表面分析技术：第二章光学显微分析技术2015

1、走进微观世界走进微观世界-显微镜显微镜人眼的最小分辨角；人眼的最小分辨角；1（1分）分）在明视距离在明视距离20cm处，能看到处，能看到0.05mm (50m)张角小于一度的物体，裸眼就难于观测张角小于一度的物体，裸眼就难于观测-微观世界微观世界走进微观世界的工具走进微观世界的工具-显微镜显微镜显微镜提供给观察者一个放大的象显微镜提供给观察者一个放大的象光学显微分析的发展光学显微分析的发展 15世纪中叶：放大镜（单式显微镜）世纪中叶：放大镜（单式显微镜） 1590年荷兰年荷兰Hans and Zacharias Janssen：复：复式显微镜式显微镜 17世纪中叶世纪中叶R. Hooke：设计

2、第一台性能较好的：设计第一台性能较好的显微镜显微镜 Christiaan Huygens：惠更斯目镜：惠更斯目镜 19世纪德国世纪德国Ernst Abbe阐明光学显微镜成像原阐明光学显微镜成像原理，光学显微镜分辨本领达理，光学显微镜分辨本领达0.2微米理论极限微米理论极限. 几何光学显微镜几何光学显微镜 生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、生物显微镜、落射光显微镜、倒置显微镜、金相显微镜、暗视野显微镜等。暗视野显微镜等。 物理光学显微镜物理光学显微镜 相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显相差显微镜、偏光显微镜、干涉显微镜、相差偏振光显微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微

3、镜等。微镜、相差干涉显微镜、相差荧光显微镜等。 信息转换显微镜信息转换显微镜 荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学荧光显微镜、显微分光光度计、图像分析显微镜、声学显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。显微镜、照相显微镜、电视显微镜等。 特种光学显微镜特种光学显微镜 高温显微镜、近场光学显微镜等。高温显微镜、近场光学显微镜等。玻璃配合料高温熔融过程激光共聚焦显微镜激光共聚焦显微镜激光扫描共聚焦显微镜是采用激光作为光源，在传激光扫描共聚焦显微镜是采用激光作为光源，在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置，并利用计算机对所观察的对象进行数字图象

4、处理的一利用计算机对所观察的对象进行数字图象处理的一套观察、分析和输出系统。套观察、分析和输出系统。主要系统包括激光光源、自动显微镜、扫描模块主要系统包括激光光源、自动显微镜、扫描模块（包括共聚焦光路通道和针孔、扫描镜、检测器）、（包括共聚焦光路通道和针孔、扫描镜、检测器）、数字信号处理器、计算机以及图象输出设备（显示数字信号处理器、计算机以及图象输出设备（显示器、彩色打印机）等。器、彩色打印机）等。通过激光扫描共聚焦显微镜，可以对观察样品进行通过激光扫描共聚焦显微镜，可以对观察样品进行断层扫描和成像。因此，可以无损伤的观察和分析断层扫描和成像。因此，可以无损伤的观察和分析细胞的三维空间结构。

5、同时，通过激光扫描共聚焦细胞的三维空间结构。同时，通过激光扫描共聚焦显微镜也是活细胞的动态观察、多重免疫荧光标记显微镜也是活细胞的动态观察、多重免疫荧光标记和离子荧光标记观察的有力工具。和离子荧光标记观察的有力工具。 Laser Scanning Confocal Microscope2.2 光学显微镜的极限光学显微镜的极限透镜成象公式：fuu111放大率：uffuuM当uf，M ，是否能看见任何微小的物？ y0FuuFy放大倍数足够就能观察到任何微小物体吗？放大倍数足够就能观察到任何微小物体吗？成象系统的分辨率成象系统的分辨率由于衍射效应，任何一个由于衍射效应，任何一个“点点”物，通过理想光

6、物，通过理想光学系统所成象为一个弥散斑，其光强分布如图：学系统所成象为一个弥散斑，其光强分布如图：-2-10120.00.20.40.60.81.0Normalized Intensity(a.u.)Dimensionless distance瑞利判据瑞利判据：当一个点物的象的最亮处与临近另一点物：当一个点物的象的最亮处与临近另一点物的象的第一个零点重合时，此两点物的刚好分辨。称的象的第一个零点重合时，此两点物的刚好分辨。称此时的两点物间的距离为成象系统的此时的两点物间的距离为成象系统的分辨率分辨率。-3-2-101230.00.20.40.60.81.0Normalized Intensit

7、y(a.u.)Dimensionless distance根据瑞利判据给出的分辨率公式根据瑞利判据给出的分辨率公式:.61. 0ANrN.A.为成象系统数值孔径为成象系统数值孔径:)2/sin(.nANn提高分辨率的途径提高分辨率的途径1、减小波长、减小波长.61. 0ANr根据分辨率公式：（1）使用短波长可见光，如蓝光）使用短波长可见光，如蓝光DVD，紫外光刻紫外光刻（2）使用物质波）使用物质波电子显微镜电子显微镜)(25.12121000220AUUemhvmhcvvmh物2 增加数值孔径（增加数值孔径（N.A.）高倍率油浸物镜高倍率油浸物镜物空间填充高折射率的油，提高物空间填充高折射率的

8、油，提高n值，通常值，通常NA大大于于1。固体浸没透镜（固体浸没透镜（SIL）选用高折射率材料，可以使选用高折射率材料，可以使NA大于大于2。分辨率可。分辨率可以小于以小于200nm。近场扫描光学显微镜（近场扫描光学显微镜（SNOM）( Near-field Scanning Optical Microscope )单模光纤单模光纤收缩段收缩段镀铝膜镀铝膜样品样品光纤传光是通过全内反射原理。但是，当光纤直径小光纤传光是通过全内反射原理。但是，当光纤直径小于半个光波长时，光就不能再传播了。所以，在光纤于半个光波长时，光就不能再传播了。所以，在光纤直径小于半个波长段，需要镀金属膜。这时，不能传直径

9、小于半个波长段，需要镀金属膜。这时，不能传播的光波转换为金属镀膜中的倏逝波播的光波转换为金属镀膜中的倏逝波( (evanescent)evanescent)，沿镀膜传播至尖端口，然后再转换为传播波。但是此沿镀膜传播至尖端口，然后再转换为传播波。但是此传播波发散得非常快，通常仅在小于孔径直径的传播传播波发散得非常快，通常仅在小于孔径直径的传播距离内保持光束直径与孔径相同，所以，样品必须离距离内保持光束直径与孔径相同，所以，样品必须离尖端很近尖端很近-近场。近场。SNOM测量实例与比较多孔二氧化硅表面形貌图。(a)AFM图象，(b)SNOM图象SNOM是一种多功能超分辨显微仪器是一种多功能超分辨显

10、微仪器具有具有AFM的表面形貌测试功能的表面形貌测试功能测试样品的超分辨发光特性测试样品的超分辨发光特性测试样品的超分辨透射特性测试样品的超分辨透射特性测试样品的超分辨反射特性测试样品的超分辨反射特性几乎能能测试任何样品：活生物、有机、无机，导电，几乎能能测试任何样品：活生物、有机、无机，导电，绝缘，磁性材料等绝缘，磁性材料等缺点：分辨率比AFM和STM低一个数量级，通常在50nm左右，但目前的发展趋势是组合SNOM和AFM，因两者的差别仅在探针薄膜厚度的光学测量法薄膜厚度的光学测量法 不透明薄膜的等厚干涉法不透明薄膜的等厚干涉法(FET) 不透明薄膜的等色干涉法不透明薄膜的等色干涉法(FEC

11、O) 透明薄膜的变角度干涉法透明薄膜的变角度干涉法(VAMFO) 透明薄膜的等角反射干涉法透明薄膜的等角反射干涉法(CARIS) 椭偏光谱法椭偏光谱法薄膜厚度的台阶机械测量法薄膜厚度的台阶机械测量法石英晶体震荡器法石英晶体震荡器法称重量法称重量法干涉显微术干涉显微术 将光波的干涉技术与显微将光波的干涉技术与显微镜结合起来，利用光的干涉镜结合起来，利用光的干涉研究物相更细微的表面高度研究物相更细微的表面高度差，观察数十纳米的高度差。差，观察数十纳米的高度差。 一束单色光射到空气尖劈一束单色光射到空气尖劈上会产生两束存在一定光程上会产生两束存在一定光程差的光，并产生干涉现象，差的光，并产生干涉现象

12、，在目镜中可见明暗相间的条在目镜中可见明暗相间的条纹。纹。 不平表面将产生弯曲干涉不平表面将产生弯曲干涉条纹。根据干涉条纹的形状条纹。根据干涉条纹的形状即可检测样品表面的细微高即可检测样品表面的细微高度差和平整情况。度差和平整情况。膜厚：d = (/0) /2 光源发出一定波长的光，非偏振光光源发出一定波长的光，非偏振光( (自然光自然光) )束经过束经过起偏器后变为线偏振光，线偏振光经过起偏器后变为线偏振光，线偏振光经过1 14 4波片波片后，变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经过样品反射后，变为椭圆偏振光，椭圆偏振光经过样品反射后，偏振状态发生变化，后，偏振状态发生变化， 用直径很小的触针滑过被测

13、薄膜的表面，同时记录用直径很小的触针滑过被测薄膜的表面，同时记录下触针在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓下触针在垂直方向的移动情况并画出薄膜表面轮廓的方法被称为粗糙度仪法。既可测量表面粗糙度，的方法被称为粗糙度仪法。既可测量表面粗糙度，也可测量薄膜台阶的高度。也可测量薄膜台阶的高度。 粗糙度仪触针的头部是用金刚石磨成半径约粗糙度仪触针的头部是用金刚石磨成半径约10-2010-20 m m的圆弧后做成的。在触针上加有的圆弧后做成的。在触针上加有1-30 mg1-30 mg的可以调节的可以调节的压力。垂直位移可以通过机械、电子或光学的方的压力。垂直位移可以通过机械、电子或光学的方法被放大几千倍

14、甚至一百万倍，并配有法被放大几千倍甚至一百万倍，并配有CCDCCD摄像仪摄像仪因而垂直位移的分辨率最高可以达到因而垂直位移的分辨率最高可以达到lnmlnm左右。左右。 与称重法相关的另一种薄膜厚度的测量方法是石英与称重法相关的另一种薄膜厚度的测量方法是石英晶体振荡器法。目前，这一方法已被广泛应用于薄晶体振荡器法。目前，这一方法已被广泛应用于薄膜沉积过程中厚度的实时测量。这一方法的原理是膜沉积过程中厚度的实时测量。这一方法的原理是基于基于石英晶体片的固有振动频率随其质量的变化而石英晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化变化的物理现象；的物理现象； 一个弹性体的固有振动频率取决于其尺寸、弹性模一个弹性体的固有振动频率取决于其尺寸、弹性模量和密度等。对厚度为量和密度等。对厚度为t t的石英晶片，其固有频率的石英晶片，其固有频率为：为：f f0 0 = = /2t/2t - - 厚度方向的弹性播的波速厚度方向的弹性播的波速石英晶片厚度的微小变化石英晶片厚度的微小变化 t, 将导致固有频率的变将导致固有频率的变化化 f = - t*f0/t = - m* f0/ 0 At同样