固体催化剂的常用表征技术

1、2021/8/61固体催化剂几种常用表征固体催化剂几种常用表征技术简介技术简介 报告人：万家峰报告人：万家峰2021/8/62 多晶X射线衍射2021/8/63一、一、X射线发展史：射线发展史： X射线是波长很短的电磁波，通常位于射线是波长很短的电磁波，通常位于100A0.01A波长范围内，因此能量大，穿透力强。波长范围内，因此能量大，穿透力强。 1895年德国物理学家年德国物理学家伦琴伦琴在研究阴极射线时发在研究阴极射线时发现了现了X射线（射线（1901年获得首届诺贝尔奖）年获得首届诺贝尔奖） 1912年，德国的年，德国的Laue 确定了著名的晶体衍射确定了著名的晶体衍射劳埃方程式。从而形成

2、了一门新的学科劳埃方程式。从而形成了一门新的学科X射线衍射线衍射晶体学。射晶体学。 （1914年获得诺贝尔奖）年获得诺贝尔奖） 1913年，英国年，英国Bragg导出导出X射线晶体结构分析射线晶体结构分析的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定了的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定了NaCl的晶体结构。（的晶体结构。（ 1915年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖) 2021/8/64二、晶体结构与非晶体结构二、晶体结构与非晶体结构图图1-1 NaCl晶体结构晶体结构2021/8/65根据宏观根据宏观对称性，有十对称性，有十四种空间格子，四种空间格子，对应七种晶系对应七种晶系2021/8/66三三.

3、X射线衍射原理射线衍射原理 Braag方程方程 满足衍射的条件为：满足衍射的条件为： 2dsin = n d为面间距，为面间距， 为为Bragg角。这即为角。这即为Bragg方程。方程。图图1-2 Braag方程方程2021/8/67晶面晶面2021/8/68四、四、X射线衍射仪射线衍射仪图图1-3 X射线衍射仪基本结构射线衍射仪基本结构2021/8/69图图1-4 X射线衍射仪基本结构射线衍射仪基本结构2021/8/6102021/8/611五、五、X射线衍射仪的应用射线衍射仪的应用1. 定性分析定性分析图图1-5 ZSM-5的的XRD图图Unit cell: a = 19.879, b =

4、 20.107, c = 13.369, alpha = 90, beta = 90.67, gamma = 90 2021/8/6121. 定性分析定性分析图图1-6 ZSM-12的的XRD图图Unit cell: a = 24.8633, b = 5.01238, c = 24.3275, alpha = 90, beta = 107.7215, gamma = 90 2021/8/613lZrAlTiNiCuSn快速冷凝制备非晶态合金材料，图谱表现有典型的漫散峰和较高的衍射背底。 2021/8/614l高分子由于其结晶性差，衍射本领弱，因此图谱由晶态和非晶态组成。随拉伸度的不同可引起取向

5、和结晶度变化。2021/8/615图图1-7 晶化时间对晶化时间对ZSM-12晶体结构的影响晶体结构的影响2021/8/616图图1-8 不同不同Sn负载量的负载量的Cu-Sn/-Al2O3催化剂催化剂XRD图图2021/8/6172.物相定量分析物相定量分析 某晶体的每一衍射的强度某晶体的每一衍射的强度I又与结构因子又与结构因子F模量模量的平方成正比：的平方成正比： 式中式中I0为单位截面积上入射线的强度为单位截面积上入射线的强度, V为参与衍为参与衍射晶体的体积射晶体的体积, K为比例系数为比例系数. 每一衍射线的强度与每一衍射线的强度与V有关，在混合物的情况则有关，在混合物的情况则应与该

6、衍射线所对应物相的含量有关。应与该衍射线所对应物相的含量有关。2021/8/618l合成的ZrO2微粉具有T相（四方）、M相（单斜）二者相对含量T相49.44%，M 相50.56%。2021/8/619X射线光电子谱射线光电子谱(XPS)X-ray Photoelectron Spectroscopy2021/8/620X射线光电子谱是重要的表面分析技术之射线光电子谱是重要的表面分析技术之一。它不仅能探测表面的化学组成，而一。它不仅能探测表面的化学组成，而且可以确定各元素的化学状态，因此，且可以确定各元素的化学状态，因此，在化学、材料科学及表面科学中得以广在化学、材料科学及表面科学中得以广泛地

7、应用。泛地应用。X射线光电子能谱是瑞典射线光电子能谱是瑞典Uppsala大学大学K.Siegbahn及其同事经过近及其同事经过近20年的潜心年的潜心研究而建立的一种分析方法。研究而建立的一种分析方法。 2021/8/621v光电效应光电效应根据根据Einstein的能量关系式有：的能量关系式有： h = EB + EK 其中其中 为光子的频率，为光子的频率，EB 是内层电子的轨道结合是内层电子的轨道结合能，能，EK 是被入射光子所激发出的光电子的动能。是被入射光子所激发出的光电子的动能。实际的实际的X射线光电子能谱仪中的能量关系。即射线光电子能谱仪中的能量关系。即 SP和和 S分别是谱仪和样品

8、的功函数分别是谱仪和样品的功函数 。)(SSPKVBEhE2021/8/622vX射线光电子谱仪射线光电子谱仪2021/8/623Schon1972Johansson1973Asami1976Richter1978Bird1980Cu 3pAu 4f7/2Ag 3d5/2Cu 2p3/2Cu LMM,EKEB，EF ref分析仪器分析仪器 75.2 0.1 84.0368.2932.2 0.1919.0 0.1567.6 0.1PdAEIES100 83.8 0.2368.2 0.2932.8 0.2918.3 0.2568.35 .2PdMaqnelic 84.07368.23932.539

9、18.65567.96PdAEIES200 84.0 932.7918.35568.25PdAEIES200 83.98 0.02368.21 0.03932.66 0.06918.64 0.04567.97 0.04PdAEIES200B2021/8/624图2-1 金属Ag的XPS图2021/8/625图2-2 Cu-Ce/-Al2O3催化剂的XPS全谱图2021/8/626图图2-3 AlCl3-MCM-41催化剂的催化剂的XPS图图2021/8/627图2-4 不同焙烧温度的Cu/-Al2O3催化剂表面上O1s的XPS图2021/8/628图2-5 不同焙烧温度的Cu/-Al2O3催化

10、剂表面上2种O的分峰拟和XPS图2021/8/6292021/8/630全自动比表面及孔隙度分析仪全自动比表面及孔隙度分析仪2021/8/631基本原理：基本原理：l在等温条件下，通过测定不同压力下材料对气体在等温条件下，通过测定不同压力下材料对气体的吸附量的吸附量, 获得等温吸附线，应用适当的数学模型获得等温吸附线，应用适当的数学模型推算材料的推算材料的比表面积比表面积, 多孔材料的多孔材料的孔容积孔容积及及孔径分孔径分布布，多组分或载体催化剂的，多组分或载体催化剂的活性组分分散度。活性组分分散度。00.20.40.60.81P/P00306090120150Volume STP cc/gS

11、achtopore 60Sachtopore 60Sachtopore 100Sachtopore 100Sachtopore 300Sachtopore 300Sachtopore 1000Sachtopore 1000Sachtopore 2000Sachtopore 20002021/8/6322021/8/6332021/8/634l在低相对压力区域，气体吸附量有一个快速增长。这归因于微孔填充。l随后的水平或近水平平台表明，微孔已经充满，没有或几乎没有进一步的吸附发生。l达到饱和压力时，可能出现吸附质凝聚。l外表面相对较小的微孔固体，如活性炭、分子筛沸石和某些多孔氧化物，表现出这种等温

12、线。2021/8/635lII型等温线一般由非孔或大孔固体产生。B点通常被作为单层吸附容量结束的标志。lIII型等温线以向相对压力轴凸出为特征。这种等温线在非孔或大孔固体上发生弱的气固相互作用时出现，而且不常见。2021/8/636lIV型等温线由介孔固体产生。l典型特征是等温线的吸附曲线与脱附曲线不一致，可以观察到迟滞回线。l在p/p0值较高的区域可观察到一个平台，有时以等温线的最终转而向上结束(不闭合)。2021/8/637lV型等温线的特征是向相对压力轴凸起。V型等温线来源于微孔和介孔固体上的弱气固相互作用，而且相对不常见。lVI型等温线以其吸附过程的台阶状特性而著称。这些台阶来源于均匀

13、非孔表面的依次多层吸附。这种等温线的完整形式，不能由液氮温度下的氮气吸附来获得。2021/8/6382021/8/6392021/8/640lH1型迟滞回线可在孔径分布相对较窄的介孔材料，和尺寸较均匀的球形颗粒聚集体中观察到。2021/8/641lH2型迟滞回线由有些固体，如某些二氧化硅凝胶给出。其中孔径分布和孔形状可能不好确定，比如，孔径分布比H1型回线更宽。2021/8/642lH3型迟滞回线由片状颗粒材料，如粘土，或由楔形孔(裂隙孔)材料给出，在较高相对压力区域没有表现出任何吸附限制。2021/8/643lH4型迟滞回线出现在含有狭窄的楔形孔的固体中，如活性炭中见到，在较高相对压力区域也

14、没有表现出吸附限制。2021/8/644l 比表面：比表面：BET, Langmuir (微孔微孔), DR, BJH, DHl 中孔分布：中孔分布：BJH, DH l 微孔分布：微孔分布：DA (DR理论的扩展理论的扩展), HK, SFl 微孔微孔/中孔分布：中孔分布：MP, DFTl 微孔体积：微孔体积：t-方法，方法，DR(含平均孔宽含平均孔宽,分子筛和分子筛和活性碳等微孔表征）活性碳等微孔表征）l 分形维数：分形维数：FHH, NKl 总孔体积：平均孔径总孔体积：平均孔径2021/8/6452021/8/646AS 系列控制图系列控制图2021/8/64724681012141618

15、0.0000.0050.0100.0150.0200.025 Dv(w) Pore Width/A Cu-HY HY 图图1 改性前后分子筛微孔孔径分布改性前后分子筛微孔孔径分布2021/8/6480501001502002503000.0000.0020.0040.0060.0080.010 Dv(w) Pore Width / A Cu-HY HY图图2 改性前后分子筛大孔孔径分布改性前后分子筛大孔孔径分布2021/8/649 CuHY SURFACE AREA DATAMultipoint BET. 5.838E+02 m2/gLangmuir Surface Area. 8.662E+

16、 m2/gBJH Method Cumulative Desorption Surface Area 2.075E+02 m2/gDH Method Cumulative Desorption Surface Area. 2.199E+02 m2/gt-Method External Surface Area. 2.934E+02 m2/g t-Method Micro Pore Surface Area. 2.904E+02 m2/g HY SURFACE AREA DATAMultipoint BET. 6.695E+02 m2/g Langmuir Surface Area. 9.675

17、E+02 m2/gBJH Method Cumulative Desorption Surface Area. 2.082E+02 m2/g DH Method Cumulative Desorption Surface Area. 2.197E+02 m2/gDR Method Micro Pore Area. 8.906E+02 m2/g2021/8/650由图由图1、图、图2可知：可知： （1）辛酸铜改性后）辛酸铜改性后HY分子筛的比表面积、分子筛的比表面积、孔容均减小。孔容均减小。 （2）在微孔区，当孔径大于一定值后，少）在微孔区，当孔径大于一定值后，少量有机酸铜盐可以进入分子筛孔径，

18、使得微量有机酸铜盐可以进入分子筛孔径，使得微孔区的孔径略有减小。孔区的孔径略有减小。（3）在大孔区，孔容的减小比较明显，说）在大孔区，孔容的减小比较明显，说明有机酸铜盐更多的是进入分子筛比较大的明有机酸铜盐更多的是进入分子筛比较大的孔径处。孔径处。2021/8/651吡啶吸附红外光谱吡啶吸附红外光谱2021/8/652分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振- -转光谱转光谱辐射分子振动能级跃迁红外光谱官能团分子结构近红外区中红外区远红外区2021/8/6532021/8/654红外光谱图红外光谱图：纵坐标为吸收强度，纵坐标为吸收强度，横坐标为波长横坐标为波

19、长 （ m ）和波数和波数1/ 单位：单位：cm-1可以用峰数，峰位，可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。峰形，峰强来描述。应用：有机化合物的结构解析。应用：有机化合物的结构解析。定性：基团的特征吸收频率；定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度；定量：特征峰的强度；2021/8/655基基团团吸吸收收带带数数据据r， （反反）r r活活泼泼氢氢不不饱饱和和氢氢饱饱和和氢氢三三键键双双键键伸伸缩缩振振动动变变形形振振动动含含氢氢化化学学键键特特征征吸吸收收带带（伸伸缩缩振振动动）指指纹纹吸吸收收带带伸伸缩缩振振动动变变形形振振动动2021/8/656常见基团的红外吸收带常见基团的红外吸收带

20、特征区特征区指纹区指纹区500100015002000250030003500C-H，N-H，O-HN-HC NC=NS-HP-HN-O N-NC-FC-XO-HO-H（氢键）氢键）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HC CC=C2021/8/6572021/8/6582021/8/659干涉仪干涉仪光源光源样品室样品室检测器检测器显示器显示器绘图仪绘图仪计算机计算机干涉图干涉图光谱图光谱图FTS2021/8/6602021/8/661二、吡啶吸附红外法二、吡啶吸附红外法 吡啶吸附红外法是以吡啶吸附红外法是以吡啶吡啶为为探针分子探针分子，在一定的，在一定的条件下吸附在催化剂的表面上，利用

21、吡啶在催化剂表条件下吸附在催化剂的表面上，利用吡啶在催化剂表面酸性中心上的红外特征吸收峰来表征催化剂表面上面酸性中心上的红外特征吸收峰来表征催化剂表面上的的B酸和酸和L酸。酸。 吡啶与溶液中的质子酸吡啶与溶液中的质子酸(例如盐酸溶液例如盐酸溶液)作用在红外光谱中作用在红外光谱中出现出现1540cm-1吸收带。当其吸附在固体表面上质子酸位上时，吸收带。当其吸附在固体表面上质子酸位上时，也形成也形成1540cm-1吸收带。由此判断吸收带。由此判断1540cm-1是吡啶与质子酸作是吡啶与质子酸作用形成用形成PyH+的特征吸收带可用于的特征吸收带可用于质子酸的表征质子酸的表征。 吡啶与溶液中的吡啶与溶

22、液中的L酸酸(例如例如BF3)以及与固体表面上以及与固体表面上L酸作用酸作用，皆生成，皆生成1450cm-1吸收带，因而将它归属为形成吸收带，因而将它归属为形成Py-L配位络合配位络合物的特征吸收带用于物的特征吸收带用于L酸的表征酸的表征。 2021/8/6622021/8/6632021/8/6642021/8/6652021/8/666 热分析法热分析法 2021/8/667l一、基本原理与差热分析仪一、基本原理与差热分析仪l差热分析差热分析(DTA)：在程序控制温度条件下，测量样品：在程序控制温度条件下，测量样品与参比物之间的温度差与温度关系的一种热分析方法。与参比物之间的温度差与温度关

23、系的一种热分析方法。l参比物（或基准物，中性体）：在测量温度范围内不参比物（或基准物，中性体）：在测量温度范围内不发生任何热效应的物质，如发生任何热效应的物质，如 -Al2O3、MgO等。等。l在实验过程中，将样品与参比物的温差作为温度或时在实验过程中，将样品与参比物的温差作为温度或时间的函数连续记录下来，就得到了差热分析曲线。间的函数连续记录下来，就得到了差热分析曲线。l用于差热分析的装置称为差热分析仪。用于差热分析的装置称为差热分析仪。2021/8/668图51 差热分析的原理图 1-参比物; 2-试样; 3-炉体; 4-热电偶 图5-2 试样和参比物的升温曲线 2021/8/669图5-

24、3 DTA装置简图 2021/8/6702021/8/6712021/8/672l图中基线相当于T=0，样品无热效应发生，向上和向下的峰反映了样品的放热、吸热过程。图2 典型的DTA曲线2021/8/6732021/8/6742021/8/675l依据差热分析曲线特征，如各种吸热与放热峰的个数、形状及相应的温度等，可定性分析物质的物理或化学变化过程，还可依据峰面积半定量地测定反应热。 表2 差热分析中产生放热峰和吸热峰的大致原因2021/8/676l（1）定性分析：定性表征和鉴别物质，）定性分析：定性表征和鉴别物质，l依据：峰温、形状和峰数目依据：峰温、形状和峰数目l方法：将实测样品方法：将实

25、测样品DTA曲线与各种化合物的标准（参曲线与各种化合物的标准（参考）考）DTA曲线对照。曲线对照。l标准卡片有：萨特勒标准卡片有：萨特勒(Sadtler)研究室出版的卡片约研究室出版的卡片约2000张和麦肯齐张和麦肯齐(Mackenzie)制作的卡片制作的卡片1662张张(分为矿分为矿物、无机物与有机物三部分物、无机物与有机物三部分)。l（2）定量分析）定量分析l依据：峰面积。因为峰面积反映了物质的热效应（热依据：峰面积。因为峰面积反映了物质的热效应（热焓），可用来定量计算参与反应的物质的量或测定热焓），可用来定量计算参与反应的物质的量或测定热化学参数。化学参数。2021/8/677图54 聚

26、苯乙烯的DTA曲线2021/8/678图55 为差热分析法用于共混聚合物鉴定示例。依据共混物DTA曲线上的特征峰(熔融吸热峰)确定共混物由高压聚乙烯(HPPE)、低压聚乙烯(LPPE)、聚丙烯(PP)、聚次甲氧基(POM)、尼龙6(Nylon 6)、尼龙66(Nylon 66)和聚四氟乙烯(PTFE)7种聚合物组成。2021/8/679l热重法（热重法（TG或或TGA）：）：在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析方法。l其数学表达式为：W=f（T）或（）lW为重量变化，T是绝对温度，是时间。l热重法试验得到的曲线称为热重曲线（即TG）。lTG曲线以质量（或百分率%）为纵坐标

27、，从上到下表示减少，以温度或时间作横坐标，从左自右增加，试验所得的TG曲线。2021/8/680图56 热天平原理图1-机械减码；2-吊挂系统；3-密封管；4-出气口；5-加热丝；6-试样盘；7. -热电偶；8-光学读数；9-进气口；10-试样；11-管状电阻炉；12-温度读数表头；13-温控加热单元2021/8/681图57 热重曲线图a-TG曲线；b-DTG曲线 2021/8/6822021/8/683图图58 聚酰亚胺在不同气氛中的聚酰亚胺在不同气氛中的TG曲线曲线2021/8/684l无机物及有机物的脱水和吸湿；l无机物及有机物的聚合与分解；l矿物的燃烧和冶炼；l金属及其氧化物的氧化与

28、还原；l物质组成与化合物组分的测定；l煤、石油、木材的热释；l金属的腐蚀；l物料的干燥及残渣分析；l升华过程；l液体的蒸馏和汽化；l吸附和解吸；l催化活性研究；l固态反应；l爆炸材料研究；l反应动力学研究，反应机理研究；l新化合物的发现。 2021/8/685扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)2021/8/686SEM成像原理成像原理2021/8/687ACB若：若： C B A 则则: 2eC 2eB2eA 2e能量较低能量较低(50ev)厚度：只能从表面几十埃的厚度：只能从表面几十埃的薄层发出（薄层发出（100埃）埃）面积：只从约等于电

29、子束斑面积：只从约等于电子束斑照射的面积发出（几十埃）照射的面积发出（几十埃）表面形貌表面形貌2021/8/688aebfdc二次电子产率：二次电子产率：abde or f(边缘效应边缘效应), e or f无法区分无法区分abdc(尖端效应尖端效应)2021/8/689扫描电镜的结扫描电镜的结构和工作原理构和工作原理 扫描电子显微扫描电子显微镜由：镜由：电子光学系统电子光学系统(镜筒镜筒)、偏转、偏转系统、信号检系统、信号检测放大系统、测放大系统、图像显示和记图像显示和记录系统、电源录系统、电源系统和真空系系统和真空系统等部分组成。统等部分组成。 2021/8/690 扫描电子显微镜扫描电子

30、显微镜 2021/8/691l（1）可从）可从20倍到倍到20万倍连续调节。万倍连续调节。 l（2）影响）影响SEM图像分辨率的主要因素有：图像分辨率的主要因素有：l 扫描电子束斑直径扫描电子束斑直径 ；l 入射电子束在样品中的扩展效应；入射电子束在样品中的扩展效应；l 操作方式及其所用的调制信号；操作方式及其所用的调制信号； l 信号噪音比；信号噪音比；l 杂散磁场；杂散磁场；l 机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。 l（3）SEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有 l 立体感。立体感。 SE

31、M的主要性能的主要性能2021/8/692SEM与光学显微镜的对比与光学显微镜的对比2021/8/693C C 球球 上上 载载 Pt Pt 颗颗 粒粒2021/8/694 一次担载的一次担载的Au-TiO2/ITO膜的膜的SEM图（图（800倍）倍） 一次担载的一次担载的Au-TiO2/ITO膜的膜的SEM图（图（3000倍）倍） 三次担载的三次担载的Au-TiO2/ITO膜的膜的SEM图（图（800倍）倍） 三次担载的三次担载的Au-TiO2/ITO膜的膜的SEM图（图（3000倍）倍） 2021/8/695MTW-24 (1000X)MTW-28 (1000X)MTW-26 (1000X

32、)MTW-38 (1000X)2021/8/696MTW-24 (5000X)MTW-28 (5000X)MTW-26 (5000X)MTW-38 (5000X)2021/8/697MTW-24 (10000X)MTW-28 (10000X)MTW-26 (10000X)MTW-38 (10000X)2021/8/698MTW-24 (20000X)MTW-28 (20000X)MTW-26 (20000X)MTW-38 (20000X)2021/8/699MTW-28 (50000X)2021/8/6100透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)Transmission Electron Mi

33、croscope2021/8/6101l透射电子显微镜（简称透射电镜，透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM），），可以以几种可以以几种不同的形式出现，如：不同的形式出现，如：l 高分辨电镜（高分辨电镜（HRTEM）l 透射扫描电镜（透射扫描电镜（STEM）l 分析型电镜（分析型电镜（AEM）等等。等等。l入射电子束（照明束）也有两种主要形式：入射电子束（照明束）也有两种主要形式：l 平行束：透射电镜成像及衍射平行束：透射电镜成像及衍射l 会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。TEM的形式的形式2021/8/6102 透射电子显微镜是以波长很短的电子

34、束做照明透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。高放大倍数的电子光学仪器。 以高能电子（以高能电子（50-200keV）穿透样品，根据样穿透样品，根据样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品的衍射方向不同，经过后面的电磁透镜的放大后，品的衍射方向不同，经过后面的电磁透镜的放大后，在荧光屏上显示出图象；透射电镜在加速电压在荧光屏上显示出图象；透射电镜在加速电压Ep=100keV下，电子的波长为下，电子的波长为3.7pm。 TEM原理

35、原理2021/8/6103透射电子显微镜光路原理图透射电子显微镜光路原理图TEM由照明由照明系 统 、 成 像系 统 、 成 像系 统 、 记 录系 统 、 记 录系 统 、 真 空系 统 、 真 空系 统 和 电 器系 统 和 电 器系统组成。系统组成。2021/8/61042021/8/6105l式中：式中：A常数；常数； 照明电子束波长；照明电子束波长；Cs透镜球差系数。透镜球差系数。 l r0的典型值约为的典型值约为0.250.3nm，高分辨条件下，高分辨条件下， r0可达约可达约0.15nm。 4/14/30sCAr2021/8/6106不同温度下焙烧的不同温度下焙烧的Pt离子改性离

36、子改性TiO2纳米粒子的纳米粒子的TEM图图300 400 500 2021/8/61072021/8/61082021/8/61092021/8/6110 由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格由于电子波长极短，同时与物质作用遵从布拉格（Bragg）方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在方程，产生衍射现象，使得透射电镜自身在具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。例如：例如：-Al2O3 -Al2O3 2021/8/6111扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STM） Scanning Tunnelling Microscope2021/8/6

37、112扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明p1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛年，国际商业机器公司苏黎世实验室的葛.宾尼宾尼GBinnig博士和海博士和海.罗雷尔罗雷尔HRohrer博士博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器面分析仪器扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜。p它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个它的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为的物理、化学性质，被国际公认为80年代世界十年代世界十大科技成就之

38、一。大科技成就之一。p为此，为此，1986年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显年，宾尼博士和罗雷尔与发明电子显微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。微镜的鲁斯卡获诺贝尔物理学奖。2021/8/61132021/8/6114 一般认为，金属中处于费米能级一般认为，金属中处于费米能级(EF)上的自由电子，上的自由电子，若想逐出金属表面，则必须获得足以克服金属表面逸若想逐出金属表面，则必须获得足以克服金属表面逸出功出功( )的能量。的能量。l但量子力学理论认为，由于金属中的自由电子具有波但量子力学理论认为，由于金属中的自由电子具有波动性，电子波动性，电子波( )向表面传播，在遇到边界时，一部向表面传播，在遇到边

39、界时，一部分被反射分被反射(反射波反射波 R)，而另一部分则可透过边界而另一部分则可透过边界(透射透射波波 T)，从而形成金属表面上的电子云。从而形成金属表面上的电子云。l当金属当金属1与金属与金属2靠得很近靠得很近(通常小于通常小于1nm)时，两金属时，两金属表面的电子云将相互渗透表面的电子云将相互渗透(两金属透射波两金属透射波 T1与与 T2相互相互重叠重叠)。此即称之为电子隧道效应。此即称之为电子隧道效应。 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)的工的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。作原理是基于量子力学中的隧道效应。2021/8/6

40、115p基于此，若在两金属中加上小的电压基于此，若在两金属中加上小的电压(可称为偏压可称为偏压)，则将在两金，则将在两金属间形成电流，称为隧道电流。隧道电流方向由偏压极性决定。属间形成电流，称为隧道电流。隧道电流方向由偏压极性决定。pSTM以原子尺度的极细探针以原子尺度的极细探针(针尖针尖)及样品及样品(表面表面)作为电极。作为电极。p当针尖与样品表面非常接近当针尖与样品表面非常接近(1nm)时。在偏压作用下产生隧道电流。时。在偏压作用下产生隧道电流。p隧道电流隧道电流(强度强度)随针尖与样品间距随针尖与样品间距(s)成指数规律变化；成指数规律变化；s减小减小0.1nm，则隧道电流则隧道电流(

41、根据材料不同根据材料不同)增大增大101000倍。倍。2021/8/6116l图为扫描隧道显微镜工图为扫描隧道显微镜工作原理图。作原理图。l固定在压电陶瓷传感器固定在压电陶瓷传感器( (三维扫描控制器三维扫描控制器) )上的上的探针可沿样品表面在探针可沿样品表面在x x、y y两个方向扫描；而依据两个方向扫描；而依据探针在扫描过程中沿探针在扫描过程中沿z z方方向向( (垂直于样品表面方向垂直于样品表面方向) )是否产生位移，扫描隧是否产生位移，扫描隧道显微镜可分为恒电流道显微镜可分为恒电流和恒高度两种工作模式。和恒高度两种工作模式。 STM工作原理示意图工作原理示意图(恒电恒电流模式流模式)

42、2021/8/6117l探针针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响探针针尖的尺寸、形状及化学同一性不仅影响显微图像的分辨率，而且影响原子的电子态的显微图像的分辨率，而且影响原子的电子态的测定、分析。测定、分析。l若针尖最尖端只有一个稳定的原子若针尖最尖端只有一个稳定的原子(单原子峰单原子峰)，则能够获得原子级分辨率的图像。则能够获得原子级分辨率的图像。l探针通常用探针通常用0.10.3nm的铂铱合金丝或钨丝经的铂铱合金丝或钨丝经电化学腐蚀制作，通过适当处理，可获得具有电化学腐蚀制作，通过适当处理，可获得具有单原子峰的针尖。单原子峰的针尖。l样品的清洁处理也是获得原子分辨图像的关键。样品的清洁处理

43、也是获得原子分辨图像的关键。2021/8/6118 扫描隧道显微扫描隧道显微镜（镜（STM）由由STM头部头部，电电子学处理部分子学处理部分，减震系统以及减震系统以及计算机计算机系统系统（含软件）组（含软件）组成成2021/8/61192021/8/6120探针及样品探针及样品 2021/8/61212021/8/6122与其他表面分析技术相比，与其他表面分析技术相比，STM具有如具有如下独特的优点：下独特的优点： 1. 具有原子级高分辨率，具有原子级高分辨率，STM 在平在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达行于样品表面方向上的分辨率分别可达 0I nm 和和 001 nm，即可以分辨出即可

44、以分辨出单个原子。单个原子。2021/8/61232021/8/61242可实时得到实空间中样品表面的三维图可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究于表面扩散等动态过程的研究3可以观察单个原子层的局部表面结构，而不可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等位置，以及由吸附体引起的表面重构等2021/8/61252021/8/61264可在真空、大气、