SEM TEM AFM.ppt

1、电子显微镜,显微镜掠影,Axioplan 2 imaging,高性能的用于科研及常规的光学显微镜,Stemi DV4 实体显微镜,AXIOLAB荧光/相差/照相显微镜,相差显微镜（ phase contrast microscope）,把透过标本的可见光的相位差变成振幅 差，从而提高标本内各种结构之间的对比度，使标本中的结构清晰可辨,Axiotech100三维立体显微镜,三维成像原理利用人眼形成立体空间的原理，采用频闪液晶片使人类以前不能分析辨别的立体结构在光学放大下拥有图像深度信息的三维立体效果。,碳粉在上碳粉在下,圆珠笔在上 圆珠笔在下,Sirion场发射扫描电子显微镜,透射电镜（TEM）

2、,电子显微分析方法的种类,透射电子显微镜(TEM)可简称透射电镜 扫描电子显微镜(SEM)可简称扫描电镜 电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA)：波谱仪(波长色散谱仪，WDS)与能谱仪(能量色散谱仪，EDS) 电子激发俄歇电子能谱(XAES或AES),1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院（Fritz-Haber-Institutder Max-Planck-Gesellschaft）的恩斯特鲁斯卡（ErnstRuska，1906-1988），以表彰他在电光学领域做了基础性工作，并设计了第一架电子显微镜； 另一半授予瑞士鲁希利康（Rschlikon）IBM苏

3、黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希（Gerd Binnig，1947-）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer，1933-），以表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。,扫描电镜 SEM,SEM的特点和工作原理 1965年第一台商用SEM问世;放大倍数连续调节范围大; 景深大，视野大，成像富立体感; 分辨本领比较高； 样品制备非常方便 可直接观察大块试样 固体材料样品表面和界面分析 适合于观察比较粗糙的表面： 材料断口和显微组织三维形态,SEM（Scan electron microscope）,电子枪发射电子束，加速电压作用下，经电子透镜聚焦，在样品表面逐行进行扫描，产生信号。 被相应

4、收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。 供给电子光学系统使电子束偏向的电源也是供给阴极射线显像管的电源，此电源发出锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。 因此样品上电子束位置与显像管荧光屏上电子束位置对应。,扫描电镜成像的物理信号 由电子束轰击固体样品而激发产生。具一定能量的电子，入射固体样品时，与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射，激发固体样品产生多种物理信号。,特征X射线,背散射电子,被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。分弹性背散射电子和非弹性背散射电子，前者指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者主要指受

5、样品原子核外电子多次非弹性散射而反射回来的电子。 随原子序数增大而增多，可以形貌分析，定性用作成分分析。,特征X射线,二次电子 被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称次级电子 样品上方装电子检测器来检测不同能量的电子，结果如图。二次电子的能量比较低，一般小于50eV，分辨率高；背散射电子的能量比较高，其约等于入射电子能量 E0。,特征X射线,吸收电子,入射电子进入样品中，随着与样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入射电子。 产生背射电子较多部位吸收电子数量就少，反之亦然。可进行定性的微区成分分析。,特征X射线,透射电子,入射束的电子透过

6、样品而得到的电子。仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。 除有能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还有不同能量损失的非弹性散射电子，这些电子和分析区域的成分有关，因此可以利用特征能量损失电子检测进行微区成分分析。,特征X射线,样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满足： ip=ib+is+ia+it 式中：ip 是入射电子强度； ib 是背散射电子强度； is 是二次电子强度； ia 是吸收电子强度； it 是透射电子强度。将上式两边同除以ip， +a+T=1 式中：= ib/ip 为背散射系数； = is/ip 为二次电子发射系数； a = ia/ip 为吸收系数； T = it/

7、ip 为透射系数。,样品质量厚度越大，透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越大，但达一定值时保持定值。,电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系,特征X射线 原子的内层电子受激发后，在能级跃迁过程中直接释放电磁波辐射X射线。一般在500nm-5mm深处发出。,俄歇电子 如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量不是以X射线形式而是将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，成为俄歇电子。适用于表面层成分分析。,扫描电镜由六个系统组成(1) 电子光学系统（镜筒）(2) 扫描系统(3) 信号收集系统(4) 图像显示和记录系统(5) 真空系统(6) 电源系统,(1)电子光

8、学系统（镜筒） 由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束(直径一般为10nm或更小)来轰击样品，使样品产生各种物理信号。 ,(2) 扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。作用：1) 使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描；2) 改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。,(3) 信号收集系统 扫描电镜应用的物理信号可分为：1) 电子信号，包括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用电子收集器；2) 特征X射线信号

9、，用X射线谱仪检测；3) 可见光讯号（阴极荧光），用可见光收集器,常见电子收集器由闪烁体、光导管和光电倍增管组成。作用是将电子信号收集，后成比例地转换成光信号，放大后转换成电信号输出，作为扫描像的调制信号。,收集二次电子时，为提高收集效率，在收集器前端加+250V偏压，使二次电子走弯曲轨道，到收集器。而即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的图像。,(a) 加偏压前 (b) 加偏压后 加偏压前后的二次电子收集情况,(4)图像显示和记录系统 将信号收集器输出的信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的讯号成正比例亮度变化

10、的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存储于计算机中。,(5)真空系统 作用：确保电子光学系统正常工作、防止样品污染、保证灯丝的工作寿命等。 (6)电源系统 作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。 由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成,扫描电镜的主要性能,（1）放大倍数 可从20倍到20万倍连续调节。 （2）分辨率 影响SEM图像分辨率的主要因素有： 扫描电子束斑直径 ； 入射电子束在样品中的扩展效应； 操作方式及其所用的调制信号； 信号噪音比； 杂散磁场； 机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。 （3）景深 SEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有立体感。,(1

11、)放大倍数 扫描电镜的放大倍数可用表达式 M=AC/AS 式中AC是荧光屏上图像的边长， AS是电子束在样品上的扫描振幅。 大多数商品扫描电镜放大倍数为20-200000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。,(2) 分辨本领 SEM的分辨本领与以下因素有关： 入射电子束斑直径 ； 入射电子束在样品中的扩展效应； 操作方式及其所用的调制信号； 信号噪音比； 杂散磁场； 机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降,入射电子束束斑直径 入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。 热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场发射电子枪可使束斑直径小于3nm。,2)入射束在样品中扩展效应 电子束打到样品上，会发生散

12、射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。二次电子信号在5-10nm深处的逸出，吸收电子信号、一次X射线来自整个作用体积。即不同物理信号来自不同的深度和广度。,入射束有效束斑直径随物理信号不同而异，分别等于或大于入射斑的尺寸。因此用不同的物理信号调制的扫描象有不同的分辨率。二次电子扫描象的分辨率最高，约等于入射电子束直径，6-10nm，背散射电子50-200 nm，吸收电子和X射线为100-1000nm。,(3)景深 指一个透镜对高低不平的试样各部位同时聚焦成像的能力范围。 取决于分辨本领和电子束入射半角ac 扫描电镜末级透镜采用小孔径角，长聚焦，可

13、获很大景深，比光学显微镜大100-500倍，比透射电镜大10倍。,扫描电子显微镜景深,扫描电子显微镜的几种电子像分析,像衬原理 电子像明暗程度取决于电子束的强弱，当两区域中电子强度不同时将出现图像的明暗差异，这种差异就叫衬度。 SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。,二次电子像衬度及特点,二次电子信号主要来自样品表层5-10nm深度范围，能量较低(小于50eV)。 影响二次电子衬度的因素主要有： (1)表面凸凹引起形貌衬度； (2)材料的原子序数差别引起成分衬度； (3)电位差引起电压衬度； （4）样品倾斜角影响信号强度,Z

14、nO,水泥浆体断口,二次电子像衬度的特点： （1）分辨率高 （2）景深大，立体感强 （3）主要反应形貌衬度。 最大用处：观察断口形貌，也可用作抛光腐蚀后的金像表面及烧结样品的自然表面分析,SPEEK/HPA复合膜金像表面,背散射电子像衬度及特点,影响背散射电子产额的因素： (1)原子序数Z (2)入射电子能量E0 (3)样品倾斜角 背散射系数与原子序数的关系,背设电子信号既可以显示形貌衬度也可显示成分衬度,成分衬度,样品中原子序数较高的区域中由于收集到的电子束较多，故荧光屏上的图像较亮。 因此可以利用原子序数造成的衬度变化对各种合金定性分析。重元素在图像上是亮区，轻元素是暗区。,背散射电子像的

15、衬度特点：,（1）分辩率低 （2）背散射电子检测效率低，衬度小 （3）主要反应原子序数衬度,(a) 二次电子像 (b)背射电子像,应用： 1定性分析物相 2显微组织观察 3其它应用（背散射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取向测定）,硅半导体对检测器工作原理 (a)成分有差别，形貌无差别 (b) 形貌有差别，成分无差别 (c)成分形貌都有差别,对于既需要形貌观察又需要成分分析的样品,铝合金抛光表面的背反射电子像 (a) 成分像 (b) 形貌像 图(a)试采用A+B方式获得的成分像，图(b)采用A-B获得的形貌像。,吸收电子成像,吸收电子产生于背散射电子正好相反，样品原子序数越小背射电子越少

16、，吸收电子越多，反之亦然。 背射电子图像上亮区在相应的吸收电子图像上必定是暗区。,奥氏体铸铁的显微组织 (a)背散射电子像 (b)吸收电子像,样品制备,SEM样品制备一般原则为: A. 显露出所欲分析的位置。 B. 表面导电性良好，需能排除电荷。 C. 不得有松动的粉末或碎屑(以避免抽真空时粉末飞扬污染镜柱体)。 D. 需耐热，不得有熔融蒸发的现象。 E. 不能含液状或胶状物质，以免挥发。 F. 非导体表面需镀金(影像观察)或镀碳(成份分析)。,粉末样品制备细节,粉末样品：注意粉末的量，铺开程度，粘结情况和喷金厚度。 粉末的量：用刮刀挑到双面导电胶（2mm宽，8mm长），均匀铺开，略压紧，多余

17、的轻叩到废物瓶，或用洗耳球吹，后者易污染。若样品少，用乙醇或合适溶剂分散，毛细管滴加到导电胶上，晾干。 铺开程度：粉末如果均匀，很少一点足已，否则易导致粉末在观察时剥离表面。喷金集中在表面，下面样品易导电性不佳，观察对比度差，建议采用分散方式。还有一些小球，如果想要铺开的单层密集堆积，可以通过稀释溶液，但不易控制，可以通过一个滤纸将溶液拉开到小玻璃片上，然后处理观察,粘结情况：指导电胶带的粘结，对于粉末，一般采用分散方式。这里有个缺点，就是乙醇量如果比较多，会让导电胶粘性下降，但用毛细管应该问题不太大。那么对于样品的导电性能在喷金之后不是太差的，用第一种方式也没什么太大的问题。 喷金厚度：如有

18、较好的喷金仪，可以控制在厚度为10 nm。如果样品粉末太细，则要一定压紧，并多喷一些时间，以防污染。另外，喷金时候的样品高度也可以适当调整，来调节喷金的厚度。,块状样品,一般金属样品不需太多处理，最多用无水乙醇擦拭一下表面，电吹风吹干。对于块状样品，主要在粘结，如果高度比较大，可用导电胶从顶端拉到底部粘结在样品座上。粘结时一定要牢，松动就会造成观察时的晃动，图像模糊。粘结的时候尽量降低样品的高度，否则喷金，观察都不利。 对于韧性物体的截面，可以用液氮冷却，掰断即可，否则剪刀手术刀都容易引起拉伸变形。,扫描电镜应用,应用范围非常广泛，主要目的为将微小物体放大至能观察的范围，所以观察种类包括： (

19、1)生物种子、花粉、细菌 (2)医学 血球、病毒 (3)动物 大肠、绒毛、细胞、纤维 (4)材料 陶磁、高分子、粉末、环氧树脂 (5)化学、物理、地质、冶金、矿物、污泥 、机械、电机及导电性样品品如半导体 (IC、线宽测量、断面、结构观察)电子材料等。,(1)生物观察:甘兰菜的花粉颗粒,(2)医学观察:红血球外观,(3)动物观察:青徽菌外观,()材料观察：碳纤维,()化学物质：分子筛,()化学物质：氧化铝结晶,()半导体观察：光阻表面,不同组成PA1010/TPU 共混物的冲击断面整体形貌的扫描电镜,The whole fracture morphology of the PA1010/TPU

20、 blends with different compositionunder impact condition: (A)PA1010/TPU=100/0 (60) ; (B) PA1010/TPU =90/10 (60); (C) PA1010/TPU =80/20 (60),(1) PVC/ABS/nano-CaCO3（100/20/10） (2) PVC/ABS（100/20 ),(3) PVC/nano-CaCO3（100/10） 复合材料冲击断面SEM照片,复合材料断裂面扫描电镜照片 (b)加载速率2 mm/min (c)加载速率10 mm/min 在加载速率为10mm/min的条件

21、下，PVC/ABS/nano-CaCO3复合体系的断裂表面变得更加粗糙。明显的，这种表面的产生需要消耗更多的能量。,透射电镜 ,扫描电镜均只能观察物质表面的微观形貌，无法获得物质内部的信息。而透射电镜由于入射电子透射试样后，将与试样内部原子发生相互作用，从而改变其能量及运动方向。显然，不同结构有不同的相互作用。 这样，可以根据透射电子图象所获得的信息来了解试样内部的结构。由于试样结构和相互作用的复杂性，因此所获得的图象也很复杂。它不象表面形貌那样直观、易懂。,SEM:Scanning Electron Microscopy 扫描电镜TEM:Transmission Electron Micro

22、scopy 透射电镜,SEM TEM,以电子束为照明光源的显微镜。由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”，从而开发出电子显微镜。,成像模式下，可得样品形貌、结构等信息，在衍射模式下，可对样品进行物相分析。 TEM 主要技术参数包括：a)加速电压：常用加速电压在200-400千伏范围内。b)灯丝种类。e)分辨率：分为点分辨率、线分辨率、信息分辨率等多个参数。通常我们最为关心的是点分辨率。d)放大倍率：增加中间镜数量，几乎可无限增加电镜放大倍率。但无限增大只能得一张模糊图像。同时图像亮度随倍率提高而

23、降低。现代TEM最大放大倍率在一百万倍左右。e)样品台倾转角。大小取决于样品台和物镜极靴种类。,TEM常见工作模式有两种，即成像模式和衍射模式,透射电子显微镜（简称透射电镜，TEM），以几种不同的形式出现，如： 高分辨电镜（HRTEM） 透射扫描电镜（STEM） 分析型电镜（AEM）等等。 入射电子束（照明束）也有两种主要形式： 平行束：透射电镜成像及衍射 会聚束：扫描透射电镜成像、微分析及微衍射。,TEM的形式,一、透射电子显微镜工作原理及构造,工作原理 成像原理与光学显微镜类似。 根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃

24、透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。 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具有高的像分辨本领的同时兼有结构分析的功能。,照明系统,作用：提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束。 组成：电子枪和聚光镜 钨丝 热电子源 电子源 LaB6 场发射源,热电子枪示意图 灯丝和阳极间加高压，栅极偏压起会聚电子束的作用， 使其形成直径为d0、会聚/发散角为0的交叉,电磁透镜,能使电子束聚焦的装置称为电子透镜（electron lens） 静电透镜 电子透镜 恒磁透镜 磁透镜 电磁透镜,成像电子在电磁透镜磁场中沿螺旋线轨迹运动，而可见光是以折线形式

25、穿过玻璃透镜。因此，电磁透镜成像时有一附加的旋转角度，称为磁转角。物与像的相对位向对实像为180，对虚像为。,电磁透镜是一种焦距(或放大倍数)可调的会聚透镜。,电磁透镜的结构,电磁透镜结构示意图,电磁透镜的光学性质,式中：u、v与f物距、像距与焦距。 式中：V0电子加速电压；R透镜半径；NI激磁线圈安匝数；A与透镜结构有关的比例常数。,成像系统,由物镜、中间镜和投影镜组成。 成像系统的两个基本操作是将衍射花样或图像投影到荧光屏上。 调整中间镜的透镜电流，使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，可在荧光屏上得到衍射花样。 若使中间镜的物平面与物镜的像平面重合则得到显微像。 透射电镜分辨率的高低主要取

26、决于物镜 。,透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏,二、 透射电镜基本成像操作及像衬度,成像操作 成像操作光路图 （a）明场像 (b)暗场像 (c)中心暗场像,像衬度,像衬度是图像上不同区域间明暗程度的差别。 透射电镜的像衬度来源于样品对入射电子束的散射。可分： 质厚衬度 ：非晶样品衬度的主要来源 振幅衬度 衍射衬度 ：晶体样品衬度的主要来源 相位衬度 如透射束与衍射束可重新组合，保持它们的振幅和位相，则可直接得到产生衍射的那些晶面的晶格象，或者一个个原子的晶体结构象。仅适于很薄的晶体试样(100)。,质厚衬度成像光路图,质厚衬度来源于入射电子

27、与试样物质发生相互作用而引起的吸收与散射。 由于试样很薄，吸收很少。衬度主要取决于散射电子（吸收主要取于厚度，也可归于厚度），当散射角大于物镜的孔径角时,它不能参与成像而相应变暗.这种电子越多,其像越暗.或者说,散射本领大,透射电子少的部分所形成的像要暗些,反之则亮些,对于透射电镜试样,由于样品较厚，则质厚衬度可近似表示为: Gt = N(22t2 /A2 - 11t1 /A1 ) 其中 - 原子的有效散射截面 A - 试样原子量 - 样品密度 t- 试样厚度 N - 阿佛加德罗常数,质厚衬度,衍射衬度成像光路图,衍射衬度是来源于晶体试样各部分满足布拉格反射条件不同和结构振幅的差异 只有晶体试

28、样形成的衍衬像才存明场像与暗场像之分，其亮度是明暗反转的，即在明场下是亮线，在暗场下则为暗线，条件是，此暗线确是操作反射斑引起的。 它不是表面形貌的直观反映，是入射电子束与晶体试样之间相互作用后的反映。,三、 电子衍射运动学理论,透射电镜衍射衬度是由样品底表面不同部位的衍射束强度存在差异而造成的。要深入理解和正确解释透射电镜衍衬像的衬度特征，就需要对衍射束的强度进行计算。 动力学衍射 运动学衍射,运动学理论的基本假设,运动学理论是建立在运动学近似即忽略各级衍射束(透射束为零级衍射束)之间相互作用基础之上的用于讨论衍射波强度的一种简化理论。 基本假设是： 入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散

29、射。 入射电子波在样品内的传播过程中，强度的衰减可以忽略。即衍射波强度始终远小于入射波强度。否则衍射波会发生较为显著的再次衍射，即动力学衍射。,使样品晶体处于足够偏离布拉格条件位向，避免产生强衍射，保证入射波强度不发生明显衰减； 采用足够薄样品，减小电子受到多次散射的机会。 要达到这两个实验条件，实践上都有困难。 一方面，原子对电子的散射振幅较大，散射强度不会很弱，且当选用的衍射束所对应的倒易点足够偏离厄瓦尔德球面时，其附近某些倒易点又靠近厄瓦尔德球面； 另一方面，随样品厚度减小，更易产生较强衍射，且样品越薄则越难代表大块材料的性质，所以衍衬分析时样品通常不应制得太薄。用运动学理论解释衍衬多数

30、情况下是近似的。,为满足上述基本假设，在实践上可通过以下两条途径实现：,双束条件，即除直射束外只激发产生一个衍射束的成像条件。实践上获近似的双束条件。因此，用于成像的衍射束应具较大偏离参量，强度远小于直射束强度，以近似满足运动学要求；另一方面该衍射束的强度应明显高于其它衍射束强度，近似满足双束条件； 柱体近似，在计算样品表面衍射波强度时，假设将样品分割为贯穿上下的小柱体(直径约2nm)，而且相邻柱体中的电子波互不干扰。,为进一步简化计算，采用两个近似处理方法：,四 、样品制备,TEM样品可分为间接样品和直接样品。 要求： （1）供TEM分析的样品必须对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度以控

31、制在约100200nm为宜。 （2）所制样品须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则须知影响的方式和程度。,间接样品(复型)的制备,对复型材料的主要要求： 复型材料本身必须是非晶态的； 有足够的强度和刚度，良好的导电、导热和耐电子束轰击性能。 复型材料的分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的细节特征。 常用的复型材料是非晶碳膜和各种塑料薄膜。,塑料-碳二级复型制备过程示意图,直接样品的制备,粉末样品制备 制备关键是如何将超细粉颗粒分散开，各自独立不团聚 胶粉混合法：在干净玻璃片上滴火棉胶溶液，后在玻璃片胶液上放少许粉

32、末并搅匀，将另一玻璃片压上，两玻璃片对研并突然抽开，稍候，膜干。用刀片划成小方格，将玻璃片斜插入水杯中，膜片逐渐脱落，用铜网将方形膜捞出，待观察。 支持膜分散粉末法： 需TEM分析的粉末颗粒一般都远小于铜网小孔，因此要先制备对电子束透明的支持膜。常用的支持膜有火棉胶膜和碳膜，将支持膜放在铜网上，再把粉末放在膜上送入电镜分析。,晶体薄膜样品的制备,一般程序： (1)初减薄制备厚度约100200m的薄片； (2)从薄片上切取3mm的圆片； (3)预减薄从圆片的一侧或两则将圆片中心区域减薄至数m； (4)终减薄。,金属样品的，先机械研磨后，双喷电解减薄，或者离子减薄。陶瓷样品机械研磨后上离子减薄，高

33、分子用超薄切片机。,双喷电解抛光装置原理图,离子减薄装置原理示意图,(a)PS微球 (b)PS/TiO2核壳粒子 定向沉积法制备的PS/TiO2核壳粒子的TEM31,(a)Ni纳米粒子；(b)Ni/PS核壳粒子；(c) Ni/PS/TiO2核壳粒子 Hong等制备的Ni/PS/TiO2核壳粒子的TEM,Song等人制备的PSA/Ag/TiO2的TEM照片 (a)PS纳米微球；(b) PSA/Ag核壳粒子；(c) PSA/Ag/TiO2粒子,Co3O4在硅树脂里的分散,纳米球的微观结构,纳米线已经形成 在受到电子束照射时发生变形 电子衍射花样为规律性的斑点,Fig .A TEM for 10 m

34、in,Fig .B TEM for 30 min,颗粒为长圆形：定向生长 颗粒自组装形成的长串 ：纳米线 电子衍射花样为不清晰的亮环 ：非晶,Fig .C TEM for 60 min,纳米线已经完全形成 在电子束照射下较为稳定 电子衍射花样：纳米线的取向取向一致 晶体的C轴同纳米线的走向一致,扫描探针显微镜 SP,扫描探针显微镜 (Scanning Probe Microscope),SPM是扫描隧道显微镜STM及原子力显微镜AFM,激光力显微镜LFM，磁力显微镜MFM等的统称，国际上近年发展起来的表面分析仪器。 控制探针在被检测样品的表面进行扫描，同时记录下扫描过程中探针尖端和样品表面的相

35、互作用，就能得到样品表面的相关信息。 利用这种方法得到被测样品表面信息的分辨率取决于控制扫描的定位精度和探针作用尖端的大小（即探针的尖锐度）。,SPM的特点,原子级高分辨率 ； 实空间中表面的三维图像 ； 观察单个原子层的局部表面结构 可在真空、大气、常温等不同环境下工作 可以得到有关表面结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等,各种电子显微镜比较,SPM分类,扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope) 1982年，Gerd Binning及其合作者在IBM公司苏黎世实验室共同研制成功了第一台 ，因此获得1986

36、 年的诺贝尔物理奖 STM是通过检测隧道电流来反映样品表面形貌和结构的。,扫描隧道显微镜 STM,STM原理,STM基本原理基于量子的隧道效应。 将极细针尖和被研究物质表面作为两极，样品与针尖的距离非常接近（通常小于0.1nm），外加电场作用下，电子穿过两 个电极之间的绝缘层流向另一电极，称隧道效应。,扫描隧道显微镜的原理结构,极细探针与研究物质作为两个探极。,扫描探针一般采用直径小于1mm的细金属丝，如钨丝、铂铱丝等；被观测样品应具有一定导电性才可以产生隧道电流。,隧道电流 I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和样品之间距离 S 和平均功函数 有关： Vb 是加在针尖和样品之间的偏置电压，A

37、为常数，真空条件下约等于1。 隧道电流强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离减小0.1nm，电流将增加一个数量级。,扫描模式,恒电流模式：适用于观察表面形貌起伏较大的样品。 恒高度模式：扫描速度快，减少噪音等，不能用于观察表面起伏大于1nm 的样品。,（a）恒电流模式； （b）恒高度模式,隧道谱（STS）,实验方式：四种操作方法采集隧道谱数据。 1。电流电压隧道谱。 2。电流间隙特性。 3。恒电流形貌图（CCT）。 4。电流成像隧道谱（CITS）,振动隔绝系统,工作针尖与样品间距小于1nm.隧道电流与间距成指数关系。 恒流模式中，表面起伏通常为0.01nm,振动引起小于0.001nm

38、. STM减震系统设计主要考虑低频：1-100HZ 防振：1.提高仪器的固有振动频率. 2.使用振动阻尼系统。,压电陶瓷步进马达扫描控制器：,压电现象：某种晶体机械力形变电场x,y,z扫描控制器件。 压电陶瓷材料：极化处理,隧道针尖,STM技术中的主要问题。针尖尺寸、形状及化学同一性不仅影响分辨率还关系电子结构测量。 钨针尖的制备：电化学腐蚀方法 铂铱合金针尖的制备：1）两步电化学腐蚀法；2）机械成形法；3）剪切法,实验操作与进行：,一.针尖的制作： 二.针尖的安装： 三.实验设置：扫描模式、扫描范围、隧道电流、偏置电压、反馈电压、放大、增益。 四.逼近隧道区（隧道电流） 五.扫描：观察图象、

39、调整电流、偏压等。,电子结构和STM像,STM通常被认为是测量表面原子结构的工具，具直接测量原子间距的分辨率。 但必须考虑电子结构的影响，否则容易产生错误的信息。 其实，在考虑了遂穿过程以及样品表面与针尖的电子态的性质后，STM代表的应该是表面的局部电子结构和遂穿势垒的空间变化。,STM图像的解释,STM图像反映样品表面局域电子结构和隧穿势垒的空间变化，与表面原子核的位置没有直接关系，并不能将观察到的表面高低起伏简单归纳为原子排布结构； 针尖电子态的影响 STM图像是针尖电子态与样品表面局域电子态的卷积；,组成碳纤维的带状细纤维有螺旋结构的趋向，螺旋伸展方向沿纤维轴向。经电化学腐蚀以后，碳纤维

40、变得较粗糙，同时在纤维中仍发现有螺旋结构的细纤维。可见，这种螺旋结构在碳纤维的表面和内部都存在。,在HOPG基底上CPU聚合物膜在室温大气中的STM图像。可看到58个棒状分子连在一起形成聚合分子链，这些聚合分子链在X方向上首尾相压呈周期性排列。AB样品表面的高度呈锯齿形。,扫描范围为42 42，Vb = 87mV，It = 0.53nA,STM像,原子操纵,电迁移过程中的表面扩散,STM应用：,金属和半导体表面的STM研究： 研究表面上发生的物理与化学过程。 物理现象：晶体生长过程、表面物质沉积过程。 表面化学反应。,STM的局限性与发展,1.在恒电流模式下，样品表面微粒之间的沟槽不能够准确探

41、测。恒高模式下，需采用非常尖锐的探针。 2.样品必须具有一定程度的导电性。,STM基础上发展的各种新型显微镜,原子力显微镜（AFM）、激光力显微镜（LFM）、摩擦力显微镜、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜、扫描热显微镜、弹道电子发射显微镜（BEEM）、扫描隧道电位仪（STP）、扫描离子电导显微镜（SICM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）和扫描超声显微镜等。 探索物质表面或界面的特性，如表面不同部位的磁场、静电场、热量损失、离子流量、表面摩擦力以及在扩大可测量样品的范围等方面提供了有力的工具。,原子力显微镜AFM,原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM) 19

42、86年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明。 不仅可观察导体和半导体表面形貌，且可观察非导体表面形貌，弥补STM只能观察导体和半导体不足。 许多实用的材料或感光的样品不导电，AFM出现引起科学界普遍重视。 第一台AFM的横向分辨率仅为30 ，而1987年斯坦福大学Quate等报道他们的AFM达到原子级分辨率。 中国科学院化学所研制的隧道电流法检测、微悬臂运动AFM于1988年底首次达到原子级分辨率。,原子力显微镜AFM,跟所有的扫描探针显微镜一样，AFM使用一个极细的探针在样品表面进行扫描，探针是位于一悬臂的末端顶部，该悬臂可对针尖和样品间的作用力作出反应。 AFM与STM最大差别在非利用电子隧道效

43、应，而利用原子之间的范德华力作用来呈现样品表面特性。,原子与原子之间的交互作用力因为彼此之间的距离的不同而有所不同，其之间的能量表示也会不同。,作用力与距离的关系,为原子的直径,为原子之间的距离,Lennard Jones 的公式,当r降低到某程度时能量为+E，代表空间中两原子相当接近且能量为正，若假设r增加到某一程度时，其能量就会为-E 同时说明空间中两个原子之距离相当远的且能量为负值。,在AFM的系统中，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。 AFM中也利用斥力与吸引力的方式发展出两种操作模式： （1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接触式原子力显微镜（contact AFM ），探针与试片的距离约数个。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为非接触式原子力显微镜（non-contact AFM ），探针与试片的距离约数十个 到数百个。,AFM的硬件架构：,原子力显微镜(AFM)系统结构,分三部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。,AFM系统中，使用