Электронная микроскопия. Исследование надмолекулярной структуры полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

ЭЛЕКТРОмННАЯ МИКРОСКОПИмЯ, совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов микроструктур тел, их локального состава и локализованных на поверхностях или в микрообъемах тел электрических и магнитных полей.

Электронную микроскопию можно разделить на 3 группы:

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ, Transmission electron microscopy, TEM)

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ, High-resolution electron microscopy, HREM)

Растровая электронная микроскопия (РЭМ, Scanning electron microscopy, SEM).

Первый просвечивающий электронный микроскоп созданЭ. Руска. Растровую микроскопию разработали Г. Бинниг и Г. Рорер.

Просвечивающая электронная микроскопия

ПЭМ является наиболее универсальным классическим методом исследования структурных дефектов кристаллов, используется непосредственно для анализа морфологических особенностей, ориентации дефектов относительно решетки матрицы, определения их размеров. Для работы на просвечивающих электронных микроскопах требуются специально приготовленные тонкие препараты - реплики или фольги, прозрачные для электронов. Наиболее распространены электронные микроскопы с ускоряющим напряжением 100 и 200, 300 и 400 кВ, при этом исследуемые образцы должны иметь различную толщину в зависимости от величины ускоряющего напряжения (для 100 кВ в случае кремния оптимальная толщина 0,3-0,4 мкм, для 200 кВ - от 0,6-0,8мкм до 1мкм). Реплики используются для наблюдения микрорельефа, фактуры поверхности исследуемого образца. Сама реплика - это тонкая пленка какого-то вещества, на которой получают отпечаток микрорельефа поверхности. Это осуществляется, например, путем напыления угольной пленки или нанесения пленки лака или желатина. Метод реплик позволяет получать информацию о структуре поверхности образцов. Фольги - тонкие пленки, которые получают из массивных образцов, причем утонение образца необходимо вести таким образом, чтобы не внести в исследуемую область дополнительных нарушений. Утоненный образец, как и снятую реплику, помещают на специальную сетку с крупными отверстиями и размещают в колонне микроскопа. Именно на фольгах ведутся исследования дефектообразования в кристаллах.

Длина волны электронов с энергией 100 кэВ примерно равна 0,004 нм, а разрешающая способность обычного просвечивающего электронного микроскопа составляет ~0,15 нм. В дефектной области наблюдается изменение интенсивности контраста, поскольку в области дефекта или искажена решетка, или наличествует поле упругих напряжений вокруг дислокаций и выделений. При малой деформации решетки матрицы дефект может не выявляться. Кроме того, поскольку просматривается маленький участок при наблюдении дефектов с плотностью менее 10⁸см^-3, для обнаружения дефекта требуется просмотр большого количества фольг.

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения

1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 -образец; 4, 5- объектив и его диафрагма; 6, 7- промежуточная и проекционная линзы; 8 -смотровое окно; 9 - люминесцентный экран; 10 - фотокамера с затвором; 11 - вакуумная система.

ВРЭМ практически новый метод исследования, позволяет наблюдать непосредственно кристаллическую решетку материала -- получать изображение отдельных плоскостей кристаллической решетки. Наименьшее межплоскостное расстояние, которое удалось разрешить с помощью электронной микроскопии высокого разрешения, -0,1-0,2 нм. Особенностью ВРЭМ является использование специальной оптики нового поколения, а определяющим при формировании изображения является не дифракционный, а абсорбционный контраст.

Растровая электронная микроскопия

Схема устройства растровогоэлектронного микроскопа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 - отклоняющая система; 4 - конечная линза с корректором астигматизма; 5 - объектный столик; 6 - образец; 7 - вакуумная система; 8 - генератор разверток; 9 - блок управления увеличением; 10 -селектор сигналов (для выбора регистрируемого вторичного излучения); 11 -видеоусилитель; 12,13 - ЭЛТ и ее отклоняющая система; BИ₁-BИ₃- потоки вторичных излучений; C₁- C₃- электрич. сигналы; Д₁-Д₃- детекторы; ЭЛ₁, ЭЛ₂- электронные лучи; X, Y - направления сканирования (строчная и кадровая развертки).

Использование растровой развертки электронного луча по поверхности образца является одним из способов автоматизации измерений. По своим возможностям РЭМ является продолжением оптической микроскопии, расширяющей ее возможности в исследовании топологии поверхностей кристаллических материалов. Разрешение наиболее распространенных РЭМ достигает 5-10 нм при недостижимой для других видов микроскопов глубине резкости 0,6-0,8 мм, причем при изучении топологии поверхности вполне достаточно использование низковольтных РЭМ с диаметром пучка электронов 10 мкм. Обычно используют пучок электронов с энергией 10-30 кэВ, хотя в отдельных случаях могут использоваться электроны с энергией в несколько сотен эВ. В РЭМ изображение объекта формируется последовательно по точкам и является результатом взаимодействия электронного пучка (зонда) с поверхность образца. Каждая точка образца последовательно облучается сфокусированным электронным пучком, который перемещается по исследуемой поверхности подобно сканированию электронного луча в телевизионных системах. При взаимодействии электронов зонда с веществом возникают ответные сигналы различной физической природы ( отраженные и вторичные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, свет, поглощенный ток и пр.), которые используются для синхронного построения изображения на экране монитора. Для формирования изображения не используется электронно-оптическая система, изменение масштабов изображения осуществляется радиотехническими средствами. Поэтому растровые электронные микроскопы принципиально отличаются от микроскопов, как дифракционных приборов, в обычном понимании этого термина. По существу РЭМ -- это телевизионный микроскоп.

Одним из существенных достоинств РЭМ является возможность в целом ряде случаев проводить исследования образцов практически без предварительной подготовки поверхности. Толщина образцов для РЭМ не имеет определяющего значения. Образцы могут иметь размеры порядка нескольких десятков мм, и ограничиваются только конструктивными возможностями держателя. Область применения методов РЭМ чрезвычайно широка - исследование топографии поверхности, приповерхностных структурных дефектов, электрически активных дефектов, электрических и магнитных доменов, определение атомного состава поверхности.

Исследование надмолекулярной структуры полимеров.

Надмолекулярная структура-физическая структура полимерных тел, обусловленная различными видами упорядочения макромолекул. Надмолекулярная структура аморфных полимеров и кристаллических полимеров различается.

Надмолекулярная структура аморфных полимеров

В полимерах, находящихся в аморфном состоянии, имеет место только ближний порядок, распространяющийся на области, образованный различной конформацией молекул.

Для аморфных полимеров характерно образование упорядоченных областей доменов. Домены соединяются между собой с помощью проходных цепей. Междоменные области состоят из звеньев неупорядоченно расположенных цепей, а также включают в себя проходные цепи и свободные концы цепей не вошедшие в домены. Различают три возможных вида доменов: складчатые(гофрированные),снопообразные(мицеллорные)и глобулярные.

Глобулярные (состоящие из глобул) или фибриллярные (пачечные)агрегаты макромолекул, представляющие собой длительно живущие флуктуационные образования большого размера, являются простейшими формами надмолекулярной структуры в аморфном состоянии полимеров. электронная микроскопия растровый просвечивающий полимер

Надмолекулярная структура кристаллизующихся полимеров.

В кристаллизующихся полимерах образуются области как ближнего так и дальнего порядка. В них может образовываться простейший элемент надмолекулярной структуры кристаллизующихся полимеров-кристаллографическая ячейка. Элементарные ячейки образуют, как правило многослойные плоские пластинки-кристаллиты.

Кристаллиты могут объединятся и в более сложные формы надмолекулярных структур-фибриллы, сростки сферолитов в виде лент, пластин и т.д. В межсферолитном простанстве и между кристаллитами, кроме проходных макромолекул находятся длинные и короткие петли, образованные молекулярными цепями, свободные концы макромолекул, примеси и различные дефекты. Наблюдать их во многих случаях возможно при помощи электронной и оптической микроскопии.

Различия в надмолекулярных структурах заметно влияют на физические свойства полимера, которые не определяются одним его химическим строением. Направленное изменение надмолекулярных структур, достигаемое температурными, механическими и другими воздействиями существенно влияет на комплекс свойств полимерного тела и широко применятся в промышленности (изготовление высокопрочных волокон и плёнок, модифицирование пластмасс). Пространство между надмолекулярными структурными образованиями имеет менее совершенное и более дефектное строение с низкой молекулярной плотностью. Это пространство фактически и определяет механические и физико-химические свойства полимеров.

Надмолекулярные структуры в полимерах исследуются методами электронной микроскопии, нейтронографии, рентгеновской дифракции, светорассеяния, двойного лучепреломления и др.

Размещено на Allbest.ru