电镜实验报告

HUNANUNIVERSITY姓名：扫描电镜实验报告姓名：高子琪学号：201214010604一.实验目的1.了解扫描电镜的基本结构与原理；2.掌握扫描电镜样品的准备与制备方法；3.掌握扫描电镜的基本操作并上机操作拍摄二次电子像；4.了解扫描电镜图片的分析与描述方法。二．实验设备及样品1.实验仪器：D5000-X衍射仪基本组成：1）电子光学系统：电子枪、聚光镜、物镜光阑、样品室等2）偏转系统：扫描信号发生器、扫描放大控制器、扫描偏转线圈3）信号探测放大系统4）图象显示和记录系统5）真空系统2.样品：块状铝合金三.实验原理1.扫描电镜成像原理从电子枪阴极发出的电子束，经聚光镜及物镜会聚成极细的电子束（0.00025微米-25微米），在扫描线圈的作用下，电子束在样品表面作扫描，激发出二次电子和背散射电子等信号，被二次电子检测器或背散射电子检测器接收处理后在显象管上形成衬度图象。二次电子像和背反射电子反映样品表面微观形貌特征。而利用特征X射线则可以分析样品微区化学成分。扫描电镜成像原理与闭路电视非常相似，显像管上图像的形成是靠信息的传送完成的。电子束在样品表面逐点逐行扫描，依次记录每个点的二次电子、背散射电子或X射线等信号强度，经放大后调制显像管上对应位置的光点亮度，扫描发生器所产生的同一信号又被用于驱动显像管电子束实现同步扫描，样品表面与显像管上图像保持逐点逐行一一对应的几何关系。因此，扫描电子图像所包含的信息能很好地反映样品的表面形貌。2.X射线能谱分析原理X射线能谱定性分析的理论基础是Moseley定律，即各元素的特征X射线频率ν的平方根与原子序数Z成线性关系。同种元素，不论其所处的物理状态或化学状态如何，所发射的特征X射线均应具有相同的能量。X射线能谱定性分析是以测量特征X射线的强度作为分析基础，可分为有标样定两分析和无标样定量分析两种。在有标样定量分析中样品内各元素的实测X射线强度，与成份已知的标样的同名谱线强度相比较，经过背景校正和基体校正，便能算出它们的绝对含量。在无标量定量分析中样品内各元素同名或不同名X射线的实测强度相互比较，经过背景校正和基体校正，便能算出它们的相对含量。如果样品中各个元素均在仪器的检测范围之内，不含羟基、结晶水等检测不到的元素，则它们的相对含量经归一化后，就能得出绝对含量。四．实验过程1.制备样品扫描电镜分析的样品主要有粉末样品、固体样品、生物样品等。样品形态不同，则样品制备方法也不同，非导体样品需要喷镀金或铂导电层。本实验采用的是块状样品（铝合金）：先将块状样品表面研磨抛光，大小不超过20×18平方毫米，将样品用导电胶固定于样品台上。2.样品测试1）根据实验要求将样品在样品托上装好；2）打开扫描电子显微镜样品室，将样品托安装在样品座上；3）关好样品室，并对样品室抽真空；4）真空抽好以后，通过软件界面给灯丝加高压，进行样品观察；5）观察结束以后，关闭灯丝电压，然后对样品室放气；6）取出样品，仪器回复到初始状态，关闭电脑，仪器电压。五．数据分析1.基于对试样表面的析出相的组成分析ElementWt%At%CK14.5237.94NaK00.9801.34MgK00.8801.13AlK25.9830.21WM07.7001.31FeK49.9428.06MatrixCorrectionZAFElementWt%At%CK27.8347.47ZnL02.7100.85AlK33.7125.60SiK35.7626.09MatrixCorrectionZAF上述两组图片中均是对试样表面的析出相进行的分析，从分析的数据可以看出，析出相元素Al为主导，其中SiFe元素在原子数的摩尔百分数和质量百分数最多，Al的衍射峰强度最大，而ZnCMgWNa元素均拥有一个衍射峰。所以析出相中主要成分是SiFe2.基于对材料基质的组成成分的分析（上述是对基质的成分分析，从EDS能谱图和组成元素含量分析表中可以看出，在基质中，Al元素占据着绝对的含量92.12Wt%，其次就是Zn元素，可以看出本次实验的样品是一种富含铝的合金。上述基质之中含有Zn、Mg、AlElementWt%At%ZnL05.5602.37MgK02.3202.66AlK92.1294.97MatrixCorrectionZAF析出相中含有Mg、Al、Si、C、W、Fe、Zn、Si、Na基质和析出相同时含有的元素是Zn、Mg、Al，都富含的元素是Al,其中析出相中同时富含有元素Si、W，而基质之中则是Al元素含量明显的偏多。由此可以看出在合金冷却的过程中，出现了偏析现象。综合基质和析出相的组成成分可以看出实验样品是AlSiWFe组成的合金，WZnCNa元素含量很少，会和其他的金属元素生成化合物形式的存在。）六.扫描电镜的应用1.材料的组织形貌观察材料剖面的特征、零件内部的结构及损伤的形貌，都可以借助扫描电镜来判断和分析反射式的光学显微镜直接观察大块试样很方便，但其分辨率、放大倍数和景深都比较低而扫描电子显微镜的样品制备简单，可以实现试样从低倍到高倍的定位分析，在样品室中的试样不仅可以沿三维空间移动，还能够根据观察需要进行空间转动，以利于使用者对感兴趣的部位进行连续、系统的观察分析；扫描电子显微图像因真实、清晰，并富有立体感，在金属断口和显微组织三维形态的观察研究方面获得了广泛地应用。2.层表面形貌分析和深度检测有时为利于机械加工，在工序之间也进行镀膜处理由于镀膜的表面形貌和深度对使用性能具有重要影响，所以常常被作为研究的技术指标镀膜的深度很薄，由于光学显微镜放大倍数的局限性，使用金相方法检测镀膜的深度和镀层与母材的结合情况比较困难，而扫描电镜却可以很容易完成使用扫描电镜观察分析镀层表面形貌是方便、易行的最有效的方法，样品无需制备，只需直接放入样品室内即可放大观察。3.微区化学成分分析在样品的处理过程中，有时需要提供包括形貌、成分、晶体结构或位向在内的丰富资料，以便能够更全面、客观地进行判断分析为此，相继出现了扫描电子显微镜—电子探针多种分析功能的组合型仪器。扫描电子显微镜如配有X射线能谱（EDS）和X射线波谱成分分析等电子探针附件，可分析样品微区的化学成分等信息材料。一般而言，常用的X射线能谱仪能检测到的成分含量下限为0.1%（质量分数）可以应用在判定合金中析出相或固溶体的组成、测定金属及合金中各种元素的偏析、研究电镀等工艺过程形成的异种金属的结合状态、研究摩擦和磨损过程中的金属转移现象以及失效件表面的析出物或腐蚀产物的鉴别等方面。4.显微组织及超微尺寸材料的研究钢铁材料中诸如回火托氏体、下贝氏体等显微组织非常细密，用光学显微镜难以观察组织的细节和特征在进行材料、工艺试验时，如果出现这类组织，可以将制备好的金相试样深腐蚀后，在扫描电镜中鉴别下贝氏体与高碳马氏体组织在光学显微镜下的形态均呈针状，且前者的性能优于后者。但由于光学显微镜的分辨率较低，无法显示其组织细节，故不能区分电子显微镜却可以通过对针状组织细节的观察实现对这种相似组织的鉴别在电子显微镜下（SEM），可清楚地观察到针叶下贝氏体是有铁素体和其内呈方向分布的碳化物组成。七.应用实例石墨烯即便担载催化剂颗粒仍倾向于聚集，且文献报道的复合催化剂均是溶液合成的粉末，担载到电极表面时需高分子粘接剂，进一步包埋催化活性位点。本课题采用一步电沉积方法制备垂直取向的石墨烯基复合电催化剂，一方面避免使用粘接剂，另一方面可使催化剂的活性位点极大程度暴露，提高催化剂利用效率和加速电化学反应动力学。本项目的研究方案图1所示.图1Pd/石墨烯复合材料的电化学制备及燃料电池应用示意图具体内容如下：1、氧化石墨烯溶液的制备：采用ImprovedHummers法制备氧化石墨，然后将氧化石墨剪碎加入pH=8.0的磷酸缓冲溶液中，再放入超声仪内超声分散2.5h，配置成浓度为0.3g/L的氧化石墨烯胶体分散液。2、采用一步电沉积法合成纳米材料：①Pd纳米粒子的合成：采用循环伏安法电沉积Na2PdCl4溶液，合成粒径均匀的Pd纳米粒子；②RGO-Pd垂直结构复合材料的合成：采用循环伏安法电沉积Na2PdCl4溶液和氧化石墨烯组成的电沉积溶液，合成RGO-Pd垂直结构复合材料。3、采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱(RamanSpectroscopy)、X-射线衍射（XRD）等测试技术表征材料的形貌和结构，采用电化学工作站表征其电化学性能，研究形貌结构形成的机理；4、配制浓度为1.0M的CH3OH和KOH的混合溶液，采用循环伏安法和计时电流法检测不同材料对甲醇的催化氧化活性和稳定性。择优选择特定形态结构材料，研究其在甲醇燃料电池中的应用，探讨构效关系。扫描电子表征图3扫描电镜图：（A）Pd纳米粒子和（B）VrGO/Pd复合材料图3中（A）图是Pd纳米粒子的扫描电镜图像，可以看到Pd纳米粒子紧密的负载在电极表面，经过统计发现纳米粒子的粒径大约在88nm左右且发生堆垛，不利于甲醇的催化。（B）图是RGO-Pd复合材料的扫描电镜图像，很显然，这是一种开放式的结构，并且可以发现有些石墨烯片层垂直生长在电极表面，而且石墨烯片层上均匀布满了Pd纳米粒子。这种材料有很多的空洞，具有很大的比表面积，非常利于甲醇的催化。(A)(B)透射电镜表征图4VrGO/Pd复合材料的TEM图片图4为VrGO/Pd的透射电镜图像，图中的黑点是钯纳米粒子，可以看到石墨烯片层上均匀布满了Pd纳米粒子，这与扫描电镜相符合，说明Pd纳米粒子均匀地沉积到了石墨烯片层上。图中的纳米粒子直径约为8nm。结论：（1）首次利用电化学方法制备了垂直结构石墨烯复合材料；（2）RGO-Pd垂直结构复合材料对甲醇具有很好的催化活性和稳定性。研究成果：采用一步电化学方法可控制备垂直取向的石墨烯基电催化剂。项目意义本项目设计制备在电极表面具有垂直取向结构的石墨烯基电催化剂。常规的平躺结构石墨烯将催化剂粒子“夹心”于石墨烯片层间，而垂直取向的石墨烯担载催化剂可使催化剂的活性中心尽可能暴露，完全实现了提高催化剂的利用效率、加快反应物在电催化剂材料中的传质过程及提高电化学反应动力学的目的。项目采用资源较丰富、价格较便宜且具有一定催化活性的非Pt金属（本研究采用Pd）与石墨烯结合，通过电化学沉积法在电极表面原位制备石墨烯基复合电催化剂。电化学方法具有简单、快速、可控的特点，原位制备的材料与电极表面接合牢固、反应电子传输阻力小，此外，通过改变电化学参数容易地实现材料形貌结构的控制，可达到催化剂活性与稳定性的同步提升。本项目提出的石墨烯形貌结构控制的新思路（石墨烯载体垂直取向）和新技术（电化学沉积），成为了石墨烯基复合电催化剂性能提升的又一个新的重要途径。