第10章聚合物的扫描电子显微术 扫描电镜( ( scanning electron microscope,SEM)可以研究 高分子多相体系的微观相分离结构,聚合物树脂粉料的颗粒形 态,泡沫聚合物的孔径与微孔分布,填充剂和增强材料在聚合 物基体中的分布情况与结合状况,高分子材料的表面、界面和 断口,粘合剂的粘结效果及聚合物涂料的成膜特性等。扫描电 镜之所以有如此广泛的用途是因为它有以下一些独特的优点: 1)试样制备方法简便 可从一些待研究的样品中直接取样,为了使样品导电以避 免电荷积累,要在聚合物试样的表面蒸镀或溅射上一层金属薄 膜,但此膜的厚度十分有限,故并不改变原有的形貌特征
1 第10章 聚合物的扫描电子显微术 扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)可以研究 高分子多相体系的微观相分离结构，聚合物树脂粉料的颗粒形 态，泡沫聚合物的孔径与微孔分布，填充剂和增强材料在聚合 物基体中的分布情况与结合状况，高分子材料的表面、界面和 断口，粘合剂的粘结效果及聚合物涂料的成膜特性等。扫描电 镜之所以有如此广泛的用途是因为它有以下一些独特的优点： (1) 试样制备方法简便 可从一些待研究的样品中直接取样，为了使样品导电以避 免电荷积累，要在聚合物试样的表面蒸镀或溅射上一层金属薄 膜，但此膜的厚度十分有限，故并不改变原有的形貌特征
第10章聚合物的扫描电子显微术 (2)放大倍数在大范围内连续可调 其放大倍数在几十倍至几十万倍内连续可调。即使在高放 大倍数下,也可得到高亮度的清晰图像 (3)景深长、视野大 在放大100倍时,光学显微镜的景深仅为1μm,而扫描电 镜的景深可达1mm,增大了1000倍。随着放大倍数的增大, 景深要缩短。所以扫描电子显微像的立体感强,可以直接观 察到粗糙表面上起伏不平的微细结构。 (4)分辨本领高 光学显微镜分辨本领的极限值仅为200nm,而要使扫描电 镜的分辨本领达到10nm以下并不困难
2 第10章 聚合物的扫描电子显微术 (2) 放大倍数在大范围内连续可调 其放大倍数在几十倍至几十万倍内连续可调。即使在高放 大倍数下，也可得到高亮度的清晰图像。 (3) 景深长、视野大 在放大100倍时，光学显微镜的景深仅为1m，而扫描电 镜的景深可达1mm，增大了1000倍。随着放大倍数的增大， 景深要缩短。所以扫描电子显微像的立体感强，可以直接观 察到粗糙表面上起伏不平的微细结构。 (4) 分辨本领高 光学显微镜分辨本领的极限值仅为200nm，而要使扫描电 镜的分辨本领达到10nm以下并不困难
第10章聚合物的扫描电子显微术 (5)可对试样进行综合分析和动态观察 把扫描电镜和X能谱微区分析及电子衍射等仪器相结合, 可以在观察微观形貌的同时逐点分析其化学成分和晶体结构, 这样就打破了显微镜只能观察形貌、成分分析仪只能分析成分 的局限性,从而使扫描电镜兼具有电子显微镜、电子衍射仪和 电子探针等待点。扫描电镜的试样室空间很大,可以较方便地 配备拉伸、弯曲、加热或冷却等试样座,对试样进行一系列动 态观察。 (6)可借助信号处理来调节图像衬度 扫描电镜中被检测的信号在成像前可经过种种处理,以使 图像的衬度得到改善
3 第10章 聚合物的扫描电子显微术 (5) 可对试样进行综合分析和动态观察 把扫描电镜和X能谱微区分析及电子衍射等仪器相结合， 可以在观察微观形貌的同时逐点分析其化学成分和晶体结构， 这样就打破了显微镜只能观察形貌、成分分析仪只能分析成分 的局限性，从而使扫描电镜兼具有电子显微镜、电子衍射仪和 电子探针等待点。扫描电镜的试样室空间很大，可以较方便地 配备拉伸、弯曲、加热或冷却等试样座，对试样进行一系列动 态观察。 (6) 可借助信号处理来调节图像衬度 扫描电镜中被检测的信号在成像前可经过种种处理，以使 图像的衬度得到改善
第10章聚合物的扫描电子显微术 (7)采用极化相纸可立即得到正片 扫描电镜可以用软片记录图像,也可以用极化相纸记录。 极化相纸有两种:一种是只能得到正片,另一种是既能得正 片又能得负片。用极化相纸摄影时,在实验进行过程中就可 立即得知图像质量的优劣。如不满意,可及时重照
4 第10章 聚合物的扫描电子显微术 (7) 采用极化相纸可立即得到正片 扫描电镜可以用软片记录图像，也可以用极化相纸记录。 极化相纸有两种：一种是只能得到正片，另一种是既能得正 片又能得负片。用极化相纸摄影时，在实验进行过程中就可 立即得知图像质量的优劣。如不满意，可及时重照
10.1高能电子束与固体样品的相互作用 经电子透镜聚焦以后的高能电子束入射到固体样品表面上, 便与样品中的原子发生碰撞而产生弹性或非弹性散射等一系列 物理效应,如背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、 X射线、俄歇电子、阴极荧光及电子一空穴对,如图10-1所示。 通过检测这些效应,就可以获得关于样品的表面形貌、组成和 结构的丰富信息。现只介绍与研究聚合物有关的前4种成像电 子和特征X射线的产生
5 10.1 高能电子束与固体样品的相互作用 经电子透镜聚焦以后的高能电子束入射到固体样品表面上， 便与样品中的原子发生碰撞而产生弹性或非弹性散射等一系列 物理效应，如背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、 X射线、俄歇电子、阴极荧光及电子－空穴对，如图10-1所示。 通过检测这些效应，就可以获得关于样品的表面形貌、组成和 结构的丰富信息。现只介绍与研究聚合物有关的前4种成像电 子和特征X射线的产生
10.1高能电子束与固体样品的相互作用 入射电子束 特征X射线 背散射电子 俄歇电子 阴极荧光 二次电子 吸收电子 y(试样吸收电流) 束感生电效应 透射电子 图10-1高能电子束与固体样品的相互作用
6 10.1 高能电子束与固体样品的相互作用
10.1高能电子束与固体样品的相互作用 101.1背散射电子 入射电子中与试样表层原子碰撞发生弹性和非弹性散射后 从试样表面反射回来的那部分一次电子统称为背散射电子。发 生弹性碰撞时,入射的高速电子从试样原子核旁经过,在核电 荷的作用下,其运动方向发生偏斜,但能量几乎没有变化。偏 转角度(也称散射角度)的大小与试样原子的核电荷量的多少有 关,也与入射电子的能量(即速度)有关(见图10-2)。发生非弹性 散射时,入射的高速电子向前运动到十分靠近某个核外电子处, 在电场力的作用下把自身的一部分能量转移给核外电子,使它 或者摆脱原子核的束缚而飞离出去,或者被激发到该原子的高 能态轨道上去
7 10.1 高能电子束与固体样品的相互作用 ❖ 10.1.1 背散射电子 入射电子中与试样表层原子碰撞发生弹性和非弹性散射后 从试样表面反射回来的那部分一次电子统称为背散射电子。发 生弹性碰撞时，入射的高速电子从试样原子核旁经过，在核电 荷的作用下，其运动方向发生偏斜，但能量几乎没有变化。偏 转角度(也称散射角度)的大小与试样原子的核电荷量的多少有 关，也与入射电子的能量(即速度)有关(见图10-2)。发生非弹性 散射时，入射的高速电子向前运动到十分靠近某个核外电子处， 在电场力的作用下把自身的一部分能量转移给核外电子，使它 或者摆脱原子核的束缚而飞离出去，或者被激发到该原子的高 能态轨道上去
10.1高能电子束与固体样品的相互作用 101.1背散射电子 由图10-2可以看到,入射电 子本身的运动方向也要发生某 种程度的偏斜。但是非弹性散 射的角度要比弹性散射的角度 小得多。 弹性揿射 非弹性散射 图10-2入射电∫的弹性散射与非弹性散射
8 10.1 高能电子束与固体样品的相互作用 ❖ 10.1.1 背散射电子 由图10-2可以看到，入射电 子本身的运动方向也要发生某 种程度的偏斜。但是非弹性散 射的角度要比弹性散射的角度 小得多
10.1高能电子束与固体样品的相互作用 101.1背散射电子 弹性背散射电子是只受到试样原子核单次或很少次大角度 弹性散射后反射回来的入射电子,其能量没有发生变化。通常 把能量稍有变化的反射电子也归于这一类。 非弹性背散射电子是指那些经过几十次或上百次的非弹性 碰撞(也许含有几次弹性碰撞)后,最终仍然从样品表面反射回 来的入射电子。它们的能量高于50eV。 背散射电子反射回来时的方向是不规则的。它们的数量则 与入射角和样品的平均原子序数z有关。z越大,被散射的入 射电子也越多。背散射电子的发射深度约为10nm~1um
9 10.1 高能电子束与固体样品的相互作用 ❖ 10.1.1 背散射电子 弹性背散射电子是只受到试样原子核单次或很少次大角度 弹性散射后反射回来的入射电子，其能量没有发生变化。通常 把能量稍有变化的反射电子也归于这一类。 非弹性背散射电子是指那些经过几十次或上百次的非弹性 碰撞(也许含有几次弹性碰撞)后，最终仍然从样品表面反射回 来的入射电子。它们的能量高于50eV。 背散射电子反射回来时的方向是不规则的。它们的数量则 与入射角和样品的平均原子序数 有关。 越大，被散射的入 射电子也越多。背散射电子的发射深度约为10nm～1m。 Z Z
10.1高能电子束与固体样品的相互作用 101.2二次电子 进入样品表面的部分一次电子能使样品原子发生单电子激 发,并将其轰击出来。那些被轰击出来的电子称为二次电子。 背散射电子在穿出试样表面时,也会激发出一些二次电子,它 们在成像时仅形成本底。 一次电子的能量较低,约为0~50eV,大部分为2~3eV, 其发射深度一般不超过5~10nm。正因为如此,试样深处激发 的二次电子没有足够的能量逸出表面。二次电子的发射与试样 表面的形貌及物理、化学性质有关,所以二次电子像能显示出 试样表面丰富的细微结构 10
10 10.1 高能电子束与固体样品的相互作用 ❖ 10.1.2 二次电子 进入样品表面的部分一次电子能使样品原子发生单电子激 发，并将其轰击出来。那些被轰击出来的电子称为二次电子。 背散射电子在穿出试样表面时，也会激发出一些二次电子，它 们在成像时仅形成本底。 一次电子的能量较低，约为0～50eV，大部分为2～3eV， 其发射深度一般不超过5～10nm。正因为如此，试样深处激发 的二次电子没有足够的能量逸出表面。二次电子的发射与试样 表面的形貌及物理、化学性质有关，所以二次电子像能显示出 试样表面丰富的细微结构