纳米技术第四章.ppt

1、郭哲斌，华南师范大学，纳米材料测试与分析技术，第4章，人类历史表明，科学的进步总是与工具的进步密切相关。纳米科学在20世纪80年代后期进入繁荣期，这与一系列材料分析仪器和技术的发展密切相关。自20世纪60年代以来，电子显微镜在材料研究中得到了广泛的应用，人们可以方便地在纳米尺度上观察材料的结构特征。20世纪80年代早期发明的扫描隧道显微镜及其衍生物(SPM)使人们能够在不太苛刻的条件下，在0.1100纳米处研究材料的表面结构。在20世纪90年代，SPM技术可以用来移动原子组成模式。目前，利用高分辨率电子显微镜和能谱技术进行材料分析的空间分辨率已经达到0.51nm，利用聚焦离子束工作站可以对碳纳

2、米管等基元进行电极焊接等微加工操作，利用扫描隧道显微镜可以研究小尺寸纳米粒子的导电行为。电子显微镜技术，电子显微镜分析主要使用电子显微镜进行分析。可用于形态观察和结构分析的高空间分辨率(选择性电子衍射、微衍射、会聚束衍射)；观察材料的表面和内部结构；材料的组成和结构可以同时研究；优点：缺点：仪器价格昂贵，分析结果困难，仪器操作复杂，样品制备复杂。透射电子显微镜，JEM-1011透射电子显微镜，1932年，罗斯卡发明了以电子束为光源的透射电子显微镜。电子束的波长比可见光和紫外光短得多，电子束的波长与发射电子束电压的平方根成反比，这意味着电压越高，波长越短。目前，透射电镜的分辨率可达0.1-0.2

3、纳米。电子显微镜的放大倍数近百万倍，由电子照明系统、电磁透镜成像系统、真空系统、记录系统和电源系统五部分组成。电子枪：它发射电子，由阴极、栅极和阳极组成。阴极射线管发射的电子通过栅极上的小孔形成射线束，该射线束被阳极电压加速，然后发射到聚光透镜以加速和加压电子束。聚光器：通过控制照明强度和孔径角来聚集电子束。样品室：放置待观察的样品，并安装一个倾斜台来改变样品的角度，以及加热和冷却设备。物镜：是一种高倍率的短距离透镜，用于放大电子图像。物镜是透射电子显微镜分辨率和成像质量的关键。中间镜：是一个可变放大率的弱透镜，用于放大电子图像两次。通过调节中间镜的电流，可以选择物体的图像或电子衍射图案进行放

4、大。透射镜：它是一种高倍率的强力透镜，用于放大中间图像，然后在荧光屏上形成图像。与光学玻璃透镜相比，我们称能聚焦电子束的装置为电子透镜。旋转对称的静电和磁场可以聚焦电子束，还有静电透镜和磁透镜。磁透镜在许多方面优于静电透镜，尤其是它不易受高电压的影响。电磁线圈激励的电磁透镜可以方便地调节磁场强度，从而调节透镜的焦距和放大率，因此电磁透镜被广泛应用于电子显微镜中。电子枪发射的电子在阳极加速电压的作用下被聚光镜凝聚成照射样品的电子束。穿过样品的电子携带样品本身的结构信息，通过物镜、中间镜和投影镜的中继聚焦放大，最终以图像或衍射光谱的形式显示在荧光屏上。工作原理：1 .矿物和物质的形态是识别矿物的主

5、要标志，这是由于不同矿物的结晶习性和形态不同它可以由样品各部分的不同密度(或原子序数z)和厚度形成，也称为质量厚度对比或质量厚度对比。透射电子显微镜观察内容，4张粒径电子显微镜照片有放大倍数和刻度，可准确测量粒径。粒度也是理解矿物特征及其应用的一个重要因素。表面特征是指表面的光滑度，高岭石可以是光滑的，伊利石表面有斑点。当在透射电子显微镜下观察晶体样品时，如果两个相干光束，即透射电子束和衍射电子束，从样品的相同区域穿过物镜光阑，可以形成周期图像，其周期d等于产生衍射光束的原子或分子的网格间距。1)超薄切片通常用锇酸和戊二醛固定，嵌入环氧树脂，并通过热膨胀或螺旋推进来推动。切片厚度为2050纳米

6、，切片用重金属盐染色以增加对比度。莱卡超薄切片机、内质网透射电子显微镜(伪彩色)、样品制备技术、2)负染技术负染是用重金属盐(如磷钨酸和醋酸铀酰)将样品铺展在载体网上进行染色；样品干燥后，在样品的凹陷部分涂上一层薄薄的重金属盐，而凸起部分没有染料沉积，导致负染色效果，分辨率可达1.5纳米左右，肌动蛋白纤维的负染色电镜照片，3)冷冻蚀刻，冷冻蚀刻，也称为冷冻断裂。标本在-100干冰或-196液氮中冷冻。然后，用冷刀突然断开样品，温度升高后，冰在真空条件下迅速升华，露出横截面结构，这被称为蚀刻。蚀刻后，以45度角喷涂一层蒸汽铂，然后以90度角喷涂一层碳，以增强对比度和强度。然后用次氯酸钠溶液消化样

7、品，剥离碳和铂膜，这就是所谓的复制品。复合膜显示了样品蚀刻表面的形态，在电子显微镜下获得的图像代表了样品中细胞断裂表面的结构。扫描电子显微镜1952年，英国工程师查尔斯奥茨利制造了第一台扫描电子显微镜。JEOL扫描电子显微镜，扫描电子显微镜使用聚焦电子束逐点扫描样品表面。样品是块状或粉末颗粒，成像信号可以是二次电子、反向散射电子或吸收电子。二次电子是最重要的成像信号。电子枪发射的能量为535千电子伏的电子被二次聚光器和物镜还原，形成具有一定能量、一定束流强度和一定束流光斑直径的细电子束，由扫描线圈驱动，在一定的时间和空间序列中以网格状扫描样品表面。聚焦的电子束与样品相互作用产生二次电子发射(和

8、其他物理信号)，二次电子发射的量随样品的表面形态而变化。探测器采集二次电子信号并转换成电信号，经视频放大后输入显像管栅极，与入射电子束同步扫描的显像管亮度被调制，得到反映样品表面形貌的二次电子图像。(1)可以观察到直径为0.30毫米的大样品(在半导体工业中可以观察到更大的直径)，并且样品制备方法简单。(2)景深大，是光学显微镜的三百倍，适合粗糙表面和裂缝的分析观察；图像充满立体感、真实感，易于识别和解读。(3)放大倍数变化很大，从1520万倍到1010万倍不等，便于对多相多组分的非均质材料进行低放大倍数的普查和高放大倍数的观察分析。(4)它具有相当高的分辨率，一般为26纳米，最高分辨率为0.5

9、纳米，扫描电镜，(5)图像质量可以通过电子方法得到有效的控制和改善，例如调制可以提高图像对比度的容差，使每一个配合x射线光谱仪，可以在观察形貌的同时进行微区成分分析；配有光学显微镜、单色仪等附件，可观察阴极荧光图像，分析阴极荧光光谱。(7)动态测试可以通过使用样品台如加热、冷却和拉伸来进行，以观察不同环境条件下的相变和形态变化。扫描隧道显微镜，1983年，格尔德宾宁和海因里希罗雷尔两位科学家在IBM公司的苏黎士实验室发明了扫描隧道显微镜，简称STM。这种显微镜比电子显微镜更激进，它完全失去了传统显微镜的概念。扫描隧道显微镜示意图，隧道扫描显微镜原理，隧道扫描显微镜没有透镜，它使用探针。在探针和

10、物体之间施加电压。如果探针靠近物体表面，隧穿效应将在大约纳米尺度的距离起作用。电子将穿过物体和探针之间的间隙，形成微弱的电流。如果探针和物体之间的距离改变，电流也会相应改变。这样，我们可以通过测量电流来知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的水平。扫描隧道显微镜可用于纳米加工材料表面，包括操纵原子和分子和蚀刻表面。1990年4月，来自美国国际商业机器公司的科学家宣布，他们使用扫描隧道显微镜来操纵氙原子，并使用35个原子来释放IBM这个词；恩斯特罗斯卡、格尔德宾宁和海因里希罗雷尔(从左到右)分别因发明了电子显微镜和扫描隧道显微镜而获得了1986年诺贝尔物理学奖。基于扫描隧道显微镜的基本原理，

11、他们开发了一系列扫描探针显微镜。如原子力显微镜(AFM)、激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、弹道电子发射显微镜(BE EM)、扫描离子电导率显微镜(SICM)、扫描热显微镜和扫描隧道电位计(STP)等。这些新的显微镜都使用反馈回路来控制探针在距离样品表面1毫米或远离样品表面(或样品相对于探针被扫描)的距离进行扫描，从而获得扫描隧道显微镜无法获得的关于表面的各种信息，这补充和扩展了扫描隧道显微镜的功能。原子力显微镜是由国际商用机器公司的宾尼格和斯坦福大学的夸特于1985年发明的。其目的是使非导体也能被扫描探针显微镜(SPM)观察到。原子力显微镜和扫描隧道显微镜的最大区别在于它不利用电

12、子隧道效应，而是利用原子间的范德华力来呈现样品的表面特征。原子力显微镜，假设两个原子，一个在悬臂的探针尖端，另一个在样品表面。当原子彼此靠近时，电子云的排斥力大于原子核和电子云之间的吸引力，所以整个合力就作为排斥力。相反，如果两个原子相隔一定的距离，电子云的排斥力小于原子核和电子云之间的吸引力，那么整个合力就是吸引力。原子力显微镜系统结构，力检测部分：在原子力显微镜系统中，要检测的力是原子间的范德华力。因此，在这个系统中，微悬臂梁被用来检测原子之间的力的变化。位置检测部分：在原子力显微镜系统中，针尖与样品相互作用后，悬臂会发生摆动，因此当激光照射到悬臂的末端时，反射光的位置也会因悬臂的摆动而发

13、生变化，从而导致偏移。反馈系统：在原子力显微镜(AFM)系统中，信号被激光探测器接收后，该信号将被视为反馈系统中的反馈信号和内部调整信号，通常由压电陶瓷管制成的扫描仪将被驱动适当移动，以保持样品和针尖之间适当的力。原子力显微镜(AFM，磁力显微镜，MFM)的硬件框架也使用具有强制振动的探针来扫描样品表面，但是不同之处在于探针是沿其长度磁化的镍探针或铁探针。当振动探针靠近磁性样品时，探针尖端将与样品中的磁畴相互作用，如条形磁体的北极和南极，以感受磁力并改变其共振频率，从而改变其振幅。这样，可以通过检测探针尖端的运动来获得样品表面的磁特性。磁力显微镜(MFM)、光盘的MFM图像(10m)、坡莫合金

14、薄膜的MFM图像(40 m40 m)、静电力显微镜(EFM)，其中针尖和样品在平行板电容器中扮演两个板的角色。当它扫描样品表面时，其振动幅度受到样品中电荷产生的静电力的影响。利用这一现象，我们可以通过扫描过程中获得的静电力图像来研究样品的表面信息。激光力显微镜(LFM)，激光力显微镜的探头是一根半毫米长的钨丝或硅探头，其尖端至少在50纳米以下。压电能量转换器安装在探头的底端，将交流电转换成探头的振动。当探头的振动频率接近其共振频率时，探头的共振将放大驱动信号。当受迫振动探针调整到样品表面(220纳米)时，探针和样品表面之间将产生微弱的吸引力，这将降低探针的共振频率，增大驱动频率和共振频率之间的

15、间隙，并降低探针的尖端振幅。这种振幅变化可以通过光学测量来检测，由此可以推断样品表面的波动。X射线衍射分析，X射线发现，德国物理学家威廉康德拉登(1845-1923)，于1895年发现了X射线。1901年，第一个诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴，以表彰他在1895年发现了x光。1895年x光、1896年放射性和1897年电子的发现被统称为19世纪末物理学实验的“三大发现”，标志着现代物理学的开始。x光的发现和研究对20世纪物理学和整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。伦琴(1845-1923)，德国物理学家和伦琴的实验室，“科学的历史表明，在每一项发现中，成就和机会之间有着特殊的联系，许

16、多不完全了解事实的人可能倾向于把这种特殊情况的大部分归因于机会。但只要你对自己独特的科学个性有深刻的理解，每个人都会明白，这一伟大的发现应该归功于你，一个摆脱了任何偏见，将完美的实验艺术与极其严谨和自觉的态度结合起来的研究者。”第一张人手骨的x光照片，医生用x光进行医学诊断，而20世纪70年代出现的计算机断层扫描是x光应用的新发展。早期x光诊断，x光衍射现象的发现，劳厄(1879-1960)，德国物理学家。早期晶体的x光衍射照片，劳厄实验首先证明了x光是电磁波；其次，证明了x光是波长很短的电磁波，波长的数量级是埃的数量级。第三，我们希望从斑点的分布中推回，从而了解晶体的内部结构。由于这一非凡的成就，劳厄被授予1914年诺贝尔物理学奖。衍射现象，波的衍射在声学和