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文档简介
第四章——表面分析手段
李硕琦山东科技大学材料学院2015.4ComplexityofRealSurfaces(复杂性)是英雄还是装备?这不是一个问题!BEAConfidential.|3选择学校的另一个标准-分析测试中心BEAConfidential.|4选择学校的另一个标准-分析测试中心BEAConfidential.|5选择学校的另一个标准-分析测试中心BEAConfidential.|6BEAConfidential.|7选择学校的另一个标准-分析测试中心选择学校的另一个标准-分析测试中心BEAConfidential.|8BEAConfidential.|9BEAConfidential.|10表面分析的两个方面
SurfaceSensitivityandSpecificityTwomajordifficultieswithsurfacesciencestudies:(a)Absolutenumberofatomsinsurfaceissmall(sensitivity灵敏度)Typicalsinglecrystalsurfaceof1cm2areacontains~1015atoms/10-9moles表面原子的绝对数量是比较小的。典型单晶1cm2的面积上,只有1015或者说10-9
个原子SurfaceSensitivityandSpecificityTwomajordifficultieswithsurfacesciencestudies:(b)Ratioofsurfaceatomstobulkatomsissmall(specificity特异性)Typicalsurface:bulkatomratioinsolid~10-7-10-8.dependingonsurfacestructureneedtobeabletoseparatesurfacesignalfrombulksignal.表面原子百分比和本体原子的比例很小。所以需要讲表面原子的信号和本体信号区分开来。SurfaceSciencemethodsExperimentalsurfacescienceComputationalsurfacescienceConstructionofmodelsAB+C=>AC+BMethodsforsurfaceanalysisTwomajorinstrumentationtechniquesforsurfaceanalysis:Surfacemicroscopy(表面形貌):a)imagingthesurfaceanddeterminingthemorphology,atomiccrystallinestructure,andotherphysicalpropertiesandfeaturesatdifferentsizescale(nanometerstomicrometers);在纳米到微米的尺度上对表面进行拍照,测定其形貌、晶体结构和其它物理性质。(二维)b)3-dimensionalsurfacestructurewithhighresolution.高分辨率的三维表面结构MethodsforsurfaceanalysisTwomajorinstrumentationtechniquesforsurfaceanalysis:2.Surfacespectroscopy(表面光谱):a)identifyingthesurfacechemicalspeciesanddeterminingtheconcentrations分辨表面化学组成,确定其浓度b)providingbothqualitativeandquantitative(lessused)informationaboutthecompositionofsurfacelayer提供表面层组成的定性定量信息。(afewtoafewtensofÅdepth).SurfaceAnalyticalTechniquesModernsurfaceanalyticaltechniquesarecharacterizedbyabeams(束)in/beamsoutorprobe(探针)measureapproach.SurfaceAnalyticalTechniquesIncidentbeam/probeinteractswithsurfacelayer,whileoutputbeamcarryingthemeasuredsurfaceinformationisanalyzed.起始的“束”或者探针和表面层发生相互作用,而表面释放的“束”携带表面的信息以供分析。Electric(magnetic)field电场SurfaceElectrons电子Heat热Ions离子Photons光子Neutrals中性物质那些“beam”可供使用?4.1Scanningelectronmicroscopy
扫描电子显微镜Scanningelectronmicroscopes(SEMs),inventedinthe1930s,letusseeobjectsassmallas10nanometers4.2Scanningelectronmicroscopy
NoblePrize!Itisamicroscopethatproducesanimagebyusinganelectronbeamthatscansthesurfaceofaspecimeninsideavacuumchamber.SEM是用在真空腔中用电子束扫描样品表面,从而得到图像的显微镜。4.1ScanningelectronmicroscopyWhatisSEM?WhatcanwestudyinaSEM?我们从SEM可以得到什么?Morphology形貌Chemistry化学成分4.1ScanningelectronmicroscopyWhatisSEM?4.1ScanningelectronmicroscopyWhatdoesitlookslike….AFMCantileverTipAntHeadBloodCellsDiamondThinFilm(NumerousMultifacetedMicro-crystals)Microstructureofaplaincarbonsteelthatcontains0.44wt%ofcarbonCalciumPhosphateCrystal4.1Scanningelectronmicroscopy作用原理-光电效应Thescanningelectronmicroscope(SEM)usesafocusedbeamofhigh-energyelectronstogenerateavarietyofsignalsatthesurfaceofsolidspecimens.SEM用聚焦高能电子束来在样品表面产生各种信号。4.1ScanningelectronmicroscopyThesignalsthatderivefromelectron-sampleinteractionsrevealinformationaboutthesampleincludingexternalmorphology(texture),chemicalcomposition,andcrystallinestructureandorientationofmaterialsmakingupthesample.通过电子-样品相互作用释放关于样品形貌、化学组成、晶体结构等信息。4.1Scanningelectronmicroscopy4.1Scanningelectronmicroscopy
Wheredoesthesignalscomefrom?
Diameteroftheinteractionvolumeislargerthantheelectronspot.电子轰击点的面积比其作用体积的直径小。4.1ScanningelectronmicroscopySignalsfromthesampleIncomingelectrons入射电子Secondaryelectrons二次电子Backscatteredelectrons背散射电子Augerelectrons俄歇电子X-raysCathodo-luminescence(light)阴极荧光Sample4.1Scanningelectronmicroscopy
Secondaryelectrons(SE)二次电子
GeneratedfromthecollisionbetweentheincomingelectronsandthelooselybondedouterelectronsLowenergyelectrons(~10-50eV)OnlySEgeneratedclosetosurfaceescape(topographic(地形上的)informationisobtained)
只有表面才逸出二次电子NumberofSEisgreaterthanthenumberofincomingelectrons。二次电子数量比入射电子数目多。4.1Scanningelectronmicroscopy
Backscatteredelectrons(BSE)背散射电子
Afractionoftheincidentelectronsisretarded(阻止)bytheelectro-magneticfieldofthenucleusandifthescatteringangleisgreaterthan180°theelectroncanescapefromthesurfaceHighenergyelectrons(elasticscattering)弹性碰撞,能量高。FewerBSEthanSE
背散射电子比二次电子少4.1Scanningelectronmicroscopy
BSEvsSE
SEproduceshigherresolutionimagesthanBSE二次电子提供更高分辨率Byplacingthesecondaryelectrondetectorinsidethelens,mainlySEaredetectedResolutionof1–2nmispossibleBEAConfidential.|32二次电子背散射电子4.1Scanningelectronmicroscopy
X-rays
Photonsnotelectrons
光子而非电子EachelementhasafingerprintX-raysignal
每种元素都有X光信号指纹。(元素定性定量分析)PoorerspatialresolutionthanBSEandSE分辨率差4.1Scanningelectronmicroscopy
X-rays
RelativelyfewX-raysignalsareemittedandthedetectorisinefficientX射线信号相对较少relativelylongsignalcollectingtimesareneeded
采集时间长4.1Scanningelectronmicroscopy
X-rays
Mostcommonspectrometer:EDS(energy-dispersivespectrometer)最常用光谱仪EDSSignaloverlapcanbeaproblem信号重叠Fig.2EDSgraphicofuncoatedAZ91magnesiumalloy.HikmetAltun,HakanSiniciCorrosionbehaviourofmagnesiumalloyscoatedwithTiNbycathodicarcdepositioninNaClandNa2SO4solutionsMaterialsCharacterization,Volume59,Issue3,2008,266-270/10.1016/j.matchar.2007.01.004Fig.3EDSgraphicofTiNcoatedAZ91magnesiumalloy.HikmetAltun,HakanSiniciCorrosionbehaviourofmagnesiumalloyscoatedwithTiNbycathodicarcdepositioninNaClandNa2SO4solutionsMaterialsCharacterization,Volume59,Issue3,2008,266-270/10.1016/j.matchar.2007.01.0044.1Scanningelectronmicroscopy
X-rays
Wecananalyzeoursampleindifferentmodes模式多chemicalconcentrationmap(elementalmapping)spotanalysislinescanFig.
8FESEMimageandEDXspectrumofRh/ZrO2filmspreparedataRh/Zrsourcemolarratioof0.05(depositiontemperatureof1180K).AnarrowindicatesoneofRhnanoparticle.二氧化锆的薄膜AkihiroHonda,TeiichiKimura,AkihikoIto,TakahiGotoRh-nanoparticle-dispersedZrO2filmspreparedbylaserchemicalvapordepositionSurfaceandCoatingsTechnology,Volume206,Issues11–12,2012,3006-3010/10.1016/j.surfcoat.2011.12.038spotanalysis点扫描Fig.5(A)SEMimageofexternalsurfaceoftheCo/SiO2-Z-Sp-Pd;(B)cross-sectionSEMimageoftheCo/SiO2-Z-Sp-PdwiththeintensityofPd,SiandAlX-raysignalsfromtheEDSlinescan;(C)externalsurfaceEDSanalysisresultoftheCo/SiO2-Z-Sp...二氧化硅薄膜YuzhouJin,RuiqinYang,YasuhiroMori,JianSun,AkiraTaguchi,YoshiharuYoneyama,TakayukiAbe,Noritat...PreparationandperformanceofCobasedcapsulecatalystwiththezeoliteshellsputteredbyPdfordirectisoparaffinsynthesisfromsyngasAppliedCatalysisA:General,Volume456,2013,75-81/10.1016/j.apcata.2013.02.014linescan线扫描Fig.1SectionoftheCa–Mg–Znphasediagram,accordingtoRef.<ce:cross-refrefid="b0215">[43]</ce:cross-ref>.CompositionsreportedbySenkovandScott<ce:cross-refrefid="b0010">[2]</ce:cross-ref>aremarkedbybluecircles,andthenewhighzinc...
Ca–Mg–Zn金属玻璃的腐蚀J.D.Cao,N.T.Kirkland,K.J.Laws,N.Birbilis,M.FerryCa–Mg–ZnbulkmetallicglassesasbioresorbablemetalsActaBiomaterialia,Volume8,Issue6,2012,2375-2383/10.1016/j.actbio.2012.03.009mapping4.1Scanningelectronmicroscopy
Summary
Signals:Secondaryelectrons(SE):mainlytopographyLowenergyelectrons,highresolution高分辨率Surfacesignald
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