人類智慧促使著科技不斷發(fā)展，從而開始了我們對(duì)于現(xiàn)存空間的無(wú)限探索。

大到宇宙蒼穹，小到微觀世界，我們沉醉于浩瀚星河的磅礴壯闊，也癡迷于微觀材料世界的奇妙引力。

 

（圖片來(lái)源：圖行天下）	（圖片作者：寧玫）

 

沒有什么能阻擋我們探秘的步伐，今天，我們就借用掃描電子顯微鏡來(lái)走進(jìn)材料的微觀領(lǐng)域，感受科學(xué)技術(shù)的力量！

我們首先一起來(lái)簡(jiǎn)單了解一下，什么是掃描電子顯微鏡？它是憑借什么優(yōu)勢(shì)來(lái)帶領(lǐng)我們探秘微觀世界的！

 

掃描電子顯微鏡

掃描電鏡（Scanning Electron Microscope ,簡(jiǎn)稱SEM)利用電子束打在樣品表面逐點(diǎn)掃描，與樣品作用產(chǎn)生各種信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)檢測(cè)器接收、放大并轉(zhuǎn)換成調(diào)制信號(hào)，最后在顯示屏上反映樣品表面各種特征的像，且有強(qiáng)烈的立體感。

 

掃描電子顯微鏡的原理①

掃描電子顯微鏡是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，濃縮了電子光學(xué)技術(shù)、真空技術(shù)、精細(xì)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

 

SEM工作圖

 

掃描電子顯微鏡是在加速高壓作用下將電子槍發(fā)射的電子經(jīng)過(guò)多級(jí)電磁透鏡匯集成細(xì)小的電子束。

 

電子發(fā)射圖  

 

二次電子探測(cè)圖

 

背散射電子探測(cè)圖

 

EBSD成像過(guò)程

以上動(dòng)圖來(lái)源：材料測(cè)試

在試樣表面進(jìn)行掃描，激發(fā)出各種信息，通過(guò)對(duì)這些信息的接收、放大和顯示成像,以便對(duì)試樣表面進(jìn)行分析。

 

掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)②

 

SEM 的結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu): SEM 主要包括電子光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、顯示部件和真空系統(tǒng)組成。

電子光學(xué)系統(tǒng)：主要包括電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室。

電子系統(tǒng)：主要包括電源系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。電源系統(tǒng)主要是指各種部件的電源，如加速電壓電源、透鏡電源和光電倍增管電源等。檢測(cè)系統(tǒng)主要由探測(cè)器、信號(hào)放大器和電信號(hào)處理器組成。

顯示部件：主要是顯像管，將經(jīng)處理后的信號(hào)通過(guò)顯像管轉(zhuǎn)換成圖像顯示。

真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)為電子光學(xué)系統(tǒng)提供必需的高真空，保證了電子束的正常掃描，還可以防止樣品受到污染。

 

掃描電子顯微鏡的特點(diǎn)

1. 有較高的放大倍數(shù)，20倍-20萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)；

2. 有很大的景深，視野大，圖像的分辨率高，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，還能獲得與形貌相對(duì)應(yīng)的多方面的信息；

3. 對(duì)于導(dǎo)電材料，可直接放入樣品室進(jìn)行分析，對(duì)于導(dǎo)電性差或絕緣的樣品則需要噴鍍導(dǎo)電層；

4. 制樣簡(jiǎn)單，能夠直接觀察大尺寸試樣的原始表面，同時(shí)輻照對(duì)樣品表面的污染小；

5. 在不犧牲掃描電子顯微鏡特性的情況下擴(kuò)充附加功能，如與EDS聯(lián)用，可對(duì)材料的成分進(jìn)行分析。

 

在我們對(duì)SEM有了一個(gè)稍細(xì)致的了解之后，接下來(lái)就著重進(jìn)入其在微觀材料領(lǐng)域的應(yīng)用，看看能為我們呈現(xiàn)哪些極富價(jià)值的景觀！

 

美信檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室對(duì)于掃描電子顯微鏡技術(shù)應(yīng)用于材料及零部件檢測(cè)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)：

對(duì)于金屬材料的分析方面，涉及金屬材料斷裂失效分析、金屬材料的表面缺陷分析、金屬材料的微區(qū)化學(xué)成分分析等；

對(duì)于非金屬材料而言，涉及材料納米級(jí)尺寸檢測(cè)、材料的表面形貌觀察與測(cè)量、涂鍍層表面形貌分析與鍍層厚度測(cè)量、材料的微區(qū)化學(xué)成分分析等。下面，我們一一來(lái)展示這些應(yīng)用：

 

一、掃描電子顯微鏡在金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）金屬材料斷裂失效分析。常見以磨損、腐蝕、斷裂、變形等失效形式存在。通過(guò)對(duì)斷口微觀形貌的觀察，根據(jù)脆性斷裂及韌性斷裂機(jī)理，結(jié)合材料受力狀態(tài)分析，找出失效根源。

 

 

（2）金屬材料的表面缺陷分析。常見缺陷以起泡、翹皮、裂紋等形式存在。利用掃描電子顯微鏡對(duì)金屬表面或界面的薄層進(jìn)行組分、結(jié)構(gòu)和能態(tài)等分析，揭示金屬材料及其制品的表面形貌、成分、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)。

 

（3）金屬材料的微區(qū)化學(xué)成分分析。分析表面形貌及微區(qū)成分，為失效機(jī)理推斷提供定性定量依據(jù)。

判定合金中析出相或固溶體的組成、測(cè)定金屬及合金中各種元素的偏析、研究電鍍等工藝過(guò)程形成的異種金屬的結(jié)合狀態(tài)、研究摩擦和磨損過(guò)程中的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及失效件表面的析出物或腐蝕產(chǎn)物的鑒別等。

 

二、掃描電子顯微鏡在非金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）材料的表面形貌觀察

通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察材料表面形貌，為研究樣品形態(tài)結(jié)構(gòu)提供了便利，有助于監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，改善工藝。

觀察的主要內(nèi)容是分析材料的幾何形貌、材料的顆粒度及顆粒度的分布、物相的結(jié)構(gòu)等。

 

 

（2）涂鍍層表面形貌分析與鍍層厚度測(cè)量

♦涂鍍層表面形貌分析

常見涂鍍層失效現(xiàn)象有：褪色、圖案模糊、表面磨損、腐蝕等，通過(guò)對(duì)涂層表面形貌的觀察與分析，可以有效的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行管控。材料剖面的特征 、零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及損傷的形貌，都可借助掃描電子顯微鏡來(lái)判斷和分析。

 

♦涂鍍層厚度測(cè)量

涂鍍層厚度直接影響了零件或產(chǎn)品的耐腐蝕性、裝飾效果、導(dǎo)電性、產(chǎn)品的可靠性和使用壽命，因此，鍍層厚度在產(chǎn)品質(zhì)量、過(guò)程控制、成本控制中都發(fā)揮著重要作用。使用掃描電子顯微鏡能精確測(cè)量材料鍍層厚度，且成像清晰。

 

 

（3）材料的微區(qū)化學(xué)成分分析

分析過(guò)程中，獲得形貌放大像后,往往希望能同時(shí)進(jìn)行原位化學(xué)成分或晶體結(jié)構(gòu)分析,提供包括形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向在內(nèi)的更多信息,以便能更全面、客觀地進(jìn)行判斷分析。

為此,相繼出現(xiàn)了掃描電子顯微鏡——電子探針多種分析功能的組合型儀器，如常與EDS(X射線能譜儀)聯(lián)用，對(duì)材料進(jìn)行定性半定量分析。

 

（4）掃描電子顯微鏡分辨率可達(dá)納米級(jí)別，可對(duì)納米材料進(jìn)行觀察。

納米材料的一切獨(dú)特性能主要源于它的超微尺寸,通過(guò)使用高分辨率的SEM對(duì)納米級(jí)材料進(jìn)行形貌觀察和尺寸檢測(cè)，對(duì)納米材料的研究及應(yīng)用起到了基礎(chǔ)性的作用。

 

三、掃描電子顯微鏡的實(shí)際應(yīng)用案例展示

（1）某PCB板，需要對(duì)指定位置的IMC層厚度進(jìn)行測(cè)量，得到如下結(jié)果。

 

 

（2）對(duì)某LED芯片進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察。

 

 

（3）使用 SEM+EDS對(duì)某軸斷裂位置進(jìn)行觀察。

 

SEM觀察到的圖示：

 

 

得到EDS測(cè)試譜圖：

 

 

得到其定性半定量分析結(jié)果，進(jìn)而為失效原因分析提供微區(qū)化學(xué)方面的依據(jù)。

 

（4）某車用塑料零件出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，使用SEM觀察斷口情況。

 

 

由此，我們看到了掃描電子顯微鏡（SEM）在材料的微觀領(lǐng)域的諸多應(yīng)用，其應(yīng)用涉及的行業(yè)領(lǐng)域十分廣泛，如材料、電子、航空、汽車地學(xué)、冶金、機(jī)械加工、半導(dǎo)體制造、陶瓷品等。美信檢測(cè)作為專業(yè)的第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，在SEM相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目方面擁有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同的產(chǎn)品和客戶需求，采用不同的材料分析方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，幫助企業(yè)監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，維護(hù)產(chǎn)品品質(zhì)！

 

參考文獻(xiàn)：

①1007-2853(2007)02-0081-04《掃描電子顯微鏡及其在材料科學(xué)中的應(yīng)用》朱琳

②1001－9677( 2012) 19－0028－03《掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及對(duì)樣品的制備》王醒東，林中山等

③1672-3791(2007)05(c)-0005-02《掃描電子顯微鏡在非金屬材料分析中的》王蕾，張靜等

④《現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備》2010第1期總第194 期《掃描電鏡對(duì)金屬材料失效及表面缺陷的研究》曹鵬，孫黎波等

 

*** 以上內(nèi)容均為原創(chuàng)，如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處 ***

 

簡(jiǎn)介

MTT（美信檢測(cè)）是一家從事材料及零部件品質(zhì)檢驗(yàn)、鑒定、認(rèn)證及失效分析服務(wù)的第三方實(shí)驗(yàn)室，網(wǎng)址：www.czyx888.com，聯(lián)系電話：400-850-4050。