第一篇——组织形貌分析终版学习教案

1、会计学1第一篇第一篇组织形貌组织形貌(xn mo)分析终版分析终版第一页，共133页。第1页/共133页第二页，共133页。第2页/共133页第三页，共133页。4. 扫描探针显微镜简介扫描(somio)电子显微镜透射电子显微镜第3页/共133页第四页，共133页。结构结构第4页/共133页第五页，共133页。l表面(biomin)和内部组织形貌，包括材料的外观形貌、晶粒大小与形态、界面（表面(biomin)、相界、晶界）。l微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要。下一标题下一标题(biot)页页第5页/共133页第六页，共133页。钛靶局部钛靶局部(jb)被单脉冲激光烧蚀被单脉冲激光

2、烧蚀10181018号钢的断口号钢的断口塑性塑性(sxng)(sxng)断裂断裂韧窝状形貌(xn mo)和夹杂物回标题页回标题页高分子聚合物薄膜断口高分子聚合物薄膜断口金纳米线金纳米线第6页/共133页第七页，共133页。铁素体的晶粒和晶界奥氏体-铁素体双相组织深灰色：铁素体相，含量4050% ；浅灰色：奥氏体相回标题回标题(biot)页页第7页/共133页第八页，共133页。第8页/共133页第九页，共133页。0.11101001000101001,00010,000100,0001,000,00010,000,000放大放大(fngd)倍率倍率电子显微镜光学显微镜分辨率分辨率10-710

3、-910-1010-1110-12扫描探针显微镜0.010.00110-810-6nmm第9页/共133页第十页，共133页。l光学显微镜最先用于在医学及生物学方面(fngmin)，直接导致了细胞的发现，在此基础上形成了19世纪自然科学三大发现之一细胞学说。l应用：观察金属或合金的晶粒大小和特点等；无机非金属材料的岩相分析等；研究高聚物的结晶形态、取向过程等。第10页/共133页第十一页，共133页。第11页/共133页第十二页，共133页。 由斑点(bndin)光源衍射形成的埃利斑 两个彼此靠近的物点的衍射光斑 第12页/共133页第十三页，共133页。第13页/共133页第十四页，共133

4、页。物质波的波长与其(yq)动量关系=h/p，200-300 kV加速电压下，电子束波长为0.025 nm。（波长短）（波长短）（电磁透镜）（电磁透镜）第14页/共133页第十五页，共133页。第15页/共133页第十六页，共133页。钛靶局部钛靶局部(jb)被单脉冲激光烧蚀被单脉冲激光烧蚀10181018号钢的断口号钢的断口(dunku)(dunku)塑性断裂塑性断裂高分子聚合物薄膜断口高分子聚合物薄膜断口(dunku)金纳米线金纳米线第16页/共133页第十七页，共133页。头发头发(tu fa)分叉处分叉处红血球红血球脑神经元脑神经元100 m69 m100 m10 m白血球白血球第17

5、页/共133页第十八页，共133页。第18页/共133页第十九页，共133页。19811981年，硅原子年，硅原子(yunz)(yunz)像（像（7X77X7） 硅硅 (111) (7X7)原子原子(yunz)图像图像第19页/共133页第二十页，共133页。图中的图中的“IBMIBM”是由单个氙（是由单个氙（Xe)Xe)原子原子(yunz)(yunz)构成的构成的 第20页/共133页第二十一页，共133页。从左至右依次是Ernst Ruska，Gerd Binnig和Heinrich Rohrer分别因为发明透射电子显微镜和扫描(somio)隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。第2

6、1页/共133页第二十二页，共133页。第22页/共133页第二十三页，共133页。第23页/共133页第二十四页，共133页。l1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens)设计并制造出双透镜目镜惠更斯目镜，是现代多种目镜的原型。这时的光学(gungxu)显微镜已初具现代显微镜的基本结构(右图)。第24页/共133页第二十五页，共133页。第25页/共133页第二十六页，共133页。第26页/共133页第二十七页，共133页。n衍射现象可以用“子波相干叠加”的原理来解释。水波(shu b)的衍射第27页/共133页第二十八页，共133页。光强光强 第28页/共133页第二十九页，共133页

7、。sin61. 00nMR l由于衍射效应，物体上每个物点通过透镜成像后不会是一个点，而是一个衍射斑埃利斑。如果两个(lin )衍射光斑靠得太近，它们将无法被区分开来。l埃利斑第一暗环半径 其中，n 为物方介质折射率， 光源波长， 透镜半孔径角，M 透镜放大倍数，n sin 数值孔径。埃利斑半径与照明光源波长成正比，与透镜数值孔径成反比。 由斑点光源衍射形成的埃利斑 埃利斑光强分布图R0F物镜物点第29页/共133页第三十页，共133页。0 11直射光直射光样品(yngpn)物镜后焦面像面第30页/共133页第三十一页，共133页。 阿贝成像原理(yunl)可以简单地描述为两次干涉作用。 当平

8、行光束通过有周期性结构的物体时，第31页/共133页第三十二页，共133页。像面后焦面第32页/共133页第三十三页，共133页。目镜目镜(mjng)物镜物镜(wjng)聚光镜和光阑聚光镜和光阑反光镜反光镜光学显微镜包括光学系统和机械装置两大部分：第33页/共133页第三十四页，共133页。第34页/共133页第三十五页，共133页。F物镜(wjng)物点第35页/共133页第三十六页，共133页。油浸物镜第36页/共133页第三十七页，共133页。R0分辨两埃利斑的判据分辨两埃利斑的判据(pn j)(pn j)瑞利判据瑞利判据(pn j)(pn j)：两埃利斑中心：两埃利斑中心间距等于第一暗

9、环半径间距等于第一暗环半径R0R0。此时。此时, , 两中央峰之间叠加强度比中央峰最大两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低强度低1919，肉眼刚刚能分辨是两个物点的像，肉眼刚刚能分辨是两个物点的像 。第37页/共133页第三十八页，共133页。000.61/sinrRMn第38页/共133页第三十九页，共133页。第39页/共133页第四十页，共133页。l人眼的分辨本领 r 大约(dyu)为0.2 mm，光学显微镜分辨本领极限 r0 大约(dyu)为0.2 m，因此，光学显微镜的有效放大倍率为1000倍。为使人眼感到轻松，光学显微镜的最高放大倍数是10001500倍。l有效放大(fngd)

10、倍数由下式确定：M有效 = r / r0 第40页/共133页第四十一页，共133页。边缘与中心部分的折射光不能通过会聚相交于一点(y din)，可以通过组合透镜进行校正。第41页/共133页第四十二页，共133页。由于组成(z chn)白光的各色光波长不同，折射率不同，因而成像的位置也不同 。也可以通过组合透镜进行校正。第42页/共133页第四十三页，共133页。垂直于光轴的直立的物体经过透镜后会形成一弯曲(wnq)的像面，称为像域弯曲(wnq)，像域弯曲(wnq)是几种像差综合作用的结果。 第43页/共133页第四十四页，共133页。 金相显微镜观察(gunch)试样组织 第44页/共13

11、3页第四十五页，共133页。通常(tngchng)试样为直径1625 mm、高1620 mm的圆柱体或边长1625 mm的立方体。第45页/共133页第四十六页，共133页。第46页/共133页第四十七页，共133页。第47页/共133页第四十八页，共133页。第48页/共133页第四十九页，共133页。铁素体的晶粒和晶界奥氏体-铁素体双相组织深灰色：铁素体相，含量4050% ；浅色：奥氏体相第49页/共133页第五十页，共133页。第50页/共133页第五十一页，共133页。1什么是埃里斑？其大小由什么因素决定？2什么是阿贝成像原理？3物镜数值孔径的含义。它表征物镜哪方面 的性能？4、光学显

12、微镜分辨本领如何(rh)衡量？分辨率高 低由哪些因素决定？第二章 光学(gungxu)显微技术第51页/共133页第五十二页，共133页。第52页/共133页第五十三页，共133页。1什么是埃里斑？其大小(dxio)由什么因素决定？2什么是阿贝成像原理？3物镜数值孔径的含义。它表征物镜哪方面 的性能？4、光学显微镜分辨本领如何衡量？分辨率高 低由哪些因素决定？第二章 光学显微(xin wi)技术重点内容(nirng)回顾第53页/共133页第五十四页，共133页。第54页/共133页第五十五页，共133页。简称扫描电镜。它不用透镜放大成像，而是以类似电视的成像方式(fngsh)，用聚焦电子束在

13、样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像。 日立日立S-4800S-4800型扫描电镜型扫描电镜-材料材料(cilio)(cilio)学院学院第55页/共133页第五十六页，共133页。花蕊的柱头花蕊的柱头花粉花粉茉莉花花粉茉莉花花粉菊花花粉菊花花粉第56页/共133页第五十七页，共133页。第57页/共133页第五十八页，共133页。多孔硅的光学显多孔硅的光学显微镜图像微镜图像多孔硅：可见光发光材料。多孔硅的扫描多孔硅的扫描电镜图像电镜图像第58页/共133页第五十九页，共133页。第59页/共133页第六十页，共133页。 一束聚焦电子束沿一定(ydng)方向入射到试样内时，由于晶格

14、位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变的现象称为散射。l 弹性散射：l 散射过程(guchng)中入射电子只改变方向，其总动能基本上无变化。l 非弹性散射：l 散射过程(guchng)中入射电子的方向和动能都发生改变。在非弹性散射情况下，入射电子会损失一部分能量，并伴有各种信息的产生。第60页/共133页第六十一页，共133页。弹性背散射电子弹性背散射电子入射电子非弹性背散射电子非弹性背散射电子二次电子二次电子特征特征X射线射线第61页/共133页第六十二页，共133页。 被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子（内层电子或价电子）。反映样品表面(biomin)的形貌特征，分辨率高。 被

15、固体样品原子反射回来的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。形貌特征及定性成分分析。 入射电子激发原子内层电子后，外层电子跃迁至内层时发出的具有特征能量的X射线光子。定量成分分析。第62页/共133页第六十三页，共133页。第63页/共133页第六十四页，共133页。入射电子束受到样品原子的散射作用，偏离原来方向，向外发散。随着电子束进入样品深度的不断增加，入射电子的分布范围不断增大(zn d)，动能不断降低，直至动能降为零，最终形成一个规则的作用区域。样品原子序数对入射电子束作用区域的影响：轻元素样品，电子束散射区域的外形 “梨形作用体积”；重元素样品“半球形作用体积” 。梨

16、形作用体积梨形作用体积 入射电子束的作用入射电子束的作用(zuyng)区域：区域：第64页/共133页第六十五页，共133页。 入射电子能量对作用区域的影响：改变电子能量只引起(ynq)作用体积大小的变化，而不会显著的改变形状。电子束能量与作用体积的关系 入射电子束的作用入射电子束的作用(zuyng)区域：区域：第65页/共133页第六十六页，共133页。l有效作用区：可以(ky)产生信号的区域。电子有效作用深度：有效作用区的最深处。l有效作用区内的信号并不一定都能逸出材料表面、成为有效的可供采集的信号。l随着入射电子有效作用区域深度增加，作用区范围增大，信号产生的空间范围也增加，信号的空间分

17、辨率降低。 入射电子束俄歇电子(dinz)（0.42 nm）二次电子(510 nm)背散射电子(100 nm1 m)SEM的分辨率指的是二次电子的分辨率。 各种信号产生的深度和区域：各种信号产生的深度和区域：连续X射线 特征X射线 (500 nm5 m)第66页/共133页第六十七页，共133页。电子枪电子枪照明照明(zhomng)透透镜系统镜系统扫扫描描线线圈圈末级末级透镜透镜探测器探测器至真至真空泵空泵荧光屏荧光屏光栅扫描、逐点成像样品样品第67页/共133页第六十八页，共133页。 扫描电镜图像的放大倍数定义为显像管中电子束在荧光屏上的扫描振幅和电子光学系统中电子束在样品(yngpn)上

18、扫描振幅的比值，即： 式中，M：放大倍数，L：显像管的荧光屏尺寸；l：电子束在试样上扫描距离。M=L/l第68页/共133页第六十九页，共133页。第69页/共133页第七十页，共133页。电子枪电子枪第一、二聚光镜第一、二聚光镜物镜物镜扫描线圈扫描线圈样品室样品室第70页/共133页第七十一页，共133页。200 m热阴极电子枪热阴极电子枪场发射场发射(fsh)(fsh)电子枪电子枪 钨灯丝(dn s)六硼化镧灯丝35kV10100kV电子束直径：10 nm电子束亮度较低；束斑尺寸较大。第71页/共133页第七十二页，共133页。u电磁透镜：经过电磁透镜二级或三级的聚焦，在样品表面上可得到直

19、径几纳米的电子束斑。u扫描系统：控制入射电子束在样品表面作光栅扫描，改变扫描振幅来获得所需放大倍数的扫描像。u样品室：较大，可以(ky)观察表面粗糙的大尺寸样品，也可以(ky)安装各种功能的样品台和检测器。第72页/共133页第七十三页，共133页。末级透镜(tujng)背散射电子探头法拉第网杯（+200+500 V）闪烁体光导管光电倍增器样品台第73页/共133页第七十四页，共133页。三种(sn zhn)信号的探测器Back Scatter Electron Detector二次电子探测器X射线探测器背散射电子探测器物镜第74页/共133页第七十五页，共133页。第75页/共133页第七十

20、六页，共133页。金纳米线金纳米线第76页/共133页第七十七页，共133页。 提供表面形貌衬度。二次电子来自试样表面层，发射率受表面形貌影响大。二次电子的发射系数（发射率）与入射电子束与试样表面法向夹角有关，1/cos 。因此，试样表面凹凸不平的部位产生(chnshng)的二次电子信号强度比在其他平坦部分产生(chnshng)的信号强度大，从而形成表面形貌衬度。入射 电子束产率 梨形作用体积梨形作用体积二次电子第77页/共133页第七十八页，共133页。陶瓷(toc)烧结体的表面图像多孔硅的剖面图第78页/共133页第七十九页，共133页。背散射电子既可以(ky)用来显示形貌衬度，也可以(k

21、y)用来显示成分衬度。)10( 416lnZZ梨形作用体积梨形作用体积背散射电子第79页/共133页第八十页，共133页。样品中重元素区域(qy)在图像上较亮，而轻元素在图像上较暗。锡铅镀层(d cn)的表面图像（a）背散射电子图像（b）二次电子图像(b)(a)铅锡第80页/共133页第八十一页，共133页。成分像形貌像l信号接收器由两块独立的检测器组成。 l对于原子序数信息来说，进入左右两个检测器的电信号，其大小(dxio)和极性相同，而对于形貌信息，两个检测器得到的电信号绝对值相同，其极性恰恰相反。l将检测器得到的信号相加，能得到反映样品原子序数的信息；相减能得到形貌信息。 成分像+形貌像

22、-第81页/共133页第八十二页，共133页。背散射电子探头采集(cij)的成分像（a）和形貌像（b）(a)(b)第82页/共133页第八十三页，共133页。第三章 扫描(somio)电子显微镜重点内容回顾二次电子背散射电子特征X射线光栅扫描逐点成像二次电子像背散射电子像高低分辨率第83页/共133页第八十四页，共133页。第84页/共133页第八十五页，共133页。 对形貌观察而言，指能分辨两点之间的最小距离；对微区成分(chng fn)分析而言，它是指能分析的最小区域。 二次电子(dinz)像的分辨率约等于束斑直径（几个nm），背反射电子(dinz)像的分辨率约为50-200nm。X射线的

23、深度和广度都较大，所以X射线图像的分辨率远低于二次电子(dinz)像和背反射电子(dinz)像。入射电子束二次电子背散射电子连续X射线 特征X射线 俄歇电子第85页/共133页第八十六页，共133页。 荧光屏上图像边长与电子束在样品(yngpn)上扫描振幅的比值。目前大多数商用扫描电镜放大倍数为2020,000倍。 M=L/l第86页/共133页第八十七页，共133页。ccMtgtgdFmm2 . 00 : 电子束的入射半角 c电子束入射半角的影响d0=0.2mm/Md0 : 临界分辨率M : 放大(fngd)倍数工作距离的影响光阑工作距离多孔硅的光学显多孔硅的光学显微镜图像微镜图像多孔硅：可

24、见光发光材料。多孔硅的扫描多孔硅的扫描电镜图像电镜图像第87页/共133页第八十八页，共133页。第88页/共133页第八十九页，共133页。(100 V1000 V)靶材（阴极）样品环形阳极第89页/共133页第九十页，共133页。第90页/共133页第九十一页，共133页。脆性断裂解理断裂T 295 K第91页/共133页第九十二页，共133页。 D. Ferrer-Balas et al., Polymer 43, 3083-3091 (2002)聚丙烯(H0)、乙烯-聚丙烯嵌段共聚物(C1-C3)薄膜在不同(b tn)温度下的断口形貌 第92页/共133页第九十三页，共133页。低倍像

25、高倍(o bi)像多孔氧化铝模板制备(zhbi)的金纳米线的形貌第93页/共133页第九十四页，共133页。铅笔(qinb)状ZnO纳米线的SEM图像第94页/共133页第九十五页，共133页。水热法合成PbS分级结构(jigu)的SEM图像S. Xiong, J. Phys. Chem. C 111, 16761-16767 (2007)第95页/共133页第九十六页，共133页。左手材料SRR阵列(zhn li)的SEM图像第96页/共133页第九十七页，共133页。水中甲苯(ji bn)中 J. Cui et al., J. Colloid Interface Sci. 326, 267

26、-274 (2008)三氯甲烷中有机低分子(fnz)凝胶因子在不同溶剂中的自组装形貌第97页/共133页第九十八页，共133页。 S. Al-Malaika et al., Polymer 46, 209-228 (2005)PET/EPR 80:20 w/wPET/EPR 60:40 w/w聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)和乙丙橡胶(EPR)共混体系(tx)形貌第98页/共133页第九十九页，共133页。第99页/共133页第一百页，共133页。第100页/共133页第一百零一页，共133页。1扫描电镜中三种主要信号分别是什么？如何产生？可以(ky)分别用来进行哪些方面的材料分析？三种信号分辨

27、率的高低如何？2简述扫描电镜的工作原理。3为什么二次电子像可以(ky)提供样品表面形貌信息？ 4. 扫描电镜制样中需要注意的问题是什么？ 第101页/共133页第一百零二页，共133页。第102页/共133页第一百零三页，共133页。（重点）4. 其他扫描探针显微技术第103页/共133页第一百零四页，共133页。l扫描探针显微镜：Scanning Probe Microscope，缩写为SPM。l1981年，SPM首次(shu c)在实空间展现了硅表面的原子图像。从此，它在表面分析领域发挥着重要作用。lSPM是一类仪器的总称，分辨率从原子到微米级别。 19811981年，硅原子像（年，硅原子

28、像（7X77X7） lSPM是一种具有空前高的3D分辨率的轮廓仪。l可以测量表面电导率、静电电荷分布、区域摩擦力、磁场(cchng)和弹性模量等物理特性。第104页/共133页第一百零五页，共133页。SPM基本(jbn)构成图下上l SPM基本(jbn)构成第105页/共133页第一百零六页，共133页。第106页/共133页第一百零七页，共133页。硅表面(biomin)原子图像吸附在铂表面的碘原子(yunz)阵列图第107页/共133页第一百零八页，共133页。l隧道电流强度I是间距d的指数函数；如果针尖与样品间隙（0.1nm级尺度）变化10%，隧道电流则变化一个数量级。l lSTM灵敏

29、度高。 垂直精度(jn d)高于0.1nm，横向分辨率为原子级()。 EkdIGVe针尖(zhn jin)样品相互作用示意图样品：导体或半导体锐化的导电针尖：钨或铂-铱合金 d 1nmV几十毫伏偏压隧道电流第108页/共133页第一百零九页，共133页。1pm = 10-12 m=0.01 STM两种工作(gngzu)模式 高度电流强度第109页/共133页第一百一十页，共133页。图中的图中的“IBMIBM”是由单个氙（是由单个氙（Xe)Xe)原子原子(yunz)(yunz)构成的构成的 第110页/共133页第一百一十一页，共133页。1993年，移动铁原子的实验。在低温条件下，用STM针

30、尖将吸附在铜表面上的48个铁原子排列成了一个“量子围栏”的圆环，最近的铁原子相距0.9nm。环中电子只能在围栏内运动，形成驻波。这是世界上首次观察到的电子驻波直观图形。 1991年，IBM公司的科研小组用STM针尖移动吸附在铂表面的28个一氧化碳分子，拼成了一个小人的形象，各个分子的间距约0.5nm。堪称世界上最小的人形图案。 5 nm第111页/共133页第一百一十二页，共133页。(lyng)AFM进行纳米印刷第112页/共133页第一百一十三页，共133页。l悬臂和针尖(zhn jin)的材料是硅。针尖(zhn jin)和样品表面间的力导致悬臂弯曲或偏转。l当样品在针尖(zhn jin)

31、下做光栅式运动时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。硅悬臂和针尖硅悬臂和针尖(zhn jin)(zhn jin)的的SEMSEM图像图像位敏光探测器位敏光探测器样品：导体、半导样品：导体、半导体或绝缘体体或绝缘体第113页/共133页第一百一十四页，共133页。PSPDPSPD检测器检测器样品样品l 悬臂微位移(wiy)的检查方法 光学技术 第114页/共133页第一百一十五页，共133页。PSPDPSPD检测器检测器样品样品(yngpn)PSPD探测精度(jn d)为1nm,可检测悬臂针尖小于0.1 nm 的垂直运动。 l 悬臂微位移的检查方法(fngf) 光

32、学技术 第115页/共133页第一百一十六页，共133页。l用压电材料来制作悬臂，可直接用电学法来测量(cling)到悬臂偏转，而不必使用激光束和PSPD。l所谓压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生 形变时会产生电压，或给晶体加一电压时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质 。l 悬臂(xunb)微位移的检查方法 电学法 第116页/共133页第一百一十七页，共133页。l范德瓦尔斯力。l毛细力。由于通常(tngchng)环境下，在样品表面存在一层水膜，水膜延伸并包裹住针尖，就会产生毛细力，它具有很强的吸引（大约为10-8N）。l范德瓦尔斯力和毛细力的合力构成接触力。非接触非接触几至几十纳米1nm范德瓦尔斯力与针尖范德瓦尔斯力与针尖样品间隙的关系样品间隙的关系示意图示意图 第117页/共133页第一百一十八页，共133页。第118页/共133页第一百一十九页，共133页。第119页/共133页第一百二十页，共133页。溅射过程中，不同厚度的透明导电溅射过程中，不同厚度的透明导电(dodin)(dodin)涂层涂层ITOITO的表面形貌像的表面形貌像