扫描电子显微镜(SEM)

1、光学显微镜光学显微镜和透射电子显微镜和透射电子显微镜（TEMTEM）（TransmisionTransmision ElectronicElectronic MicroscopyMicroscopy）光路图比较光路图比较光源中间象物镜试样聚光镜目镜毛玻璃电子枪聚光镜试样物镜中间象投影镜观察屏照相底板照相底板扫描电子显微镜（SEM）Scanning Electron Microscope各种信号成像的分辨率（nm） 扫描电子显微镜的成像原理与透射电子显微镜完全不同，它不用电磁透镜放大成像，而是以类似电视摄影显像的方式，利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像。当扫描电子显

2、微镜与其它分析仪器相组合后，就可以在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。信号信号二次电子二次电子背散射电子背散射电子吸收电子吸收电子特征特征X射线射线俄歇电子俄歇电子分辨率分辨率5 1050 200100 1000100 10005 10电子与样品相互作用产生的各种信息 各种信息的作用深度二次电子成像原理图二次电子形貌像示意图二次电子检测器示意图二次电子和背散射电子的运动路线原子序数和背散射电子产额之间的关系曲线背散射电子检测器示意图背散射电子成份像和形貌像的分离 场发射式电子枪比钨灯丝和六硼化镧灯丝的亮度高出10 100倍，同时电子能量散布仅为0.2 -

3、 0.3eV，所以目前市售的高分辨率扫描式电子显微镜都采用场发射式电子枪，其分辨率可高达1nm以下。场发射电子枪可细分成三种： 冷场发射式(cold field emission , FE) 热场发射式(thermal field emission ,TFE) 肖特基发射式(Schottky emission ,SE)扫描隧道显微镜（STM）Scanning Tunneling Microscope量子势垒：d/2 |x|for d/2 |x|for 0)(0VxV202/ )(2 )(EVmkeEPkd势垒：电子（质量为m，能量为E）具有“隧穿”势垒的确定几率：薛定谔运动方程：0)(2)(0

4、222xuEVmdxxud 在势垒两边加上一个偏压V 隧道电子获得额外能量eV 能够隧穿的电子数依赖于势垒两侧的电子布居数隧道电流（ Tunneling Current）metal 1metal 2insulatorzzEEspacekzzdEeVEfEfEPJconstant )()()(z 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时（通常小于1nm），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 。这种现象即是隧道效应。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

5、电压，平均功函数，分别为针尖和样品的功函数，A 为常数，在真空条件下约等于1。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。)exp(21SAVIb 隧道电流强度对针尖与样品表面之间距非常敏感，如果距离 S 减小0.1nm，隧道电流 I 将增加一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出了样品表面的起伏。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。 对于起伏

6、不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度的分布。这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减少噪音和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。STM 操作模式恒电流模式恒高度模式Tip height is constant: an x-y scan reveals a topographic image of the surface. better vertical resolution slower scanning may yield overall drift in x-y scan can be used for surface

7、s that arent atomically flatTip height is kept constant and tunneling current is monitored. very fast scans, reduces image distortion lower vertical resolution allows study of dynamic processesSTM 图像在铜表面的铁原子铜表面缺陷导致的驻波原子力显微镜（AFM）Atomic Force Microscope 原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子

8、之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化，其作用力与距离的关系如图所示，当原子与原子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。 原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大小也符合Lennard Jones公式： 括号中前一项表示系统能量升高，说明原子间存在排斥作用，后一项表示系统能量降低，表示吸引作用。为原子间距为原子直径，rrrrEpair6124)( 原子力显微镜的系统就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。所以在原子力显微镜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