扫描电子显微镜观察聚合物形态-new.doc

扫描电子显微镜观察聚合物形态-new扫描电子显微镜观察聚合物形态河北大学仇满德显微镜可以直接观察到物质的微观结构,是研究聚合物形态的重要工具。光学显微镜的最大分辨率为2000Å,极限放大倍数为1500倍。可以用来观察聚合物内部较大尺寸的结构,如球晶结构等。更精细结构的测定就必须借助于电子显微镜。一般实验室用的透射式电子显微镜的分辨率为10Å左右,可以用于研究高分子聚合物或共聚物的两相结构;研究结晶聚合物的形态和结晶结构;以及研究非晶态聚合物的分子聚集形态等。随着我国电子光学工业的发展,电子显微镜在聚合物研究中的应用也越来越普及。在介绍扫描电镜的同时,也简单的介绍透射式电子显微镜的原理和应用。透射式电镜的结构同光学显微镜相似,也是由光源、物镜和投影镜三部分组成的。只是电镜的光源是用电子枪产生的电子束。电子束经聚光镜集束后,照射在样品上,透过样品的电子经物镜、中间镜和投影镜最后在荧光观察屏上成像[图(9-1)]。电子显微镜中所用的透镜都是电磁透镜。它是通过电磁现象使电子束聚焦的。因此只要改变透镜线圈的电流,就可以使电镜的放大倍数连续变化。投射电镜的分辨率与电子枪阳极的加速电压有关,加速电压越高,电子波的波长就越短,分辨率就越高。例如,普通50kV电镜的分辨率为10Å左右。透射电镜用的样品制备比较麻烦,对聚合物的研究来说,有两类试样:如以观察多相结构为目的,采用超薄切片;如系观察单晶、球晶或表面形貌,常常须将样品作复型处理。制备超薄切片需应用专门的超薄切片机,厚度不超过1000Å,通常使用200~500Å。试样过厚,因电子穿透能力弱,或多层次上的图像交叠而不能观察。在观察超薄切片的两相结构时,只有当处于不同相内的聚合物对于电子的散射能力有明显差异时才能形成图像,但通常这种差异不大。这就要对试样进行选择染色。对于含有聚双烯烃的多相聚合的体系,可用OsO4溶液染色,双键因与OsO4的结合而获得很高的散射能力。对于不含这类双键的聚合物,染色技术仍属难题。另一方面,高能量电子束轰击样品表面时,被辐射部分的温度会急剧升高,甚至使聚合物结构发生变化。这可通过冷却样品台,缩短观察时间,提高加速电压予以改善。但不少情况下,需对聚合物试样进行复型,再对复型膜进行观察。常用重金属Cd或Pt投影喷镀复型膜来增加反差。扫描式电子显微镜是20世纪三十年代中期发展起来的一种新型电镜,是一种多功能的电子显微镜分析仪器,能接收和分析电子与样品相互作用后产生的大部分信息。如被散射电子、二次电子、透射电子、衍射电子、特征X-射线、俄歇电子、阴极发光等。因此,不但可以用于物理形貌的观察,而且可以进行微区成分分析。因而在科研和工业各个领域得到了广泛的应用。与透射电镜相比,扫描电镜样品制备方便是突出的优点。扫描电镜对样品的厚度无苛图9-1电子显微镜与光学显微镜构造和成像原理比较图刻要求。导体样品一般不需要任何处理就可以进行观察。聚合物的样品在电子束作用下,特别是进行高倍数观察时,也可能出现熔融或分解现象。在这种情况下,也需要进行样品复型。但由于对复型膜厚度无要求,其制作过程也就简单多了。扫描电镜的上述优点,使其在聚合物形态研究中的应用越来越广泛。目前主要用于研究聚合物自由表面和断面结果。例如观察聚合物的粒度、表面和断面的形貌与结构,增强高分子材料中填料在聚合物中的分布、形状及粘结情况等等。目的要求:(1)了解扫描电镜的工作原理和结构。(2)掌握扫描电镜的基本操作。(3)掌握扫描电镜样品的制备方法。原理本实验采用KYKY-2800B型台式扫描电子显微镜。该电镜具有接收二次电子和被散射电子成像的功能。“二次电子”是入射到样品内的电子在透射和散射过程中,与原子的外层电子进行能量交换后,被轰击射出的次级电子,它是从样品表面很薄的一层,约50Å的区域内激发出来的。二次电子发射与样品表面的物化性状有关,被用来研究样品的表面形貌。二次电子的分辨率较高,一般可达50~100Å左右,是扫描电镜应用的主要电子信息。“被散射电子”是入射电子与试样原子的外层电子或原子核连续碰撞、发生弹性散射后重新从试样表面逸出的电子。主要反映试样表面较深处(100Å~1μm)的情况。其分辨率较低,约500~1000Å。扫描电镜的工作原理如图(9-2)所示。带有一定能量的电子,经过第一、第二两个电磁透镜会聚,再经末级透镜(物镜)聚焦,成为一束很细的电子束(称之为电子探针或一次电子)。在第二聚光镜和物镜之间有一组扫描线圈,控制电子探针在试样表面进行扫描,引起一系列的二次电子发射。这些二次电子信号被探测器依次接收,经信号放大处理系统(视频放大器)转入显像管的控制栅极上调制显像管的亮度。由于显像管的偏转线圈和镜筒中的扫描线圈的扫描电流由一扫描发生器严格控制同步。所以在显像管的屏幕上就可以得到与样品表面形貌相应的图像。图9