Phân tích lớp sơn lớp phủ có thể thực hiện bởi Kính hiển vi điện tử quét (SEM) TESCAN cùng với EDS, giúp chúng ta thu được độ phóng đại rất cao – lên tới 1 triệu lần. Tuy nhiên, việc phân tích lỗi lớp phủ bằng SEM thường chỉ sử dụng độ phóng đại lên tới 10.000X và một số mức phóng đại thấp hơn có thể đạt được bằng kính hiển vi quang học. SEM có một số tính năng hữu ích khác mà kính hiển vi quang học không thể thực hiện. Một trong những tính năng đó là độ sâu ảnh lớn (Depth of Focus) cho phép chụp ảnh bề mặt nét (không bị nhòe) ở những nơi có độ mấp mô lớn. Hình ảnh bề mặt của một miếng thép thu được bằng SEM được cung cấp như Hình 1 đến Hình 6 dưới đây theo thứ tự tăng dần độ phóng đại. Lớp phủ trên thép đã được loại bỏ bằng cách sử dụng chất làm bong sơn hóa học để lộ bề mặt thép bên dưới để kiểm tra. Độ sâu ảnh và toàn bộ hình ảnh có thể được lấy nét đồng thời, dù ở độ phóng đại thấp hay cao. Độ rõ nét của hình ảnh vượt xa những gì có thể đạt được bằng kính hiển vi quang học.
Phân tích lớp sơn lớp phủ
SEM sẽ quét một khu vực được quan tâm của mẫu với chùm electron hội tụ năng lượng cao, rồi phân tích các điện tử & bức xạ phát ra. Có thể sử dụng ba chế độ hình ảnh bằng các loại đầu dò khác nhau: Điện tử thứ cấp (SE), Điện tử tán xạ ngược (BSE) và Phổ năng lượng tán xạ tia X (EDS).
Các electron bật ra khỏi các nguyên tử nằm gần bề mặt của mẫu được gọi là “Điện tử thứ cấp”. Các electron này được thu nhận bởi đầu dò SE tích điện dương của kính hiển vi và tín hiệu điện tử tạo ra được chuyển thành hình ảnh bề mặt với thang màu xám tối (tương phản), trong đó sự tăng dần của màu xám mô tả hình thái bề mặt mẫu. Các hình ảnh được thể hiện trong Hình 1 đến Hình 3 được tạo ra bởi đầu dò điện tử thứ cấp SE. Đầu dò SE chỉ tương tác một một lớp mỏng phía trên bề mặt (như trong Hình 7), và kết quả là hình ảnh được tạo ra là một kiểu ảnh SEM phổ biến mà chúng ta thường thấy. SE phát ra từ sâu bên trong mẫu được hấp thụ bởi các nguyên tử khác vì SE có năng lượng thấp.
Một số electron trong chùm tia điện tử đi sâu hơn vào các lớp vật liệu bên trong, rồi chính nó đi ngược ra khi tương tác với bề mặt mẫu. Năng lượng không bị mất khi electron phản xạ; các điện tử tán xạ ngược (BSE) vẫn có năng lượng cao và kết quả là có thể phát ra từ sâu bên trong mẫu hơn so với điện tử thứ cấp SE (như trong Hình 7). Do đó, hình ảnh được tạo ra bởi đầu đo điện tử tán xạ ngược BSE không phản ánh hình thái của mẫu (so với ảnh điện tử thứ cấp SE) - (trong một số đầu dò BSE đặc biệt, hãng TESCAN cho phép thiết lập lựa chọn tín hiệu thu trên đầu dò BSE để thu ảnh địa hình bề mặt). Điện tử tán xạ ngược BSE có nhiều khả năng bật ra khỏi các nguyên tử nặng hơn nên tông màu trong hình ảnh thang xám được tạo ra thay đổi theo số hiệu nguyên tử, với các nguyên tử nặng hơn có màu sáng hơn và các nguyên tử nhẹ hơn có màu tối hơn. Hình ảnh vết nứt trên bề mặt thép trong Hình 4 đến Hình 6 thu được thông qua việc thu nhận nhờ các điện tử tán xạ ngược BSE.
Đầu dò Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) được tích hợp cùng với SEM để xác định thành phần nguyên tố gần bề mặt của mẫu. Giới hạn phát hiện là khoảng 0,1% hoặc 1,000 ppm. Khi một electron thứ cấp bật ra khỏi nguyên tử, lỗ trống sẽ được lấp bởi một electron từ mức năng lượng cao hơn. Electron này mất đi một lượng năng lượng đặc trưng (bằng sự chênh lệch năng lượng giữa các mức năng lượng) và năng lượng này được giải phóng dưới dạng tia X. Tia X có năng lượng cao hơn so với SE và BSE, có thể phát ra từ sâu bên trong mẫu, như minh họa trong Hình 7.
Dùng hình ảnh thu được bởi đầu dò SE và BSE để định vị vùng mẫu cần phân tích EDS. Có thể chọn phân tích toàn bộ ảnh, hoặc chọn một vùng nhỏ hơn hoặc thậm chí là các điểm trong ảnh, như được minh họa trong Hình 8. Một phổ được tạo ra cho từng khu vực và phổ được phân tích để cung cấp hàm lượng tương đối của các nguyên tố hoặc xu hướng trong thành phần nguyên tố. Một ví dụ về phổ EDS được thể hiện trong Hình 9.
Hình 10 và 11 cho thấy hình ảnh của một mẫu thép từ một cây cầu ở Pittsburgh đã được phủ ba lớp sơn trên thép. Sự đậm dần của màu xám trong hình ảnh BSE thu được bằng SEM (Hình 10) cho biết vị trí của các thành phần khác nhau có trong mẫu. Hình ảnh EDS trong Hình 11 hiển thị theo thang màu (quy ước bởi phần mềm) của một số nguyên tố được xác định.
Vùng màu tím là lớp phủ hữu cơ
Vùng màu đỏ là sơn gốc chì
Vùng màu xanh lá cây là vảy cán và vùng nâu nhạt là nền thép.
Hình ảnh thu được bằng đầu dò điện tử thứ cấp SE mô tả hình thái bề mặt của mẫu và có thể được sử dụng để kiểm tra địa hình bề mặt của vật liệu nền hoặc mặt cắt ngang của lớp phủ. Số lớp phủ và độ dày của chúng có thể được xác định trong vài trường hợp màu sắc sơn giống nhau. Hình ảnh thu được bằng đầu dò điện tử tán xạ ngược BSE có thể được sử dụng để chụp các biến thể trong thành phần nguyên tố của các khu vực cục bộ của mẫu và xác định các tạp chất, sau đó có thể xác định thành phần nguyên tố bằng đầu dò EDS một cách nhanh chóng. Sau khi các khu vực hoặc điểm trên hình ảnh được chọn, quá trình phân tích định tính này có thể được hoàn thành trong khoảng 30 giây.
Khi phân tích các mẫu sơn phủ, EDS cho kết quả định tính tương đối tốt, nhưng kết quả định lượng không tốt. Thành phần nguyên tố dựa trên các tính toán có thể không chính xác vì nhiều lý do. Nên EDS được coi là một công cụ bán định lượng; - nghĩa là, nó rất hữu ích để xác định hàm lượng tương đối của các nguyên tố và xu hướng khác nhau trong thành phần.
EDS có thể giúp kiểm soát chất lượng tốt hơn khi phát hiện được các tạp chất, nguyên tố lạ không mong muốn bị nhiễm tạp, nhiễm bẩn trong thành phần lớp sơn lớp phủ, làm cơ sở kiểm soát lại quy trình sản xuất, để có các can thiệp và điều chỉnh phù hợp.
Xem thêm: Kính hiển vi điện tử quét SEM TESCAN
