高分子研究方法(2016年)考试说明

1、一 题型单选题 15 题， 共 30 分； 多选题 10 题， 共 30 分； 简答题 8 题， 共 40 分。电镜部分主要为选择题，其他部分各题型均有。二 重点考点（ 电镜部分和 XRD 部分） 1. 各分析方法最基本的原理，尤其是各方法之间的联系和差别。 2. 扫描电镜二次电子像和背散射像的特点和作用 3. 扫描电镜放大倍数的定义 4. 扫描电镜下高分子样品的特点和应对方法 5. 透射电镜的主要衬度 6. 透射电镜的染色剂， 掌握四氧化锇、 四氧化钌、 磷钨酸的用途和用法 7. 支持膜的选择， 掌握普通碳膜、微栅支持膜、超薄碳膜 8. Miller 指数的表示方法 9. 各种 XRD 图像

2、的含义 10. 晶面间距的定义和计算 11. 谢乐公式的含义 12. 布拉格方程（ 例题习题）以上列举为电镜部分和 XRD，AFM和热分析部分以王老师发布的信息为准。1.各分析方法最基本的原理，尤其是各方法之间的联系和差别。 答：1. 光学显微镜 电子显微镜的分辨本领虽然远胜于光学显微镜，但电子显微镜因需在真空条件下工作，所以很难观察到活的生物，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐射损伤。2. 扫描电镜原理 扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用，工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探

3、测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，反映了标本的表面结构。扫描电子显微镜由三大部分组成：真空系统，电子束系统以及成像系统。真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。真空柱是一个密封的柱形容器。真空泵用来在真空柱内产生真空。成象系统和电子束系统均内置在真空柱中。真空柱底端即为右图所示的密封室，用于放置样品。2. 透射电镜原理 电子显微镜是以电子束为照明源，通过电子流对样品的透射或反射及电磁透镜的多级放大后在荧光屏上成像的大型仪器。透射式电子显微镜镜筒的顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、

4、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上。TEM由照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统组成 3. 二者区别3.1 透射式电子显微镜常用于观察那些用普通显微镜所不能分辨的细微物质结构；扫描式电子显微镜主要用于观察固体表面的形貌3.2 透射式电子显微镜镜筒的顶部是电子枪，电子由钨丝热阴极发射出、通过第一，第二两个聚光镜使电子束聚焦。电子束通过样品后由物镜成像于中间镜上，再通过中间镜和投影镜逐级放大，成像于荧光屏或照相干版上，扫描式电子显微镜的电子束不穿过样品，仅在样品表面扫描激发出二次电子。3.3

5、 样品较薄或密度较低的部分，电子束散射较少，这样就有较多的电子通过物镜光栏，参与成像，扫描式电子显微镜不需要很薄的样品。3.4 扫描式电子显微镜的电子枪和聚光镜与透射式电子显微镜的大致相同，但是为了使电子束更细，在聚光镜下又增加了物镜和消像散器，在物镜内部还装有两组互相垂直的扫描线圈。物镜下面的样品室内装有可以移动、转动和倾斜的样品台。2. 扫描电镜二次电子像和背散射像的特点和作用 答：背散射电子像的衬度要比二次电子像的衬度大，二次电子一般用于形貌分析，背散射电子一般用于区别不同的相。二次电子像：1）凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处二次电子产额较多，在荧光屏上这部分的亮度较大。2）平面上的

6、二次电子产额较小，亮度较低。3）在深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，使其不易被控制到，因此相应衬度也较暗。背散射电子像：1）用背散射电子进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子像低。2）背散射电子能量高，以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子而变成一片阴影，因此，其图象衬度很强，衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。因此，背散射电子形貌分析效果远不及二次电子，故一般不用背散射电子信号。3. 扫描电镜放大倍数的定义 答： M=l/L=CRT边长/电子束在试样上的扫描宽度，式中l指荧光屏长度；L是指电子束在试样上扫过的长度。这个比值是通过调节扫描线圈上的电流来

7、改变的。4. 扫描电镜下高分子样品的特点和应对方法 答：1、试样的污染和损伤：聚合物材料对高温耐受性差，导热差，易受污染和损伤，电子束照射后材料表面会出现不同程度的损伤；2、不导电试样表面的电荷积累：产生一些亮的扫描线；画面移动或图像畸变；产生异常衬度。避免电荷积累的方法： 喷镀导电膜； 降低加速电压； 试样倾斜； 制成薄试样（参照TEM），检测透射电子； 低真空模式。3、轻元素，电子穿透深度大。5. 透射电镜的主要衬度 答：衬度：样品两个相邻部分电子束的强度差。其中：C衬度 I电子束强度 透射电镜的衬度通常包括：质厚衬度、衍射衬度和相位衬度1. 质厚衬度（“吸收”衬度）：源于样品的原子序数和

8、样品厚度差别。衬度的强弱还与加速电压有关。2. 衍射衬度：满足布拉格衍射条件的晶体，发生衍射。形成的衍衬像与晶面对入射电子束的衍射强度有关。质厚衬度和衍射衬度统称为振幅衬度。质厚衬度反映物样不同区域对电子的散射能力的差异。衍射衬度反映晶体样品不同区域满足布拉格衍射条件的程度差异。（通常包括晶体取向、种类的差异）3、相位衬度（位相衬度）：散射波和入射波发生干涉产生的衬度。条件：试样厚度小于10nm，细节1nm以下，此时以相位衬度为主。振幅衬度质厚衬度复型、粉末、切片、微晶等高分子研究中的主要衬度衍射衬度结晶性试样、晶粒界面、晶格缺陷等常成为高分子研究中的干扰因素相位衬度晶格、支持膜无定形结构、F

9、resnel环等高分辨像的主要衬度来源6. 透射电镜的染色剂， 掌握四氧化锇、 四氧化钌、 磷钨酸的用途和用法 答：（1）OsO4染色，可染-C=C-双键、-OH基、-NH2基。方法：将切片置于密闭容器中，用2的OsO4水溶液熏30min，或将试样切成样条，在溶液中浸泡一周。（2）RuO4染色：克服了OsO4染色的局限性。对大部分聚合物都能染色，对PVC、PMMA、PAN、PVF不能染色。对不同的聚合物的染色速率不同。方法：用0.5RuO4水溶液熏15 40min。（3）磷钨酸可染PA; 常用磷钨酸的缓冲溶液，利用离子吸附，染色聚合物胶束、纳米颗粒、乳液（干）、蛋白质、病毒体等等7. 支持膜的

10、选择， 掌握普通碳膜、微栅支持膜、超薄碳膜 答：大多数透射电镜样品在制样时，为了确保样品能搭载在“载网”上，会在“载网”上覆一层有机膜，称为“支持膜”。支持膜：（1）有一定的机械强度；（2）电子束照射下稳定性好；（3）容易透过电子射线；（4）本身在实验条件下无结构；（5）化学稳定性好；（6）容易确定厚度；（7）容易制作。当样品放在电镜中观察时，“载网支持膜”在电子束照射下，会产生电荷积累，引起样品放电，从而发生样品漂移、跳动、支持膜破裂等情况。所以，人们考虑在支持膜上喷碳，提高支持膜的导电性，达到良好的观察效果。这种经过“喷碳的载网支持膜”，简称“碳支持膜”，一般膜厚度为7-10nm。从制作成

11、本和使用效果看，铜网最经济实用，所以被普遍采用。因此，人们经常提到的“铜网支持膜”、“碳支持膜”、“碳膜”、“方华膜”等，甚至被误称的“铜网”，大多是指这种具有“铜网喷碳的支持膜”。通常称“碳支持膜”。微栅是支持膜的一个品种，它是在制作支持膜时，特意在膜上制作的微孔，所以也叫“微栅支持膜”，它也是经过喷碳的支持膜，一般膜厚度为15-20nm。它主要是为了能够使样品搭载在支持膜微孔的边缘，以便使样品“无膜”观察。无膜的目的主要是为了提高图像衬度，所以，观察管状、棒状、纳米团聚物等，常用“微栅”支持膜，效果很好。特别是观察这些样品的高分辨像时，更是最佳的选择。超薄碳膜，也是支持膜的一种。它是在微栅

12、的基础上，叠加了一层很薄的碳膜，一般为3-5nm。这层超薄碳膜的目的，是用薄碳膜把微孔挡住。这主要是针对那些分散性很好的纳米材料，如：10nm以下的样品，分散性极好，如果用微栅就有可能从微孔中漏出，如果在微栅孔边缘，由于膜厚可能会影响观察。所以，用超薄碳膜，就会得到很好的效果。8. Miller 指数的表示方法 答：方向的Miller指数 1. 方向必须通过原点。如果未通过原点，则构造一个从原点出发，与原方向矢量平行的矢量2. 取方向的三个分量3. 消除分数（同乘以整数），并化简为最小整数4. 平面指数放在方括号中，负数用上划线表示平面的Miller指数1. 确定平面与三个坐标轴上的交点。平面

13、不能通过原点。如果平面通过原点，应移动原点2. 取交点坐标的倒数(所以平面不能通过原点)。如果平面与某一坐标轴平行，则交点为¥，倒数为零3. 消除分数（同乘以整数），但不化简为最小整数，负数加上划线4. 第四步：加圆括号，记作(hkl)(hkl) 代表一组互相平行、面间距相等的晶面，晶面的面间距：离原点最近的晶面与原点的距离9. 各种 XRD 图像的含义 10. 晶面间距的定义和计算 实晶格的描述原子的位置倒易晶格描述晶面的方向与间距倒易晶格的原点与实晶格原点重合倒易矢量的长度为所代表晶面间距的倒数倒易矢量的方向垂直于所代表的晶面11. 谢乐公式的含义 12. 布拉格方程（ 例题习题

14、） 原子力显微镜和热分析部分（王东老师）1. AFM原理，表征样品的范围，AFM的应用范围；答：AFM是在STM的基础上发展起来的。在原子力显微镜的系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。所不同的是，它不是利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现样品的表面特性。一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，当探针轻微地接触样品表面时，由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生极其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲，将微悬臂弯曲的形变信号转换成光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。从这里我们可以看出，

15、原子力显微镜设计的高明之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。工作原理：在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面之物理特性。将一个对力极为敏感的微悬臂的一端固定，另一端固定针尖，当针尖在样品表面扫描时，因针尖尖端原子与样品表面原子存在的范德华力，使微悬臂产生微小弯曲。检测悬臂弯曲所造成的微小的位移量，得到样品表面信息。隧道电流法：当两侧金属靠近到很小间距时，两侧金属表面电子云互相重叠产生隧道电流，电流大小与两侧金属距离有关。灵敏度高,易被污染原显微镜的优势光学显微镜和电显微镜成像时都受电磁衍射的影响，这给它们辨别三维结构带

16、来困难，所以它们只能提供样品表的维图像， AFM能够提供真正的三维表图。AFM不需要对样品做任何特殊处理，如镀或碳，不会对样品造成不可逆转的伤害。电显微镜需要运在真空条件下，原显微镜在常压下甚在液体环境下都可以良好作。这样可以来研究物宏观分，甚活的物组织。原显微镜的劣势分辨率很，使得在样品制备过程中产的或者是从背景噪中产的极假像都能够被检测、观察到，产假像。成像效果受探针的影响。AFM的缺陷1. 较小的扫描范围，100m到10nm，容易将局部的、特殊的结果当作整体的结果而分析，以及使实验结果缺乏重现性。2. 极其高的分辨率，使得在样品制备过程中产生的或者是从背景噪音中产生的极小假像都能够被检测

17、、观察到，产生假像。 3. 受样品因素限制较大（不可避免）4. 针尖易磨钝或受污染（磨损无法修复；污染清洗困难）5. 针尖样品间作用力较小6. 近场测量干扰问题7. 扫描速率低8. 针尖的放大效应 2. 什么是SFM;答：SFM扫描力显微镜，3.单分子力谱，纳米力学图谱，纳米压痕，接触力学理论；4.AFM衍生功能及应用；答：AFM的应用 小尺寸样品的观察：适用于观察原子级样品，DNA分子等，在纳米材料科学、分子生物学、仿生学等研究领域有广泛研究。纳米加工：利用AFM可以对样品进行表面原子搬运，原子蚀刻，从而制造纳米器件。AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不

18、受样品导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。主要用途：1. 导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像2. 生物样品、有机膜的高分辨成像3. 表面化学反应研究4. 纳米加工与操纵5. 超高密度信息存储6. 分子间力和表面力研究7 摩擦学及各种力学研究8 在线检测和质量控制5. AFM液相里操作的特点和难点；答：空环境中蒸在针尖与样品间形成的细及由此产的细。特点：可以消除空中因湿度引起的细，提扫描成像精度；可以降低范德华的影响；可以完全模拟样品的实际环境，如溶液中晶体的、细胞的发育等；可以便快速调控针尖与样品间的相互作。难点：液体的选择；液位的调节；针尖出液体；光路校正；扫描模式的选择；扫

19、描速度的选择；清洗和干燥。6.AFM样品的制备；答：对样品的要求：平滑的表面制样方法：溶液制膜(滴膜，铸膜，旋转涂膜)基板：硅片、云母、玻璃片滴膜与铸膜，无气泡，控制溶剂挥发速度旋转涂膜，几纳米到几百纳米，甚至微米级薄膜7.如何制备粉状及粒子样品；8.什么是相图；答：辅助图像振幅图: 在接触模式下，给微悬臂加上一个小振幅、低频率的简谐振动后（力调制技术），通过记录微悬臂振幅的变化而成像。相图: 是与振幅图相类似，在轻敲模式下，通过记录高频振动的针尖在接触样品表面后，振动相位的变化（滞后）程度而成像。9.AFM假象的类型，如何避免假象；答：只要是在AFM图像上出现的不属于样品真实信息的结构特征，

20、都可称做假象，包括振动噪音、电子噪音（改善实验室环境）、扫描参数的设置（反馈系数设置、扫描速度设置）、图像处理方法（图像平滑处理）、光的干涉假象、针头展宽效应避免方法：进一步优化系统结构、定期校正扫描头、改善实验环境、提高实验操作水平10.AFM针尖种类和参数；答：（1）、 非接触/轻敲模式针尖以及接触模式探针：最常用的产品，分辨率高，使用寿命一般。使用过程中探针不断磨损，分辨率很容易下降。主要应用与表面形貌观察。（2）、 导电探针：通过对普通探针镀10-50纳米厚的Pt（以及别的提高镀层结合力的金属，如Cr，Ti，Pt和Ir等）得到。导电探针应用于EFM，KFM，SCM等。导电探针分辨率比t

21、apping和contact模式的探针差，使用时导电镀层容易脱落，导电性难以长期保持。导电针尖的新产品有碳纳米管针尖，金刚石镀层针尖，全金刚石针尖，全金属丝针尖，这些新技术克服了普通导电针尖的短寿命和分辨率不高的缺点。（3）、磁性探针：应用于MFM，通过在普通tapping和contact模式的探针上镀Co、Fe等铁磁性层制备，分辨率比普通探针差，使用时导电镀层容易脱落。（4）、大长径比探针：大长径比针尖是专为测量深的沟槽以及近似铅垂的侧面而设计生产的。特点：不太常用的产品，分辨率很高，使用寿命一般。技术参数：针尖高度> 9m；长径比5:1；针尖半径< 10 nm。（5）、类金刚石

22、碳AFM探针/全金刚石探针：一种是在硅探针的针尖部分上加一层类金刚石碳膜，另外一种是全金刚石材料制备（价格很高）。这两种金刚石碳探针具有很大的耐久性，减少了针尖的磨损从而增加了使用寿命。还有生物探针（分子功能化），力调制探针，压痕仪探针11.AFM针尖污染与清洁；答：污染针尖的鉴别法1、共振频率2、-距离曲线3、扫描图像4、显微镜污染针尖的清洁法1、频振动法： 轻度污染，如空中微尘污染2、清洗法： 中等污染，去离，酒精，有机溶剂，弱酸性或弱碱性溶液3、紫外线和臭氧氧化还原法：有机物污染4、更换获得质量图像分辨针尖；的扫描；慢的扫描速度；合适的像素；清洁的样品表与针尖；好的隔降噪系统；合适的环境

23、湿度。12.AFM工作环境及特点；答：AFM受工作环境的限制较小，它可以在超高真空、气相、液相和电化学的环境下操作；(1)真空环境：真空环境可以避免 中杂质和 膜的干扰，但其操作较复杂。最早的扫描隧道显微镜(STM)研究是在超真空下进操作的。后来，随着AFM的出现， 们开始使真空AFM研究固体表 。(2)相环境： 相环境中，AFM多受样品表膜干扰，但其操作较容易，它是泛采的种作环境。可以在空中研究任何固体表，不受样品导电性的限制。(3)液相环境：液相环境中，AFM消除了针尖和样品之间的细现象，因此减少了针尖对样品的总作。液相AFM可以在液相中研究样品的形貌，其应 分 阔，可 于 物体系、腐蚀或

24、液固界的研究(4)电化学环境：如超真空系统样，电化学系统为AFM提供了另种控制环境。电化学AFM是在原有AFM基础上添加了电解池、双恒电位仪和相应的应 软件。电化学AFM可以现场研究电极的性质。包括化学和电化学过程诱导的吸附、腐蚀以及有机和物分在电极表 的沉积和形态变化等。13.光学和相差显微镜，SEM,TEM,AFM,X-ray合理选择表征方法；答：光学显微镜使人类的视觉得以延伸，人们可以观察到像细菌、细胞那样小的物体，但由于光波的衍射效应，使得光学显微镜的分辨率只能达到10-7m.电子显微镜的发明开创了物质微观结构研究的新纪元，扫描电子显微镜（SEM）的分辨率为10-9m，而高分辨透射电子

25、显微镜（HTEM）和扫描透射电子显微镜STEM）可以达到原子级的分辨率01nm，但主要用于薄层样品的体相和界面研究，且要求特殊的样品制备技术和真空条件场离子显微镜（FIM）是一种能直接观察表面原子的研究装置，但只能探测半径小于 100 nm的针尖上的原子结构和二维几何性质，且样品制备复杂，可用来作为样品的材料也十分有限. X射线衍射和低能电子衍射等原子级分辨仪器，不能给出样品实空间的信息，且只限于对晶体或周期结构的样品进行研究STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景14

26、.SPM发展历史及种类，特点；答：扫描探针显微镜SPM，利用反馈回路通过针尖和样品的某种相互作用（光、电、热、磁、力等）来控制针尖在距样品表面定距离处扫描，从而获得样品表面的各种信息。分辨率在原子级0.1nm；相对于TEM,SEM,FIM等高真空的工作环境，SPM工作环境可以是实环境、大气、溶液、真空，低、中、高温，操作环境多样；对样品没有破损。优势：极高分辨率:xy 0.1nm , z 0.01nm,实时高分辨率三维图像，单个原子层的局部表面结构；设备简单、体积小、价格便宜，日常维护运行费用低；对样品无特殊要求，制样容易a. SPM具有极高的分辨率。它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚

27、至电子显微镜所难以达到的。b. SPM得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图像。而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。也就是说，SPM是真正看到了原子。c. SPM的使用环境宽松。电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。因此SPM适用于各种工作环境下的科学实验。d. SPM的应用领域是宽广的。e. SPM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。f. 同其它表面分析技术相比，SPM 有着诸多优势，不仅可以得到高分辨率的表面成像，g. 与其他

28、类型的显微镜相比（光学显微镜，电子显微镜）相比，SPM扫描成像的一个巨大的优点是可以成三维的样品表面图像，还可对材料的各种不同性质进行研究。h. 同时，SPM 正在向着更高的目标发展， 即它不仅作为一种测量分析工具，而且还要成为一种加工工具， 也将使人们有能力在极小的尺度上对物质进行改性、重组、再造SPM 对人们认识世界和改造世界的能力将起着极大的促进作用。同时受制其定量化分析的不足，因此SPM 的计量化也是人们正在致力于研究的另一重要方向，这对于半导体工业和超精密加工技术来说有着非同一般的意义。SPM近些年来应用的领域越来越多，其中主要的除了获得高分辨的二维和三维表面形貌外，在线监测是个热点

29、，其中包括了生物活体的在线监测和物理化学反应的在线监测。在材料领域中，人们利用它来研究腐蚀的微观机理。腐蚀是一种发生在固体与气体或液体分界面上的现象。虽然通常人眼就可以看到腐蚀造成的结果，但是腐蚀都是从原子尺度开始的。在生物医学研究对象也从最初的DNA迅速扩大到包括细胞结构、染色体、蛋白质、膜等生物学的大部分领域。更为重要的是，SPM作为静态观察，还可以实现动态成像，按分子设计制备具有特定功能的生物零件、生物机器、将生物系统和微机械有机地结合起来。在微机械加工方面：由于SPM 的针尖曲率半径小,且与样品之间的距离很近( < 1nm)，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的场，包括力、电

30、、磁、光等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生结构性缺陷、相变、化学反应、吸附质移位等干扰，并诱导化学沉积和腐蚀，这正是利用SPM 进行纳米加工的客观依据。同时也表明，SPM不是简单用来成像的显微镜，而是可以用于在原子、分子尺度进行加工和操作的工具在纳米尺寸、分子水平上SPM是最先进的测试工具，它在材料及微生物学科中发挥了非常重要的作用，可以预测在今后新材料的发展以及揭示生命领域的一些重要的问题上将会发挥重要作用。缺点：由于其工作原理是控制具有一定质量的探针进行扫描成像，因此扫描速度受到限制， 测效率较其他显微技术低；由于压电效应在保证定位精度前提下运动范围很小（难以突破100m量级），

31、而机械调节精度又无法与之衔接，故不能做到象电子显微镜的大范围连续变焦，定位和寻找特征结构比较困难；目前扫描探针显微镜中最为广泛使用管状压电扫描器的垂直方向伸缩范围比平面扫描范围一般要小一个数量级，扫描时扫描器随样品表面起伏而伸缩，如果被测样品表面的起伏超出了扫描器的伸缩范围，则会导致系统无法正常甚至损坏探针。因此，扫描探针显微镜对样品表面的粗糙度有较高的要求；由于系统是通过检测探针对样品进行扫描时的运动轨迹来推知其表面形貌，因此，探针的几何宽度、曲率半径及各向异性都会引起成像的失真（采用探针重建可以部分克服)15.AFM和SPM的区别；16.STM成像原理及仪器构造；答：扫描隧道显微镜STM，

32、扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。对于经典物理学来说，当一个粒子的动能E低于前方势垒的高度V0时，它不可能越过此势垒，即透射系数等于零，粒子将完全被弹回。而按照量子力学的计算，在一般情况下，其透射系数不等于零，也就是说，粒子可以穿过比它能量更高的势垒，这个现象称为隧道效应。隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。扫描隧道显微镜的基本原理是将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近 (通常小于1nm) 时，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。（隧道探针一般采用直径小于1mm的细金属丝

33、，如钨丝、铂-铱丝等，被观测样品应具有一定的导电性才可以产生隧道电流）隧道电流强度对针尖和样品之间的距离有着指数依赖关系，当距离减小0.1nm，隧道电流即增加约一个数量级。因此，根据隧道电流的变化，我们可以得到样品表面微小的高低起伏变化的信息，如果同时对x-y方向进行扫描，就可以直接得到三维的样品表面形貌图，这就是扫描隧道显微镜的工作原理。AFM是在STM的基础上发展起来的一种显微技术。STM是利用原子间的隧道效应进行测量的。STM就是根据这种效应制成的。当针尖和样品面间距足够小时（<0.4nm），在针尖和样品间施加一偏置电压，便会产生隧道效应，电子会穿过势垒，在针尖和样品间流动，形成隧

34、道电流。在相同的偏置电压下，电流强度对针尖和样品间的距离十分敏感，隧道电流随间距呈指数变化，样品表面的形貌影响着隧道电流的剧烈变化，这种电流变化有计算机进行处理就可以的到样品表面的形貌了。STM的结构扫描隧道显微镜 (STM)系统组成: 电流检测与反馈系统 恒电流 恒高常用的STM 针尖安放在一个可进行三维运动的压电陶瓷支架上，如图所示，Lx、Ly、Lz分别控制针尖在x、y、z方向上的运动。在Lx、Ly上施加电压，便可使针尖沿表面扫描；测量隧道电流 I ，并以此反馈控制施加在Lz上的电压Vz；再利用计算机的测量软件和数据处理软件将得到的信息在屏幕上显示出来。优势：具有极高的分辨率得到的是实时的

35、、真实的样品表面的高分辨率图象使用环境宽松应用领域是宽广的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的STM最重要的用途在于纳米技术上；STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。实现了单原子和单分子操纵，单分子化学反应已经成为现实；在分子水平上构造电子学器件扫描隧道显微镜的局限性:扫描隧道显微镜在恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差.扫描隧道显微镜所观察的样品必须具有一定程度的导电

36、性，对于半导体，观测的效果就差于导体，对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。扫描隧道显微镜的工作条件受限制，如运行时要防振动，探针材料在南方应选铂金，而不能用钨丝，钨探针易生锈。17.AFM操作模式；答：恒电流扫描，高度变化；恒高扫描，电流变化接触模式：微悬臂探针紧压样品表面，检测时与样品保持接触，作用力（斥力）通过微悬臂的变形进行测量。该模式下，针尖与样品表面相接触，分辨率高，但成像时针尖对样品的作用力较大，适合表面结构稳定的样品。接触模式针尖与样品表面距离小，利用原子间的斥力可获得高解析度图像样品变形，针尖受

37、损，软组份的变形可能会导致得出错误的相结构信息不适合表面柔软的材料，通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。非接触模式针尖距样品表面5nm20nm，作用力在引力范围不损伤样品表面，可测试表面柔软样品优点：针尖不接触样品，对样品无损伤缺点：环境噪声大、需在真空中实验，不能再液体环境中操作，分辨率低误判的现象 ，需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接触）所得到的信号更小，需要更灵敏的装置，这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低。由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹性的样品较佳，而且针尖或者样品表面不会有钝化效应，不过会有误判现象。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。 轻敲模式：用处于共振状态、上下振荡的微悬臂探针对样品表面进行扫描，样品表面起伏使微悬臂探针的振幅产生相应变化，从而得到样品的表面形貌。该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，能有效克服接触模式下因针尖的作用力，尤其是横向力引起的样品损伤，适合于柔软或吸附样品的检测。轻敲模式：探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到谷底时与样品表面接触对样品破坏小分辨率几乎与接触模式相同间歇接触式：优点：1.分辨率几乎同接触模式