掃描電子顯微鏡在材料測(cè)試與表征課程中的應(yīng)用探索

房俊卓,呂俊敏,羅 民

(寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750021)

電子顯微鏡(electron microscope,EM)根據(jù)成像方式不同分為透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)兩大類。電子顯微鏡以高速運(yùn)動(dòng)的電子束為光源,因此從儀器結(jié)構(gòu)、分辨率、放大倍數(shù)以及圖像特征方面,與光學(xué)顯微鏡(VLM)相比有著巨大的差異和優(yōu)勢(shì)[1]。

相對(duì)于透射電子顯微鏡,掃描電子顯微鏡具有價(jià)格較低廉、樣品制備過程較便捷、應(yīng)用領(lǐng)域更廣泛、操作更容易掌握、圖像直觀、易于解釋等優(yōu)勢(shì),因而廣泛應(yīng)用于材料、生物、化工、冶金、地質(zhì)、考古等領(lǐng)域,成為重要的分析測(cè)試儀器。SEM已成為最基本的教學(xué)和科研工具之一,越來越得到普及和重視。然而,大型儀器通常由專人管理,而儀器管理者又較少參與教學(xué)環(huán)節(jié),加之管理上缺失有效的激勵(lì)機(jī)制,嚴(yán)重影響了SEM在高校教學(xué)中的推廣應(yīng)用[2-6]。寧夏大學(xué)省部共建煤炭高效利用與綠色化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在與化學(xué)化工學(xué)院學(xué)科融合過程中,充分發(fā)揮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室大型儀器資源的優(yōu)勢(shì),在將SEM用于化工學(xué)院材料專業(yè)本科生課程教學(xué)過程中,探索出一條獨(dú)特的方法,取得了較好的教學(xué)效果。

1 SEM主要特點(diǎn)

SEM主要特點(diǎn)[7-9]如下：

(1) 分辨率高。SEM的高分辨率是其突出的優(yōu)勢(shì)。顯微鏡分辨率由瑞利(Rayleigh)公式表述:

(1)

其中，r0為分辨率；λ為光源的波長(zhǎng)；N為介質(zhì)的折射率；β為孔徑半角。

可見光源波長(zhǎng)越短分辨率值越小,越有利于分辨更小的細(xì)節(jié)。顯微鏡的極限分辨率約等于其光源波長(zhǎng)的一半。電子束波長(zhǎng)公式為

(2)

其中，U為電子槍加速電壓，λ為電子束波長(zhǎng)。

可知,電子槍的加速電壓U與其波長(zhǎng)λ負(fù)相關(guān)。對(duì)于電子顯微鏡來說,電子束在1 kV下的波長(zhǎng)為0.038 8 nm,理論上即可分辨小于0.02 nm的細(xì)節(jié),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VLM的極限分辨率(200 nm)。電子顯微鏡可用來觀察納米尺度的物體,而VLM則只能用來觀察亞微觀尺度的細(xì)節(jié)。

(2) 放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào)。電磁透鏡焦距的近似公式為

(3)

其中，f為焦距,K為常數(shù),U為透鏡電壓,I為透鏡電流,N為透鏡磁安匝數(shù)。

可知,當(dāng)提供給電磁透鏡的電壓或電流發(fā)生變化時(shí),電磁透鏡的焦距隨之變化。因此,電磁透鏡是一種變焦距(變倍率)的會(huì)聚透鏡,電子顯微鏡區(qū)別于可見光透鏡的顯著特點(diǎn)是放大倍數(shù)連續(xù)可調(diào),極大地方便于對(duì)樣品進(jìn)行瀏覽選區(qū),有利于尋找感興趣區(qū)域進(jìn)行觀察分析。

(3) 景深大。電子顯微鏡顯著的優(yōu)勢(shì)是景深大。所謂景深是指保持像平面上像清晰的前提下,試樣所在的物平面沿鏡軸可移動(dòng)的距離。顯微鏡景深Dob由下式表述：

(4)

其中，r0為儀器分辨率,α為透鏡的孔徑半角。

對(duì)于VLM,r0為0.2 μm,α最大可為1.22 rad(70°),因此VLM在放大1 000倍時(shí)的景深約為0.3 μm；而SEM的分辨率為0.2 μm時(shí),電磁透鏡的孔徑半角α可小至0.01 rad,此時(shí)SEM的景深可達(dá)10 μm。

2 SEM在材料測(cè)試與表征課程中的應(yīng)用

在高校材料分析技術(shù)課程教學(xué)中,電子顯微技術(shù)已經(jīng)成為其重要內(nèi)容之一,而對(duì)于材料專業(yè)的本科生來說,SEM分析方法無疑是重點(diǎn)學(xué)習(xí)和掌握的內(nèi)容[10-11]。我校材料測(cè)試與表征課程采用理論課和實(shí)驗(yàn)課分別進(jìn)行,先理論后實(shí)驗(yàn)的模式推進(jìn)。自2016年起,學(xué)院與重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行學(xué)科融合,組建了“寧夏大學(xué)‘化學(xué)工程與技術(shù)’國(guó)內(nèi)一流學(xué)科材料化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”。教學(xué)團(tuán)隊(duì)在“材料測(cè)試與表征”課程教學(xué)過程中,為了充分發(fā)揮重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SEM資源在教學(xué)環(huán)節(jié)中的重要作用,從理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面進(jìn)行了一些積極探索并取得了明顯效果。

2.1 SEM在理論課教學(xué)中的應(yīng)用

2.1.1 SEM的啟發(fā)激勵(lì)作用

電子顯微鏡技術(shù)的教學(xué)傳統(tǒng)上是遵循先理論后實(shí)踐的教學(xué)程序,即先進(jìn)行分辨率原理、電子光學(xué)原理、成像原理、像差原理等內(nèi)容的課堂教學(xué),再進(jìn)行儀器結(jié)構(gòu)、儀器工作原理、樣品制備技術(shù)和儀器操作等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是由淺入深、循序漸進(jìn),學(xué)生容易接受[10-11]。我們最初也采用這一教學(xué)模式。然而傳統(tǒng)教學(xué)思路的弊端也很突出,它拉長(zhǎng)了學(xué)生與儀器之間的距離,增加了儀器的神秘感,反而沖淡了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,降低了學(xué)生操作儀器的積極性,從而影響整體教學(xué)效果[8]。從2010年開始,我們對(duì)課程教學(xué)方法進(jìn)行了積極探索,嘗試了在理論課講授之前,先讓學(xué)生參觀大型儀器,演示SEM從樣品制備到放入樣品室,從開始抽真空到瀏覽形貌整個(gè)過程。2015年以來,刻意安排往屆已經(jīng)過培訓(xùn)合格的學(xué)生進(jìn)行操作演示,這不僅拉近了學(xué)生與學(xué)生、學(xué)生與儀器之間的距離,而且極大地提高了新生學(xué)習(xí)的興趣,增強(qiáng)了他們掌握儀器操作技能的信心,取得了很好的教學(xué)效果。

圖1是重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的掃描電子顯微鏡,其中KYKY2800B(見圖1(a))為鎢燈絲電鏡,主要用于教學(xué),對(duì)本科學(xué)生完全開放,初學(xué)者可以自主上機(jī)練習(xí),通過上機(jī)訓(xùn)練掌握SEM的基本操作技能,識(shí)別圖像上常見的一些現(xiàn)象(如荷電、像散)及其消除方法。EVO18(見圖1(b))是較新型的鎢燈絲電鏡,分辨率較高,對(duì)培訓(xùn)合格的本科生和研究生開放,主要用于完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和科研過程中樣品的自主測(cè)試。JSM7500F(見圖1(c))為場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡,主要用于演示教學(xué)和科研。這些儀器分為低、中、高三個(gè)層次,為開展引導(dǎo)式教學(xué)創(chuàng)造了極好的條件。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器(SEM)

2.1.2 SEM對(duì)理論教學(xué)的促進(jìn)作用

在電子顯微技術(shù)的理論教學(xué)中,許多知識(shí)點(diǎn)如像差理論、成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等既是重點(diǎn)又是難點(diǎn),原理比較抽象，學(xué)生不易掌握。為此，嘗試了通過SEM現(xiàn)象觀察促進(jìn)理論理解的教學(xué)方法,取得了較理想的效果。下面以像差和電子光源為例做具體說明。

根據(jù)分辨率原理,提高顯微鏡分辨率的有效途徑是降低光源的波長(zhǎng)。根據(jù)式(1)和式(2)可知,電子束在100 kV下的波長(zhǎng)為0.0037 nm,因此電子顯微鏡在100 kV下理論上即可分辨小于0.002 nm的細(xì)節(jié)。然而,目前普通鎢燈絲透射電鏡(TEM)在100 kV下的分辨率不足0.2 nm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論分辨率。其原因主要是源于像差的影響。

像差是因顯微鏡理論分辨率與實(shí)際分辨之間有差異。像差包括色差和幾何像差,幾何像差又分為球差和像散。目前,色差和球差分別可以通過引進(jìn)新型光源(如場(chǎng)發(fā)射)和球差校正器進(jìn)行消除,因此像散就成為影響儀器分辨率的主要因素,在SEM實(shí)際操作過程中會(huì)反復(fù)遇到。因此,掌握像散產(chǎn)生原理和消除技術(shù)是學(xué)好SEM的關(guān)鍵,而如何讓學(xué)生很好地理解像散理論則是理論課教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

為此，我們?cè)谙裆⒗碚摻虒W(xué)前先讓學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn),從SEM動(dòng)態(tài)圖像上識(shí)別像散的表現(xiàn)形式。如圖2所示,當(dāng)有像散存在時(shí),在過焦和欠焦?fàn)顟B(tài)下圖像表現(xiàn)出為互相垂直方向的變形(見圖2(a)和(b)),而在正焦?fàn)顟B(tài)下則得到不清晰的圖像(圖2(c))。此時(shí)啟用消像散器進(jìn)行消像散操作,像散消除后會(huì)得到滿意的圖像(圖2(d))。這樣的教學(xué)方法給學(xué)生留下了極為深刻的印象,使得抽象的理論變?yōu)橹庇^的現(xiàn)象,激發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步探索像散本質(zhì)的興趣。在此基礎(chǔ)上再做理論課講解,效果很好。

圖2 像散及其校正效果

在電子顯微鏡的各組成系統(tǒng)中,照明系統(tǒng)是關(guān)鍵的組成部分,其中電子光源是發(fā)射電子束的裝置,俗稱電子槍。電子槍是電子顯微鏡的核心部件,對(duì)電子顯微鏡的分辨率起重要作用。電子槍類型及其性能指標(biāo)如表1所示,其中鎢燈絲與場(chǎng)發(fā)射是最常用的兩種類型。如何讓學(xué)生掌握不同類型電子槍的性能,我們采取了理論教學(xué)與SEM圖像觀察相結(jié)合的方法。圖3中的(a)和(b)圖是同一樣品分別用鎢燈絲和場(chǎng)發(fā)射電鏡在相同放大倍數(shù)下得到的SEM照片,顯然場(chǎng)發(fā)射電鏡對(duì)樣品細(xì)節(jié)的分辨能力優(yōu)于鎢燈絲電鏡。然而,儀器的放大倍數(shù)和分辨率并不是越高越好,這是因?yàn)樵诟叻直婺Ｊ较?在樣品表面會(huì)清晰地顯示制樣過程中離子濺射留下的金屬顆粒(見圖3(c)),對(duì)樣品原始形貌產(chǎn)生干擾,反而不利于更好地反映樣品的原始形貌。因此在進(jìn)行分析測(cè)試時(shí),既要了解樣品的組成、導(dǎo)電性、形貌特征等信息,又要了解不同類型儀器的性能、分辨率、適用范圍等性能參數(shù),選擇合適的儀器進(jìn)行分析表征,才能達(dá)到理想的分析效果。

表1 電子槍類型及主要性能指標(biāo)

2.2 SEM在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

由于受儀器室場(chǎng)地限制,實(shí)驗(yàn)課采取小組授課的方式,每組6～8人。實(shí)驗(yàn)課分演示實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)3個(gè)階段,其中演示實(shí)驗(yàn)是為學(xué)生集中演示一些儀器的基本操作方法、樣品制備過程以及高端儀器(場(chǎng)發(fā)射SEM)的一些功能。由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師操作演示,學(xué)生觀模的方式進(jìn)行。操作實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)課的重要環(huán)節(jié),是整個(gè)實(shí)驗(yàn)課的重點(diǎn)。

2.2.1 SEM操作實(shí)驗(yàn)

操作實(shí)驗(yàn)是以掌握儀器操作技能為目的訓(xùn)練過程,要求學(xué)生逐一上機(jī)操作練習(xí),達(dá)到最終完全掌握SEM基本操作方法和能夠獨(dú)立上機(jī)的目的。SEM操作實(shí)驗(yàn)的核心是掌握獲得細(xì)節(jié)清晰、信息豐富、畫面美觀的SEM圖像的能力。通過SEM實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生必須全面達(dá)到以下環(huán)節(jié)的基本要求:

圖3 鎢燈絲與場(chǎng)發(fā)射SEM圖像效果對(duì)比

(1) 充分了解的儀器性能。不同光源類型的SEM分辨率不同,對(duì)樣品的適用范圍也有差異,測(cè)試程序不盡相同。比如要觀察納米尺度的樣品,就必須選擇場(chǎng)發(fā)射電鏡；如果要觀察含水樣品,必須使用環(huán)境掃描電鏡或具有低真空功能的電鏡進(jìn)行觀察。因此,分析樣品前需要對(duì)使用的儀器性能和樣品充分了解,做到心中有數(shù)。

(2) 重視樣品制備環(huán)節(jié)。SEM是在真空條件下對(duì)樣品進(jìn)行觀察,要求樣品應(yīng)充分干燥且導(dǎo)電性良好。對(duì)于導(dǎo)電性差的樣品應(yīng)鍍導(dǎo)電膜,而鍍導(dǎo)電膜時(shí)還應(yīng)針對(duì)樣品的具體情況區(qū)別對(duì)待。對(duì)于觀察微米尺度的樣品,鍍Au膜基本可滿足需要,而對(duì)于觀察納米尺度的樣品,應(yīng)在Ar氣保護(hù)下鍍Pt或Pd,則可得到更精細(xì)的導(dǎo)電膜。對(duì)于生物樣品,則須進(jìn)行特殊方法進(jìn)行干燥(冷凍干燥或超臨界干燥等),這樣才能保留生物組織的原貌。

(3) 選擇合適的觀察條件。SEM在觀察圖像時(shí),應(yīng)針對(duì)樣品特性做好儀器狀態(tài)的調(diào)節(jié)工作,如選擇合適的電壓、燈絲對(duì)中、光闌合軸等。圖像觀察時(shí)應(yīng)選擇合適的探針電流、光闌和工作距離等觀察條件,以保證儀器處于最優(yōu)的工作模式。

(4) 細(xì)心操作。操作者在觀察樣品前應(yīng)對(duì)樣品有充分的了解,條件允許時(shí)應(yīng)先用VLM進(jìn)行瀏覽觀察。SEM觀察圖像時(shí)應(yīng)從低倍到高倍逐級(jí)聚焦,遵循“高倍聚焦,低倍照相”的原則照相。一張高質(zhì)量的SEM圖像猶如一幅美術(shù)作品,應(yīng)從圖像構(gòu)圖、亮度、對(duì)比度、內(nèi)容的主次關(guān)系和整體效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2.2 SEM綜合實(shí)驗(yàn)

綜合實(shí)驗(yàn)的目的是訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和探索的能力。綜合實(shí)驗(yàn)在操作實(shí)驗(yàn)完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行,以3～4人為一小組進(jìn)行。綜合實(shí)驗(yàn)以探究材料的某一科學(xué)問題為目的開展,由實(shí)驗(yàn)小組自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、自主選擇實(shí)驗(yàn)材料，并自主完成分析表征過程,最終提交綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告,作為實(shí)驗(yàn)課成績(jī)的重要依據(jù)。

結(jié)構(gòu)決定性能作為材料科學(xué)的基本原則,SEM則可以更直觀地從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)層面揭示這一規(guī)律。因此SEM綜合實(shí)驗(yàn)著眼于這一思路進(jìn)行設(shè)計(jì)。如有一組對(duì)雞蛋殼和貝殼感興趣,有感于為何二者化學(xué)成分相同(CaCO3)而機(jī)械強(qiáng)度顯著不同,于是他們?cè)O(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)題目是“雞蛋殼與貝殼微觀形貌分析”。該實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果如圖4所示。由圖可見,雞蛋殼截面上有貫通的氣孔(圖4(a)),外表面有龜裂紋(圖4(b))；而貝殼斷面則顯示由片狀組織交錯(cuò)排列(圖4(c)),結(jié)構(gòu)致密。雞蛋殼與貝殼微觀形貌上的差別初步可以解釋二者在強(qiáng)度上的差異。

圖4 雞蛋殼與貝殼微觀形貌(SEM)

綜合實(shí)驗(yàn)既訓(xùn)練了學(xué)生的科學(xué)思維能力,又使學(xué)生的操作技能得到充分發(fā)揮,深受歡迎。

2.3 課程考核方式

材料測(cè)試與表征課程傳統(tǒng)的考核方式是理論課筆試(70%)+實(shí)驗(yàn)課報(bào)告(30%),其中理論課成績(jī)權(quán)重較大,因此學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視程度較低。2016年寧夏大學(xué)實(shí)行學(xué)科融合后,“化學(xué)工程與技術(shù)”國(guó)內(nèi)一流學(xué)科材料化學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)本課的考核方式進(jìn)行改革,實(shí)驗(yàn)課成績(jī)的權(quán)重由30%提高至50%,實(shí)驗(yàn)課考核方式由單一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告改為由儀器操作+實(shí)驗(yàn)報(bào)告+口試的方式。儀器操作成績(jī)主要考查學(xué)生掌握儀器的操作技能的程度,實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)考查學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)綜合分析的能力,而口試則著重考查學(xué)生對(duì)儀器知識(shí)靈活掌握的能力、表達(dá)能力和勾通能力。考核方式改革兩年來,學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性顯著提高,其綜合技能得到極大提升,為學(xué)生后續(xù)參加的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[12-13]。

3 結(jié)論

掃描電子顯微鏡(SEM)作為大型科學(xué)儀器設(shè)備,在高校教學(xué)和科研中發(fā)揮著越來越重要的作用。在SEM教學(xué)過程中,得到以下結(jié)論:

(1) 應(yīng)充分意識(shí)到大型儀器實(shí)驗(yàn)對(duì)理論教學(xué)的啟發(fā)和促進(jìn)作用,適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中的權(quán)重。為此,高校應(yīng)建立相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制,充分發(fā)揮儀器管理人員的工作主動(dòng)性,激發(fā)他們實(shí)驗(yàn)教學(xué)的熱情和創(chuàng)造性。

(2) 先實(shí)踐后理論、理論與實(shí)踐相結(jié)合是分析測(cè)試技術(shù)課程教學(xué)切實(shí)可行的教學(xué)方法,可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大型儀器的興趣和學(xué)習(xí)分析測(cè)試技術(shù)理論的積極性和主動(dòng)性。在具體實(shí)施過程中,應(yīng)選擇合適的切入點(diǎn),演示教學(xué)樣品應(yīng)具有典型性,以期達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。

(3) 課程教學(xué)方式和考核方式上的改變促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度和學(xué)習(xí)方式的積極轉(zhuǎn)變。

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