应用扫描电镜和X射线能谱仪研究钛酸钡

李建梅

(蚌埠玻璃工业设计研究院,蚌埠 233018)

应用扫描电镜和X射线能谱仪研究钛酸钡

李建梅

(蚌埠玻璃工业设计研究院,蚌埠 233018)

该文使用发射扫描电子显微镜和X射线能谱仪对钛酸钡进行表征。针对钛酸钡的材料特性和工作目标,采用了多种测试工作条件,通过其结果对比,找到了对钛酸钡进行形貌观察的最佳条件,并分析了其成分。

扫描电镜; X射线能谱仪; 钛酸钡

随着科学技术的飞速发展,扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)已经成为表征固体物质的重要手段,用于样品表面形貌显微分析的同时还可以进行样品常规成分的微区分析。由于这些功能,使得在材料科学、化工、医学、生物学以及其他领域中得到越来越广泛的应用。与其他分析方法相比,扫描电子显微镜能够直接观察大尺寸样品的原始表面,观察的视场大、图像景深大、立体感强、样品用量少,对样品也基本没有损伤,而且X射线能谱仪图像与SEM图像联动、分析样品速度快、微区定量分析相对准确。

钛酸钡是制造电子陶瓷的主要原料,由于其在电子陶瓷材料领域的基础性地位,又被称为“电子陶瓷工业的支柱”。作为一种铁电材料,钛酸钡具有高介电常数和低介电损耗特点,具备优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能,被广泛地应用于制造陶瓷敏感元件,尤其是正温度系数热敏电阻器(PTC)、MLCC、热电元件、压电陶瓷、声纳、电光显示板、记忆材料、聚合物基复合材料以及涂层等。

高纯度、纳米级的钛酸钡已逐渐成为市场需求的主流产品。高纯度可在一定程度上保证下游产品质量的可靠和稳定。纳米化的意义则在于,纳米级粉体烧结后可形成质地更紧密、粒径分布更均匀的烧结体,从而提高陶瓷的韧度和强度。此外,纳米粉体的烧结温度较低,有利于节约能源、降低生产成本。

钛酸钡的制备方法包括固相法和液相法。该文所采用的钛酸钡是液相法中的水热法,其优点是直接从溶液中得到纳米粉体,不需要高温煅烧和球磨工艺,避免了产生硬团聚。同时,由于工艺简单,在一个反应釜中进行全过程,防止外来杂质混入,可保持产品很高的纯度。

该文对影响钛酸钡的SEM成像主要因素进行了系统分析,并用X射线能谱仪对钛酸钡进行测定,并计算其相对百分比,分析它的微观结构组成。

1 实 验

1)仪器 NanoSEM450型扫描电子显微镜,美国FEI公司;108C全自动高真空热蒸镀镀碳仪,英国Cresstington公司;X-Max型大面积电制冷能谱仪,英国牛津仪器公司。

2)样品的制备 由于钛酸钡粉末是不导电样品,如果直接用扫描电镜观察样品,其放电现象严重,因此需要在样品表面镀一层导电膜,提高样品的导电性能才能用电镜观察形貌。把样品放在镀膜仪里,镀上一层碳膜;也可以将样品放入溶液内分散,将溶液滴到导电胶上,烘干样品后再镀碳膜。由于场发射扫描电镜的分辨率较高,因此要严格控制镀膜的厚度。

在样品制备的时候需要注意保持样品自然的形貌状态,不要挤压样品。由于钛酸钡样品颗粒直径较小,大约100 nm左右,因此可以把样品放入溶剂中用超声波分散,可得到较为分散的样品图像。

2 结果与讨论

2.1 镀膜方法的研究

由于钛酸钡是不导电样品,如果不镀膜,在扫描电镜的高能电子束的作用下会产生电荷积累,影响入射电子束斑和样品发射的二次电子运动轨迹,样品放电现象严重,图像质量很差。图1(a)和图1(b)就很明显的反映出钛酸钡镀膜的效果。

实验使用的镀碳仪以高纯度碳棒为溅射材料,我们研究了溅射时间、电流控制与镀金膜厚度的关系。实验条件:离子溅射仪工作距离为50 mm,真空度0.05 mbar,电流控制10 m A。不同溅射时间下镀膜的厚度对图像质量有影响,扫描电镜操作参数相同,相对应的扫描电镜图片如图2所示。由图2可知,镀膜30 s后的电镜图中样品颗粒有些模糊,表面结构不是很清楚;镀膜1 min和2 min的电镜图中样品颗粒都比较清楚,效果差不多。因此,镀膜时间选择1 min即可。

下面讨论不同制样方法的影响:

制样方法1:将导电胶粘贴在样品台上,将钛酸钡粉末均匀的撒在导电胶上,用洗耳球吹走未黏住和黏得不牢的粉末,避免有粉末被吸入仪器内,最后对样品进行喷金镀膜处理。制样方法2:将样品分散到浓度为1%～2%的乙醇溶液中,超声分散10 min后,将溶液直接滴到导电胶上,烘干后镀膜处理,见图3。由图3可知,采用方法1制样得到的电镜图样品颗粒团聚现象比较严重,而方法2制样得到的电镜图中样品颗粒比较分散,但样品的表面结构没有方法1制样的清晰,因此选用方法1制样效果更好。

2.2 加速电压对SEM图像质量的影响

抑制控制指注意力集中于相关的信息并加工过程，同时抑制无关的信息和过程，是执行功能的核心成分之一。常用Stroop测验、Go/Nogo任务反映执行功能抑制性控制的测验。Simonsen等[20]的研究中显示,双相Ⅰ型和双相Ⅱ型均存在抑制控制，且双相Ⅰ型损害更严重；而Gruber等[21]研究缓解期的双相抑郁和双相躁狂的抑制控制均有改善，且前者改善较显著。

针对钛酸钡粉末样品的特性,在工作距离为5 mm条件下,分别采用3 k V、5 k V、10 k V、15 k V的加速电压,对样品同一位置的形貌进行图像采集。获得样品的SEM图像分别如图4所示。

由图4可以看出,调整加速电压是得到质量较高图像的重要方法,对钛酸钡粉末样品进行表面形貌观察宜使用较高的加速电压。

2.3 工作距离对SEM图像质量的影响

为优化图像质量,确定加速电压不变,调整工作距离,观察样品成像变化,见图5。在其他条件不变的情况下,随着工作距离的减小,成像分辨率提高,样品颗粒表面信息越丰富,图像越清晰。

2.4 减速功能对SEM图像质量的影响

对于有些样品,使用减速功能可降低表面电荷,有利于样品的观察。在观测钛酸钡样品时使用减速功能,加速电压为5 k V,着陆电压2 k V。图6(a)和图6(b)显示有无使用减速功能的SEM图像。

比较其他条件相同的两张图片可以看出,使用了减速功能,并没有获得样品表面更为丰富的形貌细节,图像立体感也没有更强,反而图像的效果变差,说明观测钛酸钡样品并不适合使用减速功能。

样品为100 nm左右的细小颗粒,对样品进行能谱分析,所得图像与分析结果见图7、表1。根据结果可知Ba/Ti约等于100%。

3 结 语

如果样品导电性能差,要获得好的扫描电镜图像必须先进行镀膜处理,然后才能进行电镜拍摄,镀膜条件的改变也会得到不同的电镜图片。样品自身性质,如形态、分散程度对成像质量影响较大,制样方法不同,得到的形貌图像也会有所不同。扫描电镜的实验条件,如加速电压、工作距离等也对图像质量有一定的影响。因此,要根据样品的特点和研究目的选用合适的制样方法和实验条件。

该文采用的能谱分析技术为研究钛酸钡样品化学组成提供了新的手段,其结果不仅能反映样品的主要组成元素,而且还能很好地显示主要组成元素的分布。该实验说明扫描电子显微镜加X射线能谱仪是粉末样品化学成分分析的重要技术之一。同时,扫描电子显微镜的样品制备简单,放大倍率连续可调、景深大、分辨本领高,是观察样品表面的有效工具。扫描电镜配有X射线能谱仪,可在观察形貌同时进行微小区域的成分分析,提高了分析效率。

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Application Analysis of Barium Titanate by Scanning Electron Microscope and Energy Dispersive X-ray Spectrometer

LI Jiɑn-mei
(Bengbu Design&Research Institute for Glass Industry,Bengbu 233018,China)

In this article,barium titanate is characterized by scanning electron microscope and energy dispersive X-ray spectrometer.According to the characteristics of the material of barium titanate and working target,this article provides various test working conditions.By the results comparison,this article finds the best conditions of barium titanate observed and analyses its components.

scanning electron microscope; energy dispersive X-ray spectrometer;barium titanate

2014-06-07.

李建梅(1981-),工程师.E-mail:lijianmei@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.001