應用掃描電鏡和X射線能譜儀研究鈦酸鋇

李建梅

(蚌埠玻璃工業設計研究院,蚌埠 233018)

應用掃描電鏡和X射線能譜儀研究鈦酸鋇

李建梅

(蚌埠玻璃工業設計研究院,蚌埠 233018)

該文使用發射掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀對鈦酸鋇進行表征。針對鈦酸鋇的材料特性和工作目標,采用了多種測試工作條件,通過其結果對比,找到了對鈦酸鋇進行形貌觀察的最佳條件,并分析了其成分。

掃描電鏡; X射線能譜儀; 鈦酸鋇

隨著科學技術的飛速發展,掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線能譜儀(EDS)已經成為表征固體物質的重要手段,用于樣品表面形貌顯微分析的同時還可以進行樣品常規成分的微區分析。由于這些功能,使得在材料科學、化工、醫學、生物學以及其他領域中得到越來越廣泛的應用。與其他分析方法相比,掃描電子顯微鏡能夠直接觀察大尺寸樣品的原始表面,觀察的視場大、圖像景深大、立體感強、樣品用量少,對樣品也基本沒有損傷,而且X射線能譜儀圖像與SEM圖像聯動、分析樣品速度快、微區定量分析相對準確。

鈦酸鋇是制造電子陶瓷的主要原料,由于其在電子陶瓷材料領域的基礎性地位,又被稱為“電子陶瓷工業的支柱”。作為一種鐵電材料,鈦酸鋇具有高介電常數和低介電損耗特點,具備優良的鐵電、壓電、耐壓和絕緣性能,被廣泛地應用于制造陶瓷敏感元件,尤其是正溫度系數熱敏電阻器(PTC)、MLCC、熱電元件、壓電陶瓷、聲納、電光顯示板、記憶材料、聚合物基復合材料以及涂層等。

高純度、納米級的鈦酸鋇已逐漸成為市場需求的主流產品。高純度可在一定程度上保證下游產品質量的可靠和穩定。納米化的意義則在于,納米級粉體燒結后可形成質地更緊密、粒徑分布更均勻的燒結體,從而提高陶瓷的韌度和強度。此外,納米粉體的燒結溫度較低,有利于節約能源、降低生產成本。

鈦酸鋇的制備方法包括固相法和液相法。該文所采用的鈦酸鋇是液相法中的水熱法,其優點是直接從溶液中得到納米粉體,不需要高溫煅燒和球磨工藝,避免了產生硬團聚。同時,由于工藝簡單,在一個反應釜中進行全過程,防止外來雜質混入,可保持產品很高的純度。

該文對影響鈦酸鋇的SEM成像主要因素進行了系統分析,并用X射線能譜儀對鈦酸鋇進行測定,并計算其相對百分比,分析它的微觀結構組成。

1 實 驗

1)儀器 NanoSEM450型掃描電子顯微鏡,美國FEI公司;108C全自動高真空熱蒸鍍鍍碳儀,英國Cresstington公司;X-Max型大面積電制冷能譜儀,英國牛津儀器公司。

2)樣品的制備 由于鈦酸鋇粉末是不導電樣品,如果直接用掃描電鏡觀察樣品,其放電現象嚴重,因此需要在樣品表面鍍一層導電膜,提高樣品的導電性能才能用電鏡觀察形貌。把樣品放在鍍膜儀里,鍍上一層碳膜;也可以將樣品放入溶液內分散,將溶液滴到導電膠上,烘干樣品后再鍍碳膜。由于場發射掃描電鏡的分辨率較高,因此要嚴格控制鍍膜的厚度。

在樣品制備的時候需要注意保持樣品自然的形貌狀態,不要擠壓樣品。由于鈦酸鋇樣品顆粒直徑較小,大約100 nm左右,因此可以把樣品放入溶劑中用超聲波分散,可得到較為分散的樣品圖像。

2 結果與討論

2.1 鍍膜方法的研究

由于鈦酸鋇是不導電樣品,如果不鍍膜,在掃描電鏡的高能電子束的作用下會產生電荷積累,影響入射電子束斑和樣品發射的二次電子運動軌跡,樣品放電現象嚴重,圖像質量很差。圖1(a)和圖1(b)就很明顯的反映出鈦酸鋇鍍膜的效果。

實驗使用的鍍碳儀以高純度碳棒為濺射材料,我們研究了濺射時間、電流控制與鍍金膜厚度的關系。實驗條件:離子濺射儀工作距離為50 mm,真空度0.05 mbar,電流控制10 m A。不同濺射時間下鍍膜的厚度對圖像質量有影響,掃描電鏡操作參數相同,相對應的掃描電鏡圖片如圖2所示。由圖2可知,鍍膜30 s后的電鏡圖中樣品顆粒有些模糊,表面結構不是很清楚;鍍膜1 min和2 min的電鏡圖中樣品顆粒都比較清楚,效果差不多。因此,鍍膜時間選擇1 min即可。

下面討論不同制樣方法的影響:

制樣方法1:將導電膠粘貼在樣品臺上,將鈦酸鋇粉末均勻的撒在導電膠上,用洗耳球吹走未黏住和黏得不牢的粉末,避免有粉末被吸入儀器內,最后對樣品進行噴金鍍膜處理。制樣方法2:將樣品分散到濃度為1%～2%的乙醇溶液中,超聲分散10 min后,將溶液直接滴到導電膠上,烘干后鍍膜處理,見圖3。由圖3可知,采用方法1制樣得到的電鏡圖樣品顆粒團聚現象比較嚴重,而方法2制樣得到的電鏡圖中樣品顆粒比較分散,但樣品的表面結構沒有方法1制樣的清晰,因此選用方法1制樣效果更好。

2.2 加速電壓對SEM圖像質量的影響

抑制控制指注意力集中于相關的信息并加工過程，同時抑制無關的信息和過程，是執行功能的核心成分之一。常用Stroop測驗、Go/Nogo任務反映執行功能抑制性控制的測驗。Simonsen等[20]的研究中顯示,雙相Ⅰ型和雙相Ⅱ型均存在抑制控制，且雙相Ⅰ型損害更嚴重；而Gruber等[21]研究緩解期的雙相抑郁和雙相躁狂的抑制控制均有改善，且前者改善較顯著。

針對鈦酸鋇粉末樣品的特性,在工作距離為5 mm條件下,分別采用3 k V、5 k V、10 k V、15 k V的加速電壓,對樣品同一位置的形貌進行圖像采集。獲得樣品的SEM圖像分別如圖4所示。

由圖4可以看出,調整加速電壓是得到質量較高圖像的重要方法,對鈦酸鋇粉末樣品進行表面形貌觀察宜使用較高的加速電壓。

2.3 工作距離對SEM圖像質量的影響

為優化圖像質量,確定加速電壓不變,調整工作距離,觀察樣品成像變化,見圖5。在其他條件不變的情況下,隨著工作距離的減小,成像分辨率提高,樣品顆粒表面信息越豐富,圖像越清晰。

2.4 減速功能對SEM圖像質量的影響

對于有些樣品,使用減速功能可降低表面電荷,有利于樣品的觀察。在觀測鈦酸鋇樣品時使用減速功能,加速電壓為5 k V,著陸電壓2 k V。圖6(a)和圖6(b)顯示有無使用減速功能的SEM圖像。

比較其他條件相同的兩張圖片可以看出,使用了減速功能,并沒有獲得樣品表面更為豐富的形貌細節,圖像立體感也沒有更強,反而圖像的效果變差,說明觀測鈦酸鋇樣品并不適合使用減速功能。

樣品為100 nm左右的細小顆粒,對樣品進行能譜分析,所得圖像與分析結果見圖7、表1。根據結果可知Ba/Ti約等于100%。

3 結 語

如果樣品導電性能差,要獲得好的掃描電鏡圖像必須先進行鍍膜處理,然后才能進行電鏡拍攝,鍍膜條件的改變也會得到不同的電鏡圖片。樣品自身性質,如形態、分散程度對成像質量影響較大,制樣方法不同,得到的形貌圖像也會有所不同。掃描電鏡的實驗條件,如加速電壓、工作距離等也對圖像質量有一定的影響。因此,要根據樣品的特點和研究目的選用合適的制樣方法和實驗條件。

該文采用的能譜分析技術為研究鈦酸鋇樣品化學組成提供了新的手段,其結果不僅能反映樣品的主要組成元素,而且還能很好地顯示主要組成元素的分布。該實驗說明掃描電子顯微鏡加X射線能譜儀是粉末樣品化學成分分析的重要技術之一。同時,掃描電子顯微鏡的樣品制備簡單,放大倍率連續可調、景深大、分辨本領高,是觀察樣品表面的有效工具。掃描電鏡配有X射線能譜儀,可在觀察形貌同時進行微小區域的成分分析,提高了分析效率。

[1] 李劍平.掃描電子顯微鏡對樣品的要求及樣品的制備[J].分析測試技術與儀器,2007,16(1):74-77.

[2] 樸玲鈺,常懷秋,劉軍濤,等.二氧化硅微球的掃描電鏡測長及形貌觀察條件[J].電子顯微學報,2008,27(5):384-389.

[3] 王玉平,朱寶龍,陳 強.軟粘土掃描電鏡和能譜分析試驗[J].西華大學學報:自然科學版,2010,29(5):63-65.

[4] 鐘宇紅,房春生,邱立民,等.掃描電鏡分析在大氣顆粒物源解析中的應用[J].吉林大學學報:地球科學版,2008,53(3): 473-478.

[5] 王英姿.掃描電鏡在無機非金屬材料研究中的應用[J].山東建材,2000,18(1):11-13.

[6] 羅 潔,莊峙廈,鄢慶枇,等.應用掃描電鏡研究反相膠束法合成介孔二氧化硅微球[J].廈門大學學報:自然科學版, 2009,79(1):73-78.

[7] 楊飛宇,燕青芝,葛昌純.鈦酸鋇粉體制備過程中鈦和鋇的化學分析方法研究[J].冶金分析,2003,24(5):47-49.

Application Analysis of Barium Titanate by Scanning Electron Microscope and Energy Dispersive X-ray Spectrometer

LI Jiɑn-mei
(Bengbu Design&Research Institute for Glass Industry,Bengbu 233018,China)

In this article,barium titanate is characterized by scanning electron microscope and energy dispersive X-ray spectrometer.According to the characteristics of the material of barium titanate and working target,this article provides various test working conditions.By the results comparison,this article finds the best conditions of barium titanate observed and analyses its components.

scanning electron microscope; energy dispersive X-ray spectrometer;barium titanate

2014-06-07.

李建梅(1981-),工程師.E-mail:lijianmei@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.001