必收藏！材料分析檢測知識大匯總（一）

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

    三、掃描電鏡

    測試解析 | 六大常用顯微技術與設備！

    掃描電子顯微鏡

    儀器簡介

    中文名：掃描電子顯微鏡

    外文名：scanning electron microscope（SEM）

    簡寫：SEM

    發明：1965年

    屬性：細胞生物學、材料等研究工具

  掃描電子電鏡

    主要性能參數

      1、放大率

    與普通光學顯微鏡不同，在SEM中，是通過控制掃描區域的大小來控制放大率的。如果需要更高的放大率，只需要掃描更小的一塊面積就可以了。放大率由屏幕/照片面積除以掃描面積得到。所以，SEM中，透鏡與放大率無關。

    2、場深

    在SEM中，位于焦平面上下的一小層區域內的樣品點都可以得到良好的會焦而成象。這一小層的厚度稱為場深，通常為幾納米厚，所以，SEM可以用于納米級樣品的三維成像。

    作用體積

    電子束不僅僅與樣品表層原子發生作用，它實際上與一定厚度范圍內的樣品原子發生作用，所以存在一個作用“體積”。

    作用體積的厚度因信號的不同而不同：

    歐革電子：0.5～2納米。

    次級電子：5λ，對于導體，λ=1納米；對于絕緣體，λ=10納米。

    背散射電子：10倍于次級電子。

    特征X射線：微米級。

    X射線連續譜：略大于特征X射線，也在微米級。

    3、工作距離

    工作距離指從物鏡到樣品最高點的垂直距離。

    如果增加工作距離，可以在其他條件不變的情況下獲得更大的場深。

    如果減少工作距離，則可以在其他條件不變的情況下獲得更高的分辨率。

    通常使用的工作距離在5毫米到10毫米之間。

    4、成象

    次級電子和背散射電子可以用于成象，但后者不如前者，所以通常使用次級電子。

    5、表面分析

    歐革電子、特征X射線、背散射電子的產生過程均與樣品原子性質有關，所以可以用于成分分析。但由于電子束只能穿透樣品表面很淺的一層（參見作用體積），所以只能用于表面分析。

    表面分析以特征X射線分析最常用，所用到的探測器有兩種：能譜分析儀與波譜分析儀。前者速度快但精度不高，后者非常精確，可以檢測到“痕跡元素”的存在但耗時太長。

    應用范圍

    ⑴生物：種子、花粉、細菌……

    ⑵醫學：血球、病毒……

    ⑶動物：大腸、絨毛、細胞、纖維……

    ⑷材料：陶瓷、高分子、粉末、金屬、金屬夾雜物、環氧樹脂……

    ⑸化學、物理、地質、冶金、礦物、污泥（桿菌）、機械、電機及導電性樣品，如半導體（IC、線寬量測、斷面、結構觀察……）電子材料等。

    生物樣品檢測與透射電子顯微鏡

    儀器簡介

    透射電子顯微鏡

    透射電子顯微鏡與光學顯微鏡的成像原理基本一樣，但其放大倍數最高可達近百萬倍、達到0.1～0.2nm。使用TEM可以觀察樣品的精細結構，甚至可以用于觀察僅僅一列原子的結構，因此TEM的應用幾乎可涵蓋包括材料科學、地質礦物和其他固體科學以及生命科學在內的所有科學領域，成為探索客觀物質世界微觀結構奧秘的強有力的手段。

    應用范圍

    TEM的優質性能使其成為物理學、生物學、材料科學等相關科學領域的重要分析方法，可應用于如癌癥研究、病毒學、材料科學，以及納米技術、半導體研究等方面。能夠觀察和研究金屬及其合金的內部結構并進行晶體缺陷分析；配合相應樣品臺可觀察樣品的形變和斷裂過程；觀察及分析樣品組織結構；高分辨顯微。

    儀器特點

    1.使用日立獨有的雙狹縫物鏡，可以得到獨有的低倍大視野、高對比度的成像

    2.標配高靈敏度實時CCD相機，具有低劑量電子束成像的功能。

    3.采用實時熒光屏照相機，通過一臺操作顯示器實現低對比度樣品普查。

    4.具有更多的自動化功能，如大視場全景成像功能、自動聚焦、自動消像散、自動拍照等。

    5.標準就具有圖像數據庫功能，測長、圖像過濾功能等。

    6.具有較強的擴展功能，如三維重構等。

    儀器簡介

    1、分辨率：0.204 nm

    2、拍攝金單晶薄膜樣品的晶格像； Au[200]

    3、加速電壓：40 至 120 kV

    4、放大倍率：

    觀測模式（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）

    送樣要求

    可測樣品送樣要求：固體、薄膜、粉末、液體樣品；

    樣品需提供的信息：注明樣品大致形態、攝片倍數及是否要做衍射晶格；

    不可測試樣品：易燃易爆、和易升華樣品、磁性材料、有機材料；

    原子力顯微鏡

    儀器簡介

原子力顯微鏡

    它主要由帶針尖的微懸臂、微懸臂運動檢測裝置、監控其運動的反饋回路、使樣品進行掃描的壓電陶瓷掃描器件、計算機控制的圖像采集、顯示及處理系統組成。微懸臂運動可用如隧道電流檢測等電學方法或光束偏轉法、干涉法等光學方法檢測，當針尖與樣品充分接近相互之間存在短程相互斥力時，檢測該斥力可獲得表面原子級分辨圖像，一般情況下分辨率也在納米級水平。AFM測量對樣品無特殊要求，可測量固體表面、吸附體系等。

    儀器結構

    在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統。

    力檢測部分

    在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，所要檢測的力是原子與原子之間的范德華力。所以在本系統中是使用微小懸臂（cantilever）來檢測原子之間力的變化量。微懸臂通常由一個一般100~500μm長和大約500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微懸臂頂端有一個尖銳針尖，用來檢測樣品－針尖間的相互作用力。這微小懸臂有一定的規格，例如：長度、寬度、彈性系數以及針尖的形狀，而這些規格的選擇是依照樣品的特性，以及操作模式的不同，而選擇不同類型的探針。

    位置檢測部分

    在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，當針尖與樣品之間有了交互作用之后，會使得懸臂cantilever擺動，當激光照射在微懸臂的末端時，其反射光的位置也會因為懸臂擺動而有所改變，這就造成偏移量的產生。在整個系統中是依靠激光光斑位置檢測器將偏移量記錄下并轉換成電的信號，以供SPM控制器作信號處理。

    反饋系統

    在原子力顯微鏡（AFM）的系統中，將信號經由激光檢測器取入之后，在反饋系統中會將此信號當作反饋信號，作為內部的調整信號，并驅使通常由壓電陶瓷管制作的掃描器做適當的移動，以保持樣品與針尖保持一定的作用力。

    儀器優缺點

    優點

    相對于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優點。不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFM提供真正的三維表面圖。同時，AFM不需要對樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對樣品會造成不可逆轉的傷害。第三，電子顯微鏡需要運行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環境下都可以良好工作。這樣可以用來研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織。原子力顯微鏡與掃描隧道顯微鏡（Scanning TunnelingMicroscope）相比，由于能觀測非導電樣品，因此具有更為廣泛的適用性。當前在科學研究和工業界廣泛使用的掃描力顯微鏡，其基礎就是原子力顯微鏡。

    缺點

    和掃描電子顯微鏡（SEM）相比，AFM的缺點在于成像范圍太小，速度慢，受探頭的影響太大。

    掃描隧道電子顯微鏡

    儀器簡介

    掃描隧道顯微鏡亦稱為“掃描穿隧式顯微鏡”、“隧道掃描顯微鏡”，是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器。它于1981年由格爾德·賓寧（G.Binnig）及海因里希·羅雷爾（H.Rohrer）在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明，兩位發明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。

掃描隧道顯微鏡

    工作原理

    
    掃描隧道顯微鏡的工作原理簡單得出乎意料。就如同一根唱針掃過一張唱片，一根探針慢慢地通過要被分析的材料（針尖極為尖銳，僅僅由一個原子組成）。一個小小的電荷被放置在探針上，一股電流從探針流出，通過整個材料，到底層表面。當探針通過單個的原子，流過探針的電流量便有所不同，這些變化被記錄下來。電流在流過一個原子的時候有漲有落，如此便極其細致地探出它的輪廓。在許多的流通后，通過繪出電流量的波動，人們可以得到組成一個網格結構的單個原子的美麗圖片。

    工作模式

    恒電流模式

    利用一套電子反饋線路控制隧道電流 I ，使其保持恒定。再通過計算機系統控制針尖在樣品表面掃描，即是使針尖沿x、y兩個方向作二維運動。由于要控制隧道電流 I 不變，針尖與樣品表面之間的局域高度也會保持不變，因而針尖就會隨著樣品表面的高低起伏而作相同的起伏運動，高度的信息也就由此反映出來。這就是說，STM得到了樣品表面的三維立體信息。這種工作方式獲取圖象信息全面，顯微圖象質量高。

    恒高度模式

    在對樣品進行掃描過程中保持針尖的絕對高度不變；于是針尖與樣品表面的局域距離將發生變化，隧道電流I的大小也隨著發生變化；通過計算機記錄隧道電流的變化，并轉換成圖像信號顯示出來，即得到了STM顯微圖像。這種工作方式僅適用于樣品表面較平坦、且組成成分單一（如由同一種原子組成）的情形。從STM的工作原理可以看到：STM工作的特點是利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取顯微圖像，而不需要光源和透鏡。這正是得名“掃描隧道顯微鏡”的原因。

    免疫熒光細胞化學與熒光顯微鏡

    儀器簡介

    熒光顯微鏡（Fluorescence microscope） ：熒光顯微鏡是以紫外線為光源，用以照射被檢物體，使之發出熒光，然后在顯微鏡下觀察物體的形狀及其所在位置。熒光顯微鏡用于研究細胞內物質的吸收、運輸、化學物質的分布及定位等。細胞中有些物質，如葉綠素等，受紫外線照射后可發熒光；另有一些物質本身雖不能發熒光，但如果用熒光染料或熒光抗體染色后，經紫外線照射亦可發熒光，熒光顯微鏡就是對這類物質進行定性和定量研究的工具之一。

    中文名：熒光顯微鏡

    外文名：Fluorescence microscope

    光源：紫外線

    用于：研究細胞內物質的吸收、運輸等

    釋義：物質進行定性和定量研究工具之一

    注意事項：在暗室中檢查，按照說明書使用等

    鑒別方法

    熒光顯微鏡和普通顯微鏡有以下的區別：

    1.照明方式通常為落射式，即光源通過物鏡投射于樣品上；

    2.光源為紫外光，波長較短，分辨力高于普通顯微鏡；

    3.有兩個特殊的濾光片，光源前的用以濾除可見光，目鏡和物鏡之間的用于濾除紫外線，用以保護人眼。

    標本制作要求

    1、載玻片

    載玻片厚度應在0.8～1.2mm之間，太厚的坡片，一方面光吸收多，另一方面不能使激發光在標本上聚集。載玻片必須光潔，厚度均勻，無明顯自發熒光。有時需用石英玻璃載玻片。

    2、蓋玻片

    蓋玻片厚度在0.17mm左右，光潔。為了加強激發光，也可用于涉蓋玻片，這是一種特制的表面鍍有若干層對不同波長的光起到不同干涉作用的物質（如氟化鎂）的蓋玻片，它可以使熒光順利通過，而反射激發光，這種反射的激發光可激發標本。

    3、標本

    組織切片或其他標本不能太厚，若太厚激發光大部分消耗在標本下部，而物鏡直接觀察到的上部不充分激發。另外，細胞重疊或雜質掩蓋，影響判斷。

    4、封裱劑

    封裱劑常用甘油，必須無自發熒光，無色透明，熒光的亮度在pH8.5～9.5時較亮，不易很快褪去。

    5、鏡油

    一般暗視野熒光顯微鏡和用油鏡觀察標本時，必須使用鏡油，最好使用特制的無熒光鏡油，也可用上述甘油代替，液體石蠟也可用，只是折光率較低，對圖像質量略有影響。

    使用方法

    （1）打開燈源，超高壓汞燈要預熱15min才能達到最亮點。

    （2）透射式熒光顯微鏡需在光源與暗視野聚光器之間裝上所要求的激發濾片，在物鏡的后面裝上相應的壓制濾片。落射式熒光顯微鏡需在光路的插槽中插入所要求的激發濾片、雙色束分離器、壓制濾片的插塊。

    （3）用低倍鏡觀察，根據不同型號熒光顯微鏡的調節裝置，調整光源中心，使其位于整個照明光斑的中央。

    （4）放置標本片，調焦后即可觀察。使用中應注意：未裝濾光片不要用眼直接觀察，以免引起眼的損傷；用油鏡觀察標本時，必須用無熒光的特殊鏡油；高壓汞燈關閉后不能立即重新打開，需待汞燈完全冷卻后才能再啟動，否則會不穩定，影響汞燈壽命。

    （5）觀察。例如：在熒光顯微鏡下用藍紫光濾光片，觀察到經0.01%吖啶橙熒光染料染色的細胞，細胞核和細胞質被激發產生兩種不同顏色的熒光（暗綠色和橙紅色）。

    數碼顯微鏡

    儀器簡介

    視頻顯微鏡

    數碼顯微鏡又叫視頻顯微鏡，它是將顯微鏡看到的實物圖像通過數模轉換，使其成像在顯微鏡自帶的屏幕上或計算機上。數碼顯微鏡是將精銳的光學顯微鏡技術、先進的光電轉換技術、液晶屏幕技術完美地結合在一起而開發研制成功的一項高科技產品。從而，我們可以對微觀領域的研究從傳統的普通的雙眼觀察到通過顯示器上再現，從而提高了工作效率。

    儀器分類

    數碼顯微鏡根據數據顯示方式不同可分為兩大類：自帶屏幕數碼顯微鏡和采用計算機顯示的數碼顯微鏡。

    自帶屏幕數碼顯微鏡，又可分為三類，1.臺式數碼顯微鏡；2.便攜式數碼顯微鏡；3.無線數碼顯微鏡；臺式數碼顯微鏡的主要特點是放大倍率相對較高，可以與電子顯微鏡媲美；便攜式數碼顯微鏡追求的是隨處可顯微，講究小巧，其現市場上最具代表性的是3R推出的MSA200視頻顯微鏡；無線顯微鏡其應用的是2.4G無線傳輸，追求快捷方便，其現只有3R推出的一款WM401無線顯微鏡；

    采用計算機顯示的數碼顯微鏡通過顯微鏡內置的攝像機將顯微鏡看到的標本圖像傳輸到計算機上，通過計算機上安裝的顯微圖像分析軟件進行追蹤分析，從而獲得一系列有價值的定性定量數據。主要用于微生物鑒定、細胞形態檢查、尿液有形成份分析、纖維細度檢測等方面。具有全自動掃描、圖像分析功能強、拓展性強等諸多特點。

    儀器特點

    數碼顯微鏡在觀察物體時能產生正立的三維空間影像。立體感強，成像清晰和寬闊，又具有長工作距離，并是適用范圍非常廣泛的常規顯微鏡。它操作方便、直觀、檢定效率高，如3R的A200數碼顯微鏡其適用于電子工業生產線的檢驗、印刷線路板的檢定、印刷電路組件中出現的焊接缺陷（印刷錯位、塌邊等）的檢定、單板PC的檢定、真空熒光顯示屏VFD的檢定，也可對對印刷網格、字畫等的鑒定等等，它將實物的圖像放大后顯示在計算機的屏幕上，可以將圖片保存，放大，打印。配測量軟件可以測量各種數據。

    與普通顯微鏡區別

    數碼顯微鏡與普通顯微鏡之間的不同，有下面的六大區別：

    1.具有顯微攝像功能，把觀察到的顯微效果保存下來，形成圖文文件，可給相關部門互相傳閱；普通顯微鏡只能通過目鏡觀察，不能進行顯微攝像。

    2.與電腦相接，可以實現多人同時觀察；普通顯微鏡只能一人觀察。

    3.通過電腦屏幕預覽，可以減少眼睛疲勞；普通顯微鏡則需要每時每刻通過目鏡觀察，容易造成眼睛過度疲勞。

    4.數碼顯微鏡的成像裝置可以有測量，打印圖文報告，錄像等功能；普通顯微鏡只能單純的進行顯微觀察。

    5.數碼顯微鏡是現代科學儀器儀表發展的一個新時代，具有很多普通顯微鏡沒有的功能。它在科學研究、產品檢測、教學演示、考古等方面都有迅速的發展。

     【斷口賞析】你的韌窩沒有酒，我卻醉得像條狗！

    1、韌窩斷口簡介

    在微孔聚集型斷裂的斷口上，覆蓋著大量顯微微坑，稱為 “韌窩”。韌窩是金屬塑性斷裂的主要微觀特征。它是材料在微區范圍內塑性變形產生的顯微空洞，經形核、長大、聚集最后相互連接而導致斷裂后，在斷口表面上所留下的痕跡。

    韌窩的形狀主要由所受的應力狀態所決定，一般可以出現三種不同形狀的韌窩花樣：正交韌窩、剪切韌窩、撕裂韌窩。

    韌窩的大小包括平均直徑和深度，用韌窩寬度和深度來度量。影響韌窩大小的主要因素從材料方面講為第二相的大小、密度、基體的塑性變形能力、形變硬化指數等，從外界條件講與應力大小和加載速率有關。一般在斷裂條件相同時，韌窩尺寸越大，表示材料的塑性越好。

    2、韌窩斷口賞析

    圖為TC4（Ti-6Al-4v）鈦合金在500℃和700℃的高溫拉伸斷口形貌，在500℃時斷口中的韌窩為普通的形貌特征，然而在700℃測試試樣的斷口出現了大量顆粒狀的形貌特征。700℃時斷口中顆粒形貌特征產生的可能原因：鈦合金出現明顯氧化的溫度在600℃左右，這也是限制鈦合金應用溫度不能超過600溫度的主要因素之一。TC4實際應用在400℃以下，但是要研究超塑性或做超塑性成形，總是要超過600℃的。700℃拉伸斷口總要考慮氧化因素了。（來源：小木蟲）

    DP780雙相鋼不同應變速率下的拉伸斷口形貌（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。較低應變速率（0.001~0.067/s）條件下，韌窩在塑性變形階段得到充分長大，形成大量韌窩；隨應變速率增加，斷口韌窩未見明顯變化。當應變速率>1/s時，斷口韌窩越來越不均勻，韌窩尺寸差別較大，大尺寸韌窩深度亦明顯增加，斷口起伏程度增大；還能觀察到越來越多的孔洞。（來源：Li S, et al. J Mater Eng Perform. 2015（24）：2426-2434.）

    DP600/DP980異種金屬激光焊后的拉伸斷口形貌，拉伸速率1×10?2 s?1, （a）斷口中心區域，（b）接近試樣表面的斷口。（來源：Farabi N, et al. J Alloy Compd. 2011（509）：982-989.）

    AZ31B 鎂合金在應變速率1×10-3s-1不同變形溫度下的斷口形貌。a）100 ℃；b）200 ℃；c）300 ℃。可以看出， 在較低的變形溫度100 ℃時， 韌窩很淺， 也很少。隨著溫度的升高， 到200 ℃時， 斷口出現了大量韌窩， 且韌窩明顯加深， 韌窩周圍存在著非常明顯的較薄的撕裂棱， 表現出非常典型的韌窩聚合型延性斷裂的特征。在變形溫度到300 ℃時， 沿晶斷裂的特征很明顯， 且晶界滑移引起的晶間微小空洞連接成較大的空洞而導致斷裂的發生。這說明， 由于鎂合金的密排六方晶體結構， 在較低的溫度時， 其變形主要受位錯運動控制， 隨著溫度升高， 原子擴散能力增強， 受擴散控制的晶界滑移逐漸取代了位錯運動， 并開始主導AZ31B 鎂合金的變形過程。（來源：楊東峰等，塑性工程學報，2011,2（18）：76-80）

    T6 狀態下時效不同時間AA2024 合金樣品斷口的較低倍和較高倍SEM 像：（a）（b）欠時效5 h；（c）（d）峰值時效18 h；（e）（f）過時效48 h。可見斷裂機制為混合型，隨時效狀態不同，各種機制存在競爭關系。欠時效狀態下斷口形貌主要由沿晶界的粗大棱條狀裂紋、穿晶的韌性剪切撕裂紋以及粗大第二相（約10 μm）脆斷形成的韌窩構成，并以前兩種特征最多。峰值時效狀態下的斷口形貌主要由沿晶界的粗大裂紋和粗大第二相脆斷孔坑構成，并以前一種特征為最多。同樣的，這些粗大的裂紋被成片的韌窩連接起來。韌窩的尺寸和內部結構與欠時效狀態樣品情況幾乎相同。過時效狀態下，合金的斷口形貌與其它狀態相比有較大不同，主要由粗大第二相脆斷形成的孔坑、成片的韌窩及少量沿晶斷裂特征構成。韌窩數量明顯增多但深度較淺，小韌窩尺寸也有所減小，平均為0.5 μm，同時，密度增加。韌窩數量和密度的增加，說明了裂紋源的增加有利于降低樣品斷裂前所需消耗的塑性變形能，增加裂紋擴展速度，從而得到較低的UPE 值。（來源：尹美杰等，中國有色金屬學報，2015,25（12）：3271-3281）

    X90管線鋼母材和焊縫試樣在空氣中的拉伸斷口形貌。可以看出，母材試樣的頸縮現象較焊縫試樣的更為明顯，前者的拉伸斷口上呈現大而深的等軸韌窩，而后者斷口上則是微孔洞與小韌窩相間而生，斷口存在蛇形滑移特征，表現為典型的韌窩微孔型韌性斷裂特征。這是由于材料內部存在的位錯在拉伸過程中于晶界、相界和缺陷等處形成位錯塞積群，在應力集中處誘發微孔洞萌生和長大，從而導致發生縮頸和斷裂。（來源：楊寶等，機械工程材料，2016,40（3）：78-81）

    設計了兩種不同氮含量（0.75，0.213wt%）的低鎳不銹鋼。圖（ b,d） 為兩試驗鋼的宏觀斷口形貌，可見斷口均由纖維區、放射區、剪切唇3 個區組成。圖（ a,c） 為兩試驗鋼沖擊斷口SEM 形貌，試驗鋼的斷口形貌都為等軸韌窩，斷裂方式為韌性斷裂。低氮含量試驗鋼的韌窩直徑較小、相對較深，高氮含量試驗鋼的韌窩則分布比較均勻。還可以看到分散的孔洞，這由沖擊過程中的撕裂產生。（來源：徐桂芳，金屬熱處理，2014,39（9）：92-95）

    最后來一張大自然的杰作！被海水侵蝕的巖石形貌如同韌性材料斷口的韌窩。（來源：科學網徐堅的博文）

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