Laboratorium fizykochemii powierzchni
Sprawozdanie
Badanie składu chemicznego i struktury powierzchni ciał stałych metodą skaningowej mikroskopii elektronowej z przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia było zbadanie morfologii warstw powierzchniowych próbek katalizatorów kobaltowych osadzonych na nośniku - SiO2, kalcynowanych w różnych temperaturach, za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego z przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej.
Podstawa teoretyczna metody
Skaningowy mikroskop elektronowy umożliwia uzyskiwanie obrazów o wysokiej rozdzielczości i bardzo dużej głębi ostrości. Obserwacja obiektów możliwa jest dzięki oddziaływaniu wysokoenergetycznej wiązki elektronów z badaną powierzchnią. Energia elektronów wynosi zwykle 1-30 keV.
W wyniku oddziaływania wiązki elektronów z atomami badanej próbki zachodzą różne zjawiska fizykochemiczne, z których znaczenie dla omawianej metody mają:
powstawanie niskoenergetycznych elektronów wtórnych (SE)
powstawanie wysokoenergetycznych elektronów wstecznie rozproszonych (BSE)
powstawanie promieniowania rentgenowskiego
Powstające sygnały są analizowane za pomocą odpowiednich detektorów. Obraz morfologii próbki obserwować można dzięki detektorom wtórnych i wstecznie rozproszonych elektronów (SE i BSE) - mamy wówczas do czynienia z elektronową mikroskopią skaningową. Natomiast analizę składu pierwiastkowego powierzchni i mapowanie rozkładu pierwiastków na powierzchni umożliwia detektor promieniowania rentgenowskiego (EDS) - wtedy mamy do czynienia z mikroanalizą rentgenowską.
Pod wpływem wiązki elektronów próbki nieprzewodzące uzyskują ładunek ujemny, co uniemożliwia uzyskanie obrazu. Z tego powodu przez przystąpieniem do pomiaru muszą zostać napylone ultracienką warstwą materiału przewodzącego, którym jest najczęściej grafit lub metale takie jak złoto czy pallad.
Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego zależy głównie od wielkości plamki wiązki elektronowej na powierzchni próbki. Zdolność rozdzielcza ograniczana jest nie tylko przez dokładność wykonania układu (ograniczenie techniczne), ale również ograniczenie fizyczne wynikające z dyfrakcji fali de Broglie'a elektronów na badanych obiektach.
Technika elektronowej mikroskopii skaningowej znajduje zastosowanie głównie w badaniu powierzchni katalizatorów i adsorbentów, a także materiałów biologicznych, medycznych, polimerowych oraz stosowanych w elektronice. Stosowana aparatura pozwala na uzyskanie powiększenia do 500 tys. razy, zależnie jednak od rodzaju próbki. Umożliwia to np. badanie defektów struktury krystalicznej, wpływu budowy materiałów na ich właściwości, obserwację bakterii, czy nawet wirusów. Metoda stosowana jest również w kryminalistyce i stomatologii, a także do kontroli jakości produktów w przemyśle.
Wykonanie ćwiczenia
W niniejszym ćwiczeniu analizie poddano 3 próbki katalizatorów - 3% Co na nośniku SiO2, kalcynowane w 3 różnych temperaturach: 500ºC, 700ºC i 900ºC. Badane próbki wycięto i naklejono na specjalny krążek. Rozmieszczenie próbek na krążku narysowano schematycznie na kartce, aby umożliwić późniejszą ich identyfikację. Przed pomiarem próbki napylono węglem, aby zapobiec ładowaniu się ich w czasie badania.
Krążek z próbkami umieszczono w śluzie mikroskopu, a po wyrównaniu ciśnienia - na stoliku mikroskopu. Napięcie przyspieszające elektrony wynosiło 25 kV, a natężenie prądu w mikroskopie 7 μA. Kolejno dla każdej próbki ustalono kontrast i ostrość, po czym wykonano pomiary przy różnych powiększeniach, badając:
morfologię powierzchni
skład pierwiastkowy
rozkład wybranych pierwiastków na powierzchni
skład pierwiastkowy wybranych punktów powierzchni (dla próbki kalcynowanej w 900ºC)
Opracowanie wyników
Wnioski
2