www.chomikuj.pl/MarWag987
B
B
U
U
D
D
O
O
W
W
A
A
I
I
Z
Z
A
A
S
S
A
A
D
D
A
A
D
D
Z
Z
I
I
A
A
Ł
Ł
A
A
N
N
I
I
A
A
S
S
K
K
A
A
N
N
I
I
N
N
G
G
O
O
W
W
E
E
G
G
O
O
M
M
I
I
K
K
R
R
O
O
S
S
K
K
O
O
P
P
U
U
E
E
L
L
E
E
K
K
T
T
R
R
O
O
N
N
O
O
W
W
E
E
G
G
O
O
Budowa skaningowego mikroskopu
1. działo elektronowe
2. kabel wysokiego napi
ę
cia
3. odprowadzania do układu pró
ż
niowego
4. cewki centruj
ą
ce wi
ą
zk
ę
5. kondensor I
6. kondensor II
7. przysłona
8. zawór pneumatyczny
9. cewki odchylaj
ą
ce wi
ą
zk
ę
10.ko
ń
cowa soczewka skupiaj
ą
ca
11.stygmator
12.detektor elektronów wtórnych
13.detektor elektronów wstecznie rozproszonych
14.stolik goniometryczny z próbk
ą
15.miejsce do monta
ż
u spektrometru długo
ś
ci
fal promieniowania rentgenowskiego
16.komora próbki
17.wst
ę
pna
ś
luza ci
ś
nieniowa
Zalety
•
badana próbk
ę
mo
ż
na ogl
ą
da
ć
bez specjalnego przygotowania
• nie jest istotna grubo
ść
badanej próbki
• du
ż
a gł
ę
bia ostro
ś
ci
• szybkie uzyskanie wyników
• Odporno
ść
na warunki pró
ż
niowe
• zdolno
ść
ogl
ą
dania całego przełomu przy małych powi
ę
kszeniach
www.chomikuj.pl/MarWag987
Skaningowa mikroskopia elektronowa
Mikroskop skaningowy składa si
ę
z:
działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wi
ą
zka elektronów,
kolumny, w której nast
ę
puje przyspieszanie i ogniskowanie wi
ą
zki
elektronów,
komory próbki, gdzie ma miejsce interakcja elektronów wi
ą
zki z próbk
ą
,
zestawu detektorów odbieraj
ą
cych ró
ż
ne sygnały emitowane przez próbk
ę
systemu przetwarzania sygnałów na obraz.
Jest kilka rodzajów dział elektronowych:
wolframowe,
LaB6 (lanthanum hexaboride)
działa z emisj
ą
polow
ą
.
Detektor jest urz
ą
dzeniem słu
żą
cym do zamiany sygnału na łatwiejsz
ą
do obserwacji lub u
ż
ycia np.
detektor cz
ą
stek elementarnych, detektor ruchu. Zbudowany jest zwykle z kilku liczników
scyntylacyjnych poł
ą
czonych z układem elektronicznym, który zawiera prosty układ wyzwalania
cało
ś
ci i przetworniki czasu i amplitudy sygnałów na kody cyfrowe.[9]
Mikroskop skaningowy jest mikroskopem elektronowym przystosowanym do analizowania silnie
rozwini
ę
tych powierzchni. Obecnie jest on instrumentem szeroko rozpowszechnionym, stanowi
ą
cym
podstawowe wyposa
ż
enie laboratoriów badawczych. Za pomoc
ą
mikroskopu skaningowego mo
ż
na
uzyska
ć
liczne informacje o składzie chemicznym, strukturze oraz rze
ź
bie obiektu bez skomplikowanej
preparatyki. Jego szczególn
ą
zaleta jest dobra zdolno
ść
rozdzielcza, co najmniej 15nm przy du
ż
ej
gł
ę
bi ostro
ś
ci, około 500 razy wi
ę
kszej ni
ż
w mikroskopach
ś
wietlnych. Te jego cechy pozwalaj
ą
na
odwzorowanie w du
ż
ym powi
ę
kszeniu szczegółów powierzchni badanych próbek, a wyposa
ż
enie go
dodatkowo w spektrometry rentgenowskie pozwala na przeprowadzenie analizy chemicznej
zauwa
ż
onych szczegółów lub uzyskanie rozkładu pierwiastków na badanej powierzchni.
Mikroskop skaningowy znalazł szerokie zastosowanie w materiałoznawstwie z powodu takich
charakterystyk jak:
du
ż
a gł
ę
bia ostro
ś
ci,
wysoka zdolno
ść
rozdzielcza,
du
ż
e powi
ę
kszenie
Szczególne znaczenie maj
ą
wyniki bada
ń
ciał stałych w zakresie morfologii powierzchni,
struktury i mechanizmów p
ę
kania.
W mikroskopii skaningowej mo
ż
na otrzyma
ć
obrazy o znacznie wi
ę
kszej gł
ę
bi ostro
ś
ci ni
ż
w
mikroskopii
ś
wietlnej. Gł
ę
bia ostro
ś
ci to zakres powy
ż
ej i poni
ż
ej płaszczyzny najlepszej ostro
ś
ci, w
którym utrzymana jest dobra jako
ść
obrazu. Przy wi
ę
kszej gł
ę
bi ostro
ś
ci mikroskop daje lepsze
odwzorowanie próbek trójwymiarowych. Obrazy uzyskiwane w mikroskopie skaningowym doskonał
ą
jako
ść
zawdzi
ę
czaj
ą
nie tylko bardzo dobrej rozdzielczo
ś
ci lecz równie
ż
du
ż
ej gł
ę
bi ostro
ś
ci. W
mikroskopie skaningowym nie ma bezpo
ś
redniej zale
ż
no
ś
ci gł
ę
bi ostro
ś
ci i powi
ę
kszenia.
Zdolno
ść
rozdzielcza zale
ż
y od
ś
rednicy wi
ą
zki elektronów skupionej na próbce oraz rodzaju
wybranego sygnału. Najwi
ę
ksz
ą
zdolno
ść
rozdzielcz
ą
zapewnia wykorzystanie elektronów wtórnych
do tworzenia obrazu, gdy
ż
ich obszar wzbudzenia jest porównywalny ze
ś
rednic
ą
wi
ą
zki.
Rozdzielczo
ść
jak
ą
mo
ż
na osi
ą
gn
ąć
wynosi ok. 5nm. Uzyskanie takiego wyniku wymaga
zastosowania odpowiednio du
ż
ych powi
ę
ksze
ń
oraz du
ż
ej liczby linii skanowania na obszarze
badanym i monitorze.
Powi
ę
kszenie w takim mikroskopie jest równe stosunkowi wymiaru boku ekranu do boku obszaru
omiatanego na próbce przez wi
ą
zk
ę
elektronów. Wielko
ść
obszaru skanowanego zale
ż
y z kolei od
nat
ęż
enia pr
ą
du w cewkach odchylaj
ą
cych, odległo
ś
ci próbki od ostatniej soczewki oraz napi
ę
cia
przyspieszaj
ą
cego elektrony. Uzyskiwane powi
ę
kszenia s
ą
około 10-105 razy.
www.chomikuj.pl/MarWag987
Bł
ę
dy układu elektronooptycznego
Wszystkie aberacje zale
żą
od rozmiaru przesłony. Wi
ę
kszo
ść
z nich powoduje rozmycie punktów
obrazu, jedynie dystorsja izotropowa i anizotropowa zniekształcaj
ą
obraz bez jednoczesnego
rozmycia.
Spo
ś
ród wymienionych bł
ę
dów obrazu główna rol
ę
w mikroskopii elektronowej wykazuj
ą
:
aberacja sferyczna,
aberacja chromatyczna,
bł
ą
d dyfrakcji,
astygmatyzm osiowy
i dystorsja
Aberacja sferyczna polega na tym,
ż
e poszczególne strefy soczewek posiadaj
ą
ró
ż
ne ogniska. Siła
łami
ą
ca soczewki elektronowej dla promieni bardziej odległych jest wi
ę
ksza niz dla bliskich osi.
Elektrony wpadaj
ą
ce w soczewk
ę
w obszarze zewn
ę
trznym wi
ą
zki przecinaj
ą
o
ś
wcze
ś
niej ni
ż
elektrony wchodz
ą
ce w obszarze wewn
ę
trznym, przyosiowym. Punkt przedmiotu na skutek aberacji
sferycznej nie jest odwzorowany punktem, lecz kr
ąż
kiem rozproszenia. W celu okre
ś
lenia tego koła
wyznacza si
ę
pocz
ą
tkowe nachylenie toru, które wychodzi z osi optycznej w płaszczy
ź
nie przedmiotu i
przechodzi przy brzegu otworu przysłony. Aberacja sferyczna ogranicza mo
ż
liwo
ś
ci wi
ę
kszo
ś
ci
przyrz
ą
dów elektronooptycznych i dlatego korekcja jej jest bardzo wa
ż
na. Jest ona najpowa
ż
niejsz
ą
wad
ą
obiektywów mikroskopów elektronowych. Dotychczas nie udało si
ę
zmniejszy
ć
aberacji
sferycznej soczewek z praktycznym rezultatem. Opublikowano kilka rozwi
ą
za
ń
soczewek, w których ta
wada została zmniejszona, jednak kosztem powa
ż
nego skomplikowania konstrukcji.
Aberacja chromatyczna jest wad
ą
układu optycznego, która polega na ogniskowaniu w ró
ż
nej
odległo
ś
ci
ś
wiatła o ró
ż
nej długo
ś
ci fali. Bł
ą
d w ogniskowaniu jest spowodowany ró
ż
nic
ą
w
ogniskowaniu soczewki dla
ś
wiatła fioletowego (ogniskowa jest krótsza) i dla
ś
wiatła czerwonego
(ogniskowa jest dłu
ż
sza). Soczewka na zewn
ę
trznych kraw
ę
dziach powoduje rozszczepienie
ś
wiatła
jak pryzmat.
Odległo
ść
ogniskowa f soczewek elektronowych jest funkcj
ą
energii elektronów
przewodz
ą
cych przez obszar soczewki. Rozrzut energii elektronów, który powoduje aberacj
ę
chromatyczn
ą
spowodowany jest naturalnym rozrzutem pr
ę
dko
ś
ci pocz
ą
tkowych elektronów oraz
wahaniami napi
ę
cia przyspieszaj
ą
cego. Aberacja ta mo
ż
e by
ć
równie
ż
wywołana przez wahania
pr
ą
dów soczewek magnetycznych oraz ró
ż
nymi stratami energii w przedmiocie.
Astygmatyzm osiowy powoduje najwi
ę
ksze zniekształcenie obrazu. W soczewkach elektronowych o
zachwianej symetrii obrotowej astygmatyzm wyst
ę
puje nawet dla punktów przedmiotu le
żą
cych na osi
soczewki. Zniekształca ona obraz w obszarze przyosiowym. Podczas odwzorowania punktu
przedmiotu le
żą
cego na osi za pomoc
ą
promieni przyosiowych, zakłócone pole powoduje i
ż
astygmatyczna wi
ą
zka promieni odwzorowuje punkt w kr
ąż
ek rozproszenia. Obraz rozdziela si
ę
jakby
na dwie linie ogniskowe wzajemnie prostopadłe i poło
ż
one w jednakowej odległo
ś
ci przed i za
płaszczyzn
ą
ogniskow
ą
. Astygmatyzm osiowy mo
ż
e by
ć
całkowicie usuni
ę
ty poprzez zastosowanie
słabych soczewek: stygmatorów, które kompensuj
ą
działanie zakłócaj
ą
cego pola. Stygmator pozwala
na zmian
ę
nat
ęż
enia i orientacji pola korekcyjnego dostosowuj
ą
c si
ę
do istniej
ą
cej deformacji pola
soczewki elektronowej.
W mikroskopie elektronowym zdolno
ść
rozdzielcza ograniczona jest bł
ę
dem dyfrakcji, który wynika z
falowych własno
ś
ci strumienia elektronów. Wi
ą
zka elektronów prze
ś
wietlaj
ą
c przedmiot zostaje na
jego punktach ugi
ę
ta. Promie
ń
kr
ąż
ka dyfrakcyjnego dany jest odległo
ś
ci
ą
pierwszego minimum
rozkładu g
ę
sto
ś
ci pr
ą
du na ekranie
ś
rodka symetrii tego rozkładu.
Bł
ą
d dyfrakcji nie jest mo
ż
liwy do skompensowania. Z falowooptycznego punktu widzenia nie
mo
ż
na ograniczy
ć
aberacji sferycznej od bł
ę
du dyfrakcji. Aberacja sferyczna wprowadza dodatkowe
przesuni
ę
cie fazowe w zewn
ę
trznych obszarach soczewki i wpływa w ten sposób na kr
ąż
ek
rozproszenia.
Dystorsja odgrywa zasadnicz
ą
rol
ę
w projektorze, nie narusza ostro
ś
ci obrazu, natomiast psuje jego
wierno
ść
. Dystorsja nie ogranicza zdolno
ś
ci rozdzielczej, poniewa
ż
nie psuje ostro
ś
ci, natomiast
zmienia b
ą
d
ź
przerysowuje obraz.
www.chomikuj.pl/MarWag987
Analiza ilo
ś
ciowa
Wielko
ść
pola powierzchni pod danym pikiem nat
ęż
enia, czyli liczba zarejestrowanych w nim
impulsów pochodz
ą
cych od danego składowego pierwiastka, pozwala wyliczy
ć
zawarto
ść
procentow
ą
z jak
ą
wyst
ę
puje ten pierwiastek w obszarze penetrowanym przez wi
ą
zk
ę
elektronow
ą
. Wyliczenie
zawarto
ś
ci procentowej pierwiastków w analizowanej obj
ę
to
ś
ci próbki przeprowadzane jest przez
program komputerowy, przy zastosowaniu procedury korekcyjnej typu ZAF. Pozwala to osi
ą
gn
ąć
dokładno
ść
pomiaru rz
ę
du 1% ilo
ś
ciowej zawarto
ś
ci danego pierwiastka wyst
ę
puj
ą
cego w badanej
próbce.
Analiza jako
ś
ciowa
Warto
ś
ci energii odpowiadaj
ą
ce liniom charakterystycznym badanego widma pozwalaj
ą
identyfikowa
ć
rodzaj pierwiastków, z których składa si
ę
próbka. Taka identyfikacja okre
ś
la jednoznacznie skład
pierwiastkowy badanego materiału. Proces ten nazywamy analiz
ą
jako
ś
ciow
ą
. Poni
ż
ej przedstawiono
widmo rentgenowskie wyemitowane z próbki stali nierdzewnej, na podstawie którego mo
ż
emy
powiedzie
ć
jakie pierwiastki tworz
ą
t
ę
próbk
ę
. W tym przypadku s
ą
to: w
ę
giel, krzem, chrom, mangan,
ż
elazo oraz nikiel.
Analiza punktowa
W przypadku bada
ń
materiałów niejednorodnych zachodzi potrzeba przeprowadzenia analizy składu
chemicznego w poszczególnych punktach obserwowanej powierzchni. W tym przypadku na obraz
topograficzny na
ł
o
ż
ona zosta
ł
a mapa chemiczna pierwiastk
ó
w wyst
ę
puj
ą
cych na badanej powierzchni,
w kt
ó
rej r
óż
nym kolorom przyporz
ą
dkowano poszczeg
ó
lne pierwiastki. Rozk
ł
ad kolor
ó
w wykazuje
zr
óż
nicowan
ą
pod wzgl
ę
dem chemicznym budow
ę
badanej powierzchni
Nast
ę
pnie na tak otrzymany obraz naniesiono punkty od 1 do 6, w których przeprowadzono ilo
ś
ciow
ą
analiz
ę
składu chemicznego. Poło
ż
enie punktów wybrano w oparciu o uwidocznione, dzi
ę
ki
zró
ż
nicowanym kolorom, obszary wyst
ę
powania odmiennych pierwiastków. Wyniki analizy ilo
ś
ciowej
w tabeli poni
ż
ej zawieraj
ą
procentowy skład wagowy przeliczonych stechiometrycznie pierwiastków na
proste tlenki tzw. minerały skałotwórcze wyst
ę
puj
ą
ce w badanych punktach powierzchni.[10]
Analiza liniowa
W przypadku materiałów wielowarstwowych przeprowadzana jest, po odpowiednim przygotowaniu
powierzchni przekroju, analiza liniowa w kierunku prostopadłym do uło
ż
enia tych warstw, czyli pomiar
koncentracji pierwiastków wzdłu
ż
tej linii.
Analiza liniowa umo
ż
liwia obserwacj
ę
zmian koncentracji wybranych pierwiastków wzdłu
ż
linii
o zadanej długo
ś
ci naniesionej na obraz topograficzny powierzchni przekroju badanej próbki. Skala
długo
ś
ci linii do analizy jest wydrukowana na obrazie
ź
ródłowym oraz
ś
ci
ś
le odwzorowana na osi
odci
ę
tych na wykresach z koncentracj
ą
poszczególnych pierwiastków. Ka
ż
dy z tych wykresów dotyczy
pojedynczego pierwiastka wybranego z podstawowego spektrum.
Nie pozwala ona okre
ś
li
ć
ilo
ś
ciowego składu chemicznego próbki, lecz jest bardzo wygodn
ą
metod
ą
dla obserwacji nawet małych zmian w st
ęż
eniu pierwiastków analizowanych w zadanym
kierunku.
Analiza planimetryczna
Analiza planimetryczna polega na okre
ś
leniu jak
ą
kolwiek metod
ą
powierzchni wszystkich ziarn fazy
α
(
∑
A
α
i) oraz odniesieniu jej do całkowitej powierzchni badanego obszaru A. I wtedy VV = AA
Praktycznie idzie wyznaczy
ć
powierzchni
ę
cz
ą
stek, np. metod
ą
wagow
ą
polegaj
ą
c
ą
na wyci
ę
ciu
obrysu wszystkich cz
ą
stek analizowanego składnika z fotografii oraz zwa
ż
eniu ich. Udział badanego
składnika b
ę
dzie równy stosunkowi ci
ęż
arów wyci
ę
tych powierzchni cz
ą
stek do całkowitej powierzchni
fotografii.
gdzie:
A
α
A
=
∑
A
α
i
A