Одним из самых востребованных методов исследований с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) является получение электронных изображений с одновременным определением химического состава объектов образца. Современные спектрометры регистрируют все элементы от бериллия до плутония, однако при решении задач, связанных с анализом углерод-содержащих фаз, возникают определенные трудности. Дело в том, что рабочий режим СЭМ подразумевает создание высокого вакуума в камере образцов, но, несмотря на это, в камере всегда присутствуют остаточные углеводородные молекулы, которые адсорбируются на поверхность образца и полимеризуются под воздействием пучка электронов, образуя углеродные остатки (нагар). Слой нагара, а также, зачастую, наличие жировых или иных органических загрязнений на поверхности образца приводят к тому, что при по-пытке определения состава углерод-содержащих фаз наблюдается завышение концентрации С.
Рис. 1. В данной работе использовался сканирующий электронный микроскоп TESCAN Mira 3 LMU
Например, при изучении образцов медного сплава, содержащего частицы карбида вольфрама (рис. 2), оказалось, что частицы W-C многофазны. Это следует из анализа изображений в отраженных электронах (BSE), на которых, как известно, объекты разного состава имеют разную яркость в градациях серого.
Отметим, что для визуализации многокомпонентности частиц W-C использован детектор отраженных электронов сцинтилляционного типа, который отличается более высокой чувствительностью по сравнению с традиционно применяемым полупроводниковым BSE-детектором.
Рис. 2: Шлиф медного сплава, содержащего частицы карбида вольфрама. Общий вид и одна из частиц W-C
Для неразрушающей очистки поверхности использовалась установка для плазменной очистки Evactron 25/45. Процесс плазменной очистки состоит из следующих стадий:
- создание радикалов кислорода в низкотемпературной радиочастотной плазме (источник газа — воздух);
- плазмохимическое травление радикалами кислорода гидрокарбонатов, содержащихся в камере СЭМ и на образцах;
- в результате окисления гидрокарбонатов образуются летучие молекулы H2O, CO, CO2, короткоцепочечные спирты и кетоны;
- летучие молекулы удаляются из камеры системой откачки СЭМ.
Удаление гидрокарбонатов из камеры СЭМ и с поверхности образцов приводит к тому, что спектральный микроанализ углерод-содержащих фаз становится более корректным. В качестве примера в таблице ниже приведены результаты EDS1-анализа трех компонентов частицы W-C.
Из таблицы видно, что до плазменной очистки три карбида W-C имели скорее случайные содержания C, а после очистки компоненты 1 и 2 соответствуют фазе WC, а компонент 3 – фазе W2C, что согласуется с диаграммой состояний W-C (рис. 3).
В данной работе плазменная очистка длилась 17 часов, в том числе и в ночное время. Если использовать очистку регулярно, то ее продолжительность заметно сократится.
Рис. 3 – Диаграмма состояний W-C. Sara R.V. J.Am. Ceram.Soc., 1965, 48, 5, p.253h
Рис. 4 – Наложение двух спектров (фрагмент): желтый – до плазменной очистки, красный – после очистки. Прочие параметры сбора спектров одинаковы
До очистки в спектре с медной матрицы наблюдался пик углерода, чье наличие там объясняется только нагаром и загрязнениями поверхности. После плазменной очистки пик углерода уменьшился приблизительно в два раза (рис. 4), но полностью устранить присутствие пика углерода в спектре с металла не удается, прежде всего, по двум причинам: 1) атомы углерода в полимерном окне EDS-спектрометра генерируют фотоны при прохождении регистрируемого излучения сквозь окно; 2) на поверхности большинства металлов формируется стабильный окисленный слой, который препятствует полноценному травлению.
1 EDS — энергодисперсионный микроанализ. В данной работе использовалась система EDS-анализа AZtec производства Oxford Instruments, оснащенная энергодисперсионным спектрометром X-Max 80
2 Погрешности измерений вычисляются автоматически на основе данных о количестве фотонов, зарегистрированных в соответствующем пике спектра
