Khả năng phân tích chính xác cấu trúc và thành phần của vật liệu ở cấp độ vi mô là điều cần thiết để thúc đẩy nghiên cứu và đổi mới. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là một công cụ then chốt, cung cấp hình ảnh độ phân giải cao về hình thái bề mặt. Tuy nhiên, chỉ riêng hình ảnh không thể phản ánh đầy đủ chi tiết. Để khám phá thành phần nguyên tố của những vật liệu này, các nhà khoa học dựa vào phổ phân tán năng lượng tia X (EDS), một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ được tích hợp với SEM. EDS cho phép các nhà nghiên cứu thăm dò sâu hơn, tiết lộ không chỉ hình thái của vật liệu mà còn cả thành phần của vật liệu. Hiện nay, với những tiến bộ trong công nghệ SEM—đặc biệt là Phenom Desktop SEM—sự kết hợp giữa hình ảnh và phân tích nguyên tố này đang đạt đến cấp độ mới về tốc độ và khả năng tiếp cận. Hãy cùng khám phá những gì EDS cung cấp và cách Phenom Desktop SEM đang thúc đẩy ranh giới của đặc tính vật liệu.
Phổ phân tán năng lượng tia X (EDS) là gì?
EDS là một kỹ thuật thường được sử dụng kết hợp với SEM để xác định các nguyên tố nào có trên bề mặt mẫu. Kỹ thuật này bao gồm việc sử dụng máy quang phổ tia X để phát hiện tia X phát ra từ mẫu trong khi mẫu được chiếu xạ bởi chùm electron. Sử dụng phần mềm EDS chuyên dụng, phổ tia X thu được có thể được phân tích để xác định độ phong phú nguyên tố tương đối tại các điểm khác nhau trong mẫu1 hoặc để tạo ra các tập dữ liệu phức tạp hơn như bản đồ phân bố nguyên tố.
Khi mẫu tiếp xúc với chùm electron, các tương tác khác nhau xảy ra giữa các electron tới và các nguyên tử trong mẫu. Một số trong các tương tác này dẫn đến việc các electron lớp lõi bị bắn ra do tán xạ không đàn hồi. Khi nguyên tử bị ion hóa trở về trạng thái cơ bản, các electron ở lớp ngoài sẽ lấp vào chỗ trống của lớp lõi, tạo ra tia X có năng lượng bằng với hiệu giữa hai mức năng lượng nguyên tử (Hình 1). Những tia X này, được gọi là tia X “đặc trưng”, xuất hiện dưới dạng các đỉnh trong phổ EDS và là duy nhất đối với từng nguyên tố trong mẫu, tạo ra một “dấu vân tay” giúp xác định chính xác chúng. Bằng cách đo năng lượng của các tia X phát ra, EDS có thể xác định các nguyên tố cụ thể có trong mẫu và hàm lượng tương đối của chúng.2
Có thể khám phá được gì từ SEM-EDS?
Kết hợp SEM với EDS mở ra một thế giới thông tin về thành phần của vật liệu. Trong khi SEM cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao về hình thái bề mặt và địa hình, EDS bổ sung thêm một lớp bằng cách tiết lộ:
- Thành phần nguyên tố: Xác định những nguyên tố nào có trong mẫu. EDS cho phép xác định chính xác các nguyên tố cụ thể trong vật liệu bằng cách phân tích các tia X duy nhất phát ra từ mẫu. Điều này có thể tiết lộ liệu mẫu có chứa các nguyên tố như carbon, oxy, silicon hay các kim loại như đồng và vàng hay không. Điều này rất quan trọng để xác định nguyên liệu thô hoặc chất gây ô nhiễm có trong nhiều ứng dụng, từ hợp kim kim loại đến các mẫu sinh học.
- Phân bố nguyên tố: Lập bản đồ vị trí các nguyên tố cụ thể nằm trên bề mặt. Ngoài việc chỉ xác định các nguyên tố, EDS có thể lập bản đồ phân bố không gian của từng nguyên tố trên bề mặt mẫu. Điều này cho thấy nơi các nguyên tố nhất định tập trung hoặc cách chúng phân tán trên các vùng khác nhau, đặc biệt hữu ích để phát hiện lớp phủ, tạp chất hoặc các biến thể trong thành phần vật liệu. Ví dụ, trong nghiên cứu pin, việc hiểu cách các nguyên tố như niken và coban được phân bố trên bề mặt điện cực có thể cung cấp thông tin cho đánh giá hiệu suất và độ bền (Hình 2).
- Phân tích định lượng: Tính toán nồng độ tương đối của các nguyên tố trong một mẫu. EDS không chỉ cho bạn biết những nguyên tố nào có mặt; nó còn cung cấp một phân tích định lượng về lượng của từng nguyên tố tồn tại trong mẫu (Hình 3). Điều này rất cần thiết trong các ngành công nghiệp mà việc hiểu thành phần cục bộ là rất quan trọng, chẳng hạn như sản xuất hợp kim, sản xuất chất bán dẫn và dược phẩm. Tỷ lệ nguyên tố chính xác là cần thiết để đảm bảo hiệu suất sản phẩm, tuân thủ các thông số kỹ thuật của vật liệu và kiểm soát chất lượng.
- Phân tích pha: Phân biệt các pha khác nhau trong vật liệu theo thành phần nguyên tố của chúng. Nhiều vật liệu được tạo thành từ nhiều pha, mỗi pha có thành phần nguyên tố riêng biệt. Các thuật toán phân tích chuyên dụng, khi kết hợp với bản đồ SEM-EDS, có thể phân biệt giữa các pha này bằng cách xác định các vùng có thành phần tương tự. Điều này đặc biệt quan trọng trong các vật liệu như hợp kim, gốm sứ hoặc mẫu địa chất, nơi các pha khác nhau có thể góp phần tạo nên các đặc tính cơ học hoặc điện độc đáo. Ví dụ, trong điện tử, việc hiểu các pha của mối hàn có thể giúp các kỹ sư đánh giá độ tin cậy của mối hàn (Hình 4).
SEM-EDS vượt trội hơn với Phenom Desktop SEM
Phenom Desktop SEMs đưa SEM-EDS lên một tầm cao mới bằng cách cung cấp sự tích hợp liền mạch giữa hình ảnh và phân tích nguyên tố trong một hệ thống nhỏ gọn. Phenom Desktop SEM đặt ra các tiêu chuẩn mới bằng cách:
- Dễ sử dụng : Theo truyền thống, hệ thống SEM-EDS phức tạp và đòi hỏi chuyên môn đáng kể để vận hành. Phenom Desktop SEM đơn giản hóa quy trình này bằng phần mềm trực quan và quy trình làm việc tự động, giúp người dùng ở mọi cấp độ kinh nghiệm có thể tiếp cận phân tích chất lượng cao.
- Công nghệ ChemiSEM : Phenom Desktop SEM có công nghệ ChemiSEM , cho phép lập bản đồ nguyên tố theo thời gian thực trực tiếp trên hình ảnh SEM trực tiếp. Điều này cung cấp một cách nhanh hơn, trực quan hơn và trực quan hơn để phân tích sự phân bố các nguyên tố trong mẫu. Khả năng thực hiện phân tích hóa học trong khi điều hướng qua các vùng quan tâm khác nhau theo thời gian thực là một bước ngoặt đối với các nhà nghiên cứu.
- Pha Mapping : ChemiPhase (pha mapping) sử dụng dữ liệu EDS để phân biệt và xác định các pha khác nhau trong một mẫu. Không giống như lập bản đồ EDS thông thường, cho thấy sự phân bố của các nguyên tố riêng lẻ, lập bản đồ pha nhóm các vùng có thành phần nguyên tố tương tự thành các cụm riêng biệt. Phương pháp này cung cấp hiểu biết sâu hơn về cấu trúc vi mô của mẫu bằng cách làm nổi bật các khu vực có tỷ lệ nguyên tố tương tự, giúp xác định các pha khác nhau và cung cấp thông tin chi tiết có giá trị về các đặc tính và hành vi của vật liệu.
- Tốc độ và hiệu quả : Với hệ thống tích hợp cao, người dùng có thể chuyển từ hình ảnh sang phân tích nguyên tố đầy đủ trong vòng vài phút. Tốc độ này đặc biệt có giá trị trong các môi trường có thông lượng cao như phòng kiểm soát chất lượng, nơi mà việc ra quyết định nhanh chóng là điều cần thiết.
- Nhỏ gọn và dễ tiếp cận : Không giống như các hệ thống SEM-EDS thông thường thường đòi hỏi không gian chuyên dụng và chi phí vận hành đáng kể, Phenom Desktop SEM nhỏ gọn và dễ dàng phù hợp với bất kỳ môi trường phòng thí nghiệm nào. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn hoàn hảo cho các công ty và tổ chức nghiên cứu muốn nâng cao khả năng phân tích của họ mà không cần cơ sở hạ tầng chuyên dụng.
Kết luận
SEM-EDS là một công cụ quan trọng để hiểu thành phần nguyên tố và phân bố vật liệu. Phenom Desktop SEM không chỉ cung cấp hình ảnh tốt nhất trong phân khúc với độ phân giải dưới micron mà còn tích hợp liền mạch với hệ thống EDS để xác định nguyên tố chính xác. Cho dù bạn đang tiến hành nghiên cứu về khoa học vật liệu, thực hiện phân tích lỗi hay tối ưu hóa công nghệ pin, Phenom Desktop SEM với khả năng EDS là một công cụ thiết yếu để thúc đẩy công việc của bạn.
References
- D. E. Newbury and N. W. M. Ritchie, “Is Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-ray Spectrometry (SEM/EDS) Quantitative?,” The Journal of Scanning Microscopies, vol. 35, pp. 141-168, 2013. https://doi.org/10.1002/sca.21041
- J. I. Goldstein, D. E. Newbury, J. R. Michael, N. W. M. Ritchie, D. C. Joy and J. H. J. Scott, “Energy Dispersive X-ray Spectrometry: Physical Principles and User-Selected Parameters,” in Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, New York, NY, Springer, 2017, pp. 209-234. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-6676-9_16
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hãng Thermo Fisher
EN