CHƯƠNG 2. THỰ C NGHI ỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U
2.3. Các p hương pháp nghiên cứ u
2.3.2. Phương pháp phân tích SEM & EDS
SEM là từ được viết tắt bằng tiếng anh của Scanning Electron Microscope. Đây một loại kính hiển vi điện tử quét có thể tạo ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu cần phân tích bằng cách chiếu một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu được thực hiện thông qua sự ghi nhận và phân tích các điện tử thứ cấp và tia bức xạ phát ra từ việc tương tác giữa chùm điện tử với bề mặt mẫu [18].
Môi trường để phân tích SEM phải là chân không, chùm điện tửđược phát ra từ súng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt hay phát xạ trường) sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thếtăng tốc của SEM thông thường chỉ từ10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụcác chùm điện tửcó bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tửđược phát ra,
Hình 2.6. Kính hiển vi quang học Axioplan 2
33 tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡvài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét. Độ phân giải của SEM được xác định từkích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và chùm điện tử. Khi điện tửtương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các tín hiệu như các chùm điện tử thứ cấp hoặc điện tử tán xạ ngược hay bức xạ phát ra. Sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các tín hiệu phát sinh này. Các bức xạ chủ yếu gồm:
- Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV). Đây là chếđộ ghi ảnh hình thái bề mặt thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét;
- Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): điện tử tán xạ ngược là chùm điện tửban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị tán xạngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học.
Phương pháp EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng anh Energy- dispersive X-ray spectroscopy chủ yếu được thực hiện trong các kính hiển vi điện tử. Có nhiều thiết bị phân tích EDX nhưng chủ yếu EDX được phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ởđó các phép phân tích thành phần hóa học ở các vị trí rất nhỏ trên bề mặt mẫu được thực hiện nhờ việc thu các bức xạ tia X đặc trưng của các nguyên tố hóa học tồn tại trên bề mặt vật liệu ở vùng phân tích. Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (bước sóng hay năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng lượng EDS do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần (phân tích định tính cũng như định lượng).
Tần số tia X phát ra là đặc trưng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hóa học có mặt trong mẫu phân tích định tính đồng thời cho các thông tin về tỉ phần (phân tích định lượng hàm lượng) các nguyên tố này.
34 Các bước chuẩn bị mẫu cho kính hiển vi điện tửcũng tương tựnhư khi chuẩn bị cho kính hiển vi quang học. Thường yêu cầu mẫu phải dẫn điện nếu không thì phải được phủ bằng các lớp mỏng các vật liệu dẫn điện như Au, Pt hay cacbon.
Sử dụng kính hiển vi điện tử quét có thể quan sát cấu trúc, tổ chức, tổ chức lớp thấm với độphóng đại cao hơn và độ phân giải lớn hơn rất nhiều so với hiển vi quang học. Ngoài ra, việc phân tích thành phần nguyên tố có thể thực hiện được nhờphương pháp EDS với đầu dò tích hợp trong SEM.
Thiết bị phân tích EDS, SEM
Để chụp ảnh hình thái học tổ chức lớp thấm với độ phóng đại lớn và phân tích bán định lượng thành phần nguyên tố hóa học trên mặt cắt ngang của mẫu sau thấm đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét Jeol 6490 JED 2300 (Nhật Bản) hoặc thiết bị SEM để bàn TM4000Plus-Hitachi (Nhật Bản) trong hình 2.13 và 2.14.
Hình 2.7. Kính hiển vi điện tử quét Jeol 6490 JED 2300 (CHLB ĐỨC)
35 Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử quét TM4000Plus-Hitachi (Nhật Bản)
Hình 2.9. Buồng gá mẫu của kính hiển vi điện tử quét TM4000Plus- Hitachi (Nhật Bản)