang (Ed.) Springer. 2006. 522 p.

3. Брандон, Д. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля / Д. Брандон, У Каплан. - М.: Техносфера, 2004. - 384 с.

4. Криштал, М.М. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения / М.М. Криштал, И.С. Ясников, В.И. Полунин и др. - М.: Техносфера, 2009. - 208 с.

5. Быков, Ю. А. Растровая электронная микроскопия и рентгеноспектральный анализ. Аппаратура, принцип работы, применение / Ю. А. Быков, С. Д. Карпухин, М. К. Бойченко и др. Электр. дан. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. Режим доступа: http://lab.bmstu.ru/ rem/index/htm

Application of Scanning Electron Microscopy in Material Science

Galina M. Zeer, Oksana Yu. Fomenko and Olga N. Ledyaeva

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

Some aspects of application of scanning electron microscopy and X-ray microanalysis to study materials were considered. Capabilities of JSM 7001F scanning electron microscope of JEOL Company with a set of Oxford Instruments (UK) microanalyzers were demonstrated using diffusive compositions of heterogeneous compounds, silver electrical contacts as well as an aluminum alloy.

Keywords: scanning electron microscopy, microstructure, X-ray microanalysis.