近代显微分析技术的应用.doc

近代显微分析技术的应用西安近代化学研究所 徐来斌 王克勇 张琳 高红旭1 前言 西安近代化学研究所分析测试中心，1996年分别从日本电子公司和英国牛津公司引进的JSM5800扫描电镜和ISIS能谱仪，是一套数字化的显微分析系统， 全部操作在Windows98环境下、使用鼠标和键盘完成。数字化图像完全取代了传统的模拟图像（照片），数据、图形曲线和图像可使用流行的微软办公软件（Word、Excel、Photoshop等）进行编辑处理，并保存在3.5”软盘上，极大的方便了使用。该系统具备的B（5）Na（11）元素范围内的分析功能，超出了传统的元素分析范围，使微区成分分析跨入了一个新的发展阶段。1997年正式投入使用以来 ，使用经验表明，它对金属材料定量分析的准确度可与化学方法媲美；对非金属材料（氧化物、无机盐、有机物等）定性的灵敏度和分辨率均优于传统的能谱分析。尤其它对C、N、O元素的检测，更拓宽了传统能谱分析的应用范围，尽管目前它对C、N、O元素定量分析的准确度还不够理想，实际上把这种定量的分析结果作为相对比较的数据，还是很有意义的。因为这能够解决新材料研制开发种的许多难题。 作者不打算在本篇文章中介绍那些传统已有的显微分析应用的内容，而着重讲述C、N、O分析的实例及在实际研究中的应用。2 应用实例21 未知物剖析 曾剖析过许多粉体材料的化学组成，例如荧光粉、刚玉粉、黄金铸造用的铸粉（SiO2、石膏等）、磨料等，得到的成份分析结果可靠、用户满意。例如，某用户送来一个白色的粉末样，成份未知，经电镜观察和X射线能谱分析，得到的形貌照片（图略）和元素分析的结果如表1、图1。 从表1看出，Al与O的原子数比为23，与Al2O3分子中Al与O的原子比完全一样。我们根据形貌照片的分析，照片上的颗粒形貌与Al2O3的也非常相似。从而，断定该未知物就是Al2O3。表1 未知物成份分析结果谱标记xx-sp1(90X)xx-sp2(90x)元素重量 原子重量 原子O47.60 60.504704 59.96Al52.40 39.5052.96 40.04Total100.00 100.00100.00 100.00图1 未知物X射线能谱分析图22 失效分析航空、航天、军事上使用的大规模集成电路芯片，价格昂贵（多在万元以上），质量要求非常严格。芯片管脚、外壳不允许有斑点、变色和缺陷等。一旦出现此类现象，就必须进行失效分析。作者经常参与这类分析。曾接受某单位送来的一种运算器芯片，肉眼或放大镜发现外壳表面有微弱局部变色区，呈浅灰色。而正常部位为淡黄色。要求分析变色原因。将试样送电镜样品室观察，从形貌上看不出变色区域与正常部位的差异，只能通过X射线能谱分析找出变色原因。首先将变色区用导电胶带圈定，选定适宜的条件分别对变色区和正常部位进行能谱分析，得到的谱图如图2、图3。这两张定性谱图非常相似，可看出外壳的主要成份为Ni，变色区的谱上没有发现引起腐蚀的酸碱中的元素（如Cl、N、S、Na、K），仅O峰稍高于正常部位。进一步的定量分析，得到氧含量的结果如表2。表2 氧含量分析结果 原子检测顺序123检测部位 变色区816859699检测部位 正常区371344304从定量结果看出，变色区的氧含量明显高于正常部位。从而可知：芯片外壳局部变色是氧化引起的。23 金属表面渗碳层分析受检部件 受检渗碳处理的金属件为圆柱形，分析前将样件沿中心纵向切割为两块，任选1块，对断面抛光。然后进行定性分析，找到C峰谱。先试作C的线扫描，得到的C分布曲线太低，渗C层变化规律不明显。然后做定量分析，一直检测到C含量结果与试样中心点的接近。将C含量结果汇总列表（表3、表4、表5），给出C含量分布曲线（图4、图5），从分布曲线便可看出渗C层的厚度和C分布规律。为了得到可信的结果，必须检测多个部位。然后统计处理。表中C含量测定结果与实际相比，明显偏高，准确度不必多考虑。考虑的重点是C含量的相对变化规律，当然，仪器测量的重复性是要保证的。表3 样右边碳元素分析 原子%序号深度umC含量1200238240026036002374800264510001706120013271400084表4 左边碳元素分布 原子%序号深度 umC含量12001862400113360009348000545100006661200064表5 中央部位C元素含量 原子%序号C含量%10.5920.49平均0.5424 金属表面C、N元素浓度分布 图6 管壁断面图 现在，很多的研究者对金属表面的C、N元素的浓度分布很关注。该系统曾开展过这方面的大量检测工作，均达到用户的要求。曾检测过输送石油钢管壁的C浓度分布。样件如右图所示。径向断面被抛光，用电镜测量出管壁厚，从管外壁到内必等间隔的选取10个点进行X射线能谱分析得到结果如表6、图7。C