显微形貌分析课件

1、显微分析通过获得的形貌分析物体的几何形状和大小，组织结构及分布，表面状况。所用的分析方法主要有：光学显微镜（optical microscopy）透射电子显微镜（ transmission electronic microscopy)扫描电子显微镜(scanning electrons microscopy)扫描探针显微镜 (scanning probe microscopy)场发射离子显微镜 (Field emission ion microscopy) 7/27/2022分析测试中心主要学习内容透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）扫描探针显微镜（SPM）7/27/2022分析测

2、试中心一 、透镜成像原理凸透镜成像的规律 1.当u2f时，凸透镜成倒立、缩小的实像 2.当u=2f时，凸透镜成倒立等大的实象 3.当fu2f时，凸透镜成倒立、放大的实像4.当u=f时，凸透镜不成像 5.当uf时，凸透镜成正立放大的虚像5种典型情况7/27/2022分析测试中心物镜目镜A”B”显微镜为复式放大结构、当fu2f时，在凸透镜像方一侧成倒立、放大的实像（物镜放大）、当uf时，通过在凸透镜像方一侧可观察到在物方一侧有正立放大的虚像（目镜放大）二、 显微镜的基本结构及成像原理3、 显微镜的放大倍数：物镜放大倍数目镜放大倍数7/27/2022分析测试中心阿贝光栅成像成像系统光路图如图所示。当

3、来自照明系统的平行电子束投射到晶体样品上后，除产生透射束外还会产生各级衍射束，经物镜聚焦后在物镜背焦面上产生各级衍射振幅的极大值。每一振幅极大值都可看作是次级相干波源，由它们发出的波在像平面上相干成像，这就是阿贝光栅成像原理。 S0S1S1焦平面，衍射斑像平面O2O3O1O*3O*2O*17/27/2022分析测试中心实际应用中，通过分析频谱图，便可得出原图像的信息。下列图形是在单色光照射下几种特殊图像的傅里叶变换频谱。阿贝成像原理7/27/2022分析测试中心(1) 网格成像实验装置 网格：朗琴光栅 正交网格的频谱：二维点阵状的夫琅禾费衍射亮斑 一维网格的频谱：一维点阵状的夫琅禾费衍射亮斑

4、图5.1-3 阿贝-波特实验原理xyLzlxfyfxyssfsQFQ7/27/2022分析测试中心竖直方向狭缝滤波：得到沿水平方向排列的一维网格像水平方向狭缝滤波：得到沿竖直方向排列的一维网格像 倾斜狭缝滤波：得到沿垂直于狭缝方向排列的一维网格像图5.1-4 正交网格的阿贝-波特实验仿真结果竖直方向滤波像水平方向滤波像衍射谱45o方向滤波像 输入网格水平方向滤波竖直方向滤波45o方向滤波(2) 正交网格滤波7/27/2022分析测试中心图5.1-7 任意图像的仿真滤波处理结果低通输出输入图像高通输出图5.1-8 黑白图像的假彩色编码与解码（q 调制）原理经不同光栅编码后的图像白光照射下编码图像

5、的频谱滤波解码编码后的图像阿贝成像原理与空间滤波7/27/2022分析测试中心1. 透射电子显微镜分析电子光学的基本知识透射电镜原理透射电镜的结构电子衍射电子透射成像高分辨透射电镜样品制备透射电镜的应用7/27/2022分析测试中心1.1 电子的波粒二象性1924年德布罗意（De. Broglie） 等人创立了波动力学，提出物质波的概念，指出高速运动的粒子不仅具有粒子性，而且具有波动性。 并被电子衍射实验所证实。根据德布罗意物质波原理，电子的波长 为： 其中h为普朗克常数，等于6.62410-34Js；m为运动电子的质量；v为运动电子的速度当电子的加速电压为100KV时，电子的速度为1.876

6、108m/s，电子的波长为：0.0370 ，说明电子具有波动性，并且和光波一样具有相干性 。7/27/2022分析测试中心 电子的折射静电透镜静磁透镜 运动的电子可以在静电场以及磁场中发生偏转，从而可以通过一些特殊的电场和磁场可以使电子束通过时产生会聚，这些产生特殊电场或者磁场的装置叫做电磁透镜。说明电子束的性质在某些方面与光束的性质十分相似，并且其波长较短，从而通过电子束对物体成像可以获得比光学成像分辨率大的多的显微像。 7/27/2022分析测试中心1.2 透射电镜的基本原理阿贝光学显微镜衍射成像原理同样适合于透射电子显微镜。不仅可以在物镜的像平面获得放大的电子像，还可以在物镜的后焦面处获

7、得晶体的电子衍射谱，其成像原理图见图 7/27/2022分析测试中心1.3 透射电镜的结构主要由照明系统，样品室，成像系统，图像观察和记录系统组成。 其中照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。 成像部分主要由样品室，物镜，中间镜和投影镜等装置组成。 图像观察和记录系统：主要由荧光屏，照相机，数据显示等部件组成。 1-光源，2-阳极，3-光阑，4-聚光镜，5-试样，6-物镜，7-物镜极靴，8-物镜光阑，9-中间镜，10-投影镜，11-投影平面7/27/2022分析测试中心透射电镜的放大倍数总放大倍数M总M物M中M投物镜成像是分辨率的决定因素 物镜放大倍率，在50-100范围；中间镜放大倍率，数值在0

8、-20范围；投影镜放大倍率，数值在100-150范围总放大倍率在1000-200,000倍内7/27/2022分析测试中心电子衍射原理当波长为 的单色平面电子波以入射角q照射到晶面间距为d的平行晶面组时，各个晶面的散射波干涉加强的条件是满足布拉格关系： 2dsinq =nl 入射电子束照射到晶体上，一部分透射出去，一部分使晶面间距为d的晶面发生衍射，产生衍射束。 7/27/2022分析测试中心1.5 电子透射像透射电子的像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。可分为： 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

9、衬度 7/27/2022分析测试中心质厚衬度质厚衬度来源于电子的非相干弹性散射,当电子穿过样品时，通过与原子核的弹性作用被散射而偏离光轴，弹性散射截面是原子序数的函数此外，随样品厚度增加，将发生更多的弹性散射所以，样品上原子序数较高或样品较厚的区域(较黑)比原子序数较低或样品较薄的区域(较亮)将使更多的电子散射而偏离光轴。 7/27/2022分析测试中心质厚衬度像纳米管的质厚衬度像大肠杆菌的TEM质厚衬度像7/27/2022分析测试中心衍射衬度 对晶体样品，电子将发生相干散射即衍射所以，在晶体样品的成像过程中，起决定作用的是用的是晶体对电子的衍射由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度

10、，简称衍衬影响衍射强度的主要因素是晶体取向和结构振幅 对没有成分差异的单相材料，衍射衬度是由样品各处满足布拉格条件程度的差异造成的 明场像暗场像7/27/2022分析测试中心钴薄膜中消光轮廓附近的层错条纹 钼中的六角位错网络衍射衬度像衍衬像大体可分为两种类型：是具有一定宏观不均匀性（厚度、取向不同等）的完整晶体所产生的，像上呈一些黑线,称为消光轮廓,类似物理光学中的等厚与等倾干涉条纹。是由晶体缺陷所产生的。例如堆垛层错（见面缺陷）在像上表现为黑白相间的条纹 晶体缺陷的明场像晶体缺陷的暗场像7/27/2022分析测试中心相位衬度像（高分辨透射电子像） 利用透射电子束和一支或多束衍射束同时成像，则

11、可得到由各个电子束的相干作用而得到晶格（条纹）像和晶体结构（原子）像，前者是晶体中原子面的投影，而后者是晶体中原子或原子集团电势场的二维投影。如果用来成像的衍射束越多，则得到的晶体结构的细节越丰富。 衍射衬度像的分辨率有限最高为1.5nm，主要是由于在多束同时成像时，存在离轴光束，从而加大了像差的对图像质量的影响。而相位衬度像能够提供小于1.5nm的细节，因此这种像称为高分辨像，用相位衬度方法成像，不仅能提供样品研究对样的形态，更重要的是能够提供晶体结构信息。 7/27/2022分析测试中心1.6 高分辨TEM用物镜光阑选择透射波，观察到的象为明场象；用物镜光阑选择一个衍射波，观察到的是暗场像

12、；在后焦平面上插上大的物镜光阑可以获得合成象，即高分辨电子显微像7/27/2022分析测试中心7/27/2022分析测试中心1.7 样品制备表面复型法样品减薄法超薄切片法支持膜（铜网及碳膜）法。 透射电镜是利用高速运动的电子穿透样品，与样品产生相互作用之后，经电磁物镜成像，将样品体内的结构与形貌特征反映出来。所以用于透射显微镜分析的样品一般非常薄，其厚度大概只有100200nm，这就需要对样品的进行特使处理。 主要的处理技术有：7/27/2022分析测试中心支持膜法多用于粉末样品的样品制备，用超声波震荡将粉末样品均匀分散后，滴在铜网或者铜网支持的碳膜上，干燥后进行透射电镜观察。支持膜材料必须具

13、备的条件：本身没有结构，对电子束的吸收不大； 自身颗粒度小，以提高样品分辨率； 自身有一定的力学强度和刚度，能承受电子束的照射而不变形、破裂。 7/27/2022分析测试中心1.8 TEM的应用纳米粉体的观察薄膜形貌观察缺陷结构研究生物组织的研究7/27/2022分析测试中心高分子纳米球的合成纳米粉体及层壳结构的观察层状结构观察纳米管观察7/27/2022分析测试中心位错研究7/27/2022分析测试中心2 扫描电镜分析2.1 电子束与固体样品作用和产生的信号2.2 扫描电子显微像的衬度2.3 扫描电子显微镜的构造和工作原理2.4 扫描电子显微镜的性能2.5 扫描电子显微镜的样品制备2.6 能

14、谱分析7/27/2022分析测试中心2.1 电子束与固体样品作用和产生的信号 当高速电子照射到固体样品表面时，就可以发生相互作用，产生背散射电子，二次电子，俄歇电子，特征X射线等信息。这些信息与样品表面的几何形状以及化学成份等有很大的关系。通过这些信息的解析就可以获得表面形貌和化学成份的目的。 7/27/2022分析测试中心在扫描电镜中，由电子激发产生的主要信号的信息深度： 俄歇电子 1 nm (0.5-2 nm)；二次电子 5-50 nm 背散射电子 50-500 nm；X射线 0.1-1m7/27/2022分析测试中心背散射电子：入射电子穿透到离核很近的地方被反射，而没有能量损失，即形成背

15、景散射。它的能量较高，基本上不受电场的作用而直接进入检测器。散射强度取决于原子序数和试样的表面形貌。用于扫描电镜的成像。二次电子： 入射电子撞击样品表面原子的外层电子，把它激发出来，就形成了低能量的二次电子；在电场的作用下，二次电子呈曲线运动，翻越障碍进入检测器，因而使表面凸凹的各部分都能清晰成像。二次电子的强度主要与样品表面形貌有关。二次电子和背散射电子共同用于扫描电镜的成像。特征X射线：入射电子把表面原子的内层电子撞出，被激发的空穴由高能级电子填充时，能量以电磁辐射形式放出，就产生特征X射线，可用于元素分析。俄歇电子：入射电子把外层电子打进内层，原子被激发了，为释放能量而电离出次外层电子，

16、叫饿歇电子。主要用于轻元素和超轻元素（除 H 和 He）的分析，称为俄歇电子能谱。透射电子：直接透过样品电子，7/27/2022分析测试中心2.2 扫描电镜的仪器结构与工作原理扫描电镜电子枪；透镜系统；样品室；扫描系统真空系统组成电子光学系统： 初级束要求：束斑尽可能小 ； 电流尽可能大 取折衷7/27/2022分析测试中心成像原理利用扫描线圈使电子束在样品表面进行扫描。由于高能电子束与样品物质的相互作用，产生各种电子信息：二次电子，反射电子，吸收电子，X射线，俄歇电子等。这些信息收集后经过放大送到成像系统。样品表面扫描过程任意点发射的信息均可以记录下来，获得图像的信息。由样品表面上的电子束扫

17、描幅度和显像管上电子束扫描幅度决定图像的放大倍数。 7/27/2022分析测试中心2.3 扫描电镜像的衬度 电子束激发的扫描电子显微镜主要采用二次电子以及背散射电子信息成像，形成了扫描电子显微镜两种主要的成像方式，即二次电子像和背散射电子像。7/27/2022分析测试中心SEM图像7/27/2022分析测试中心二次电子成像的衬度 垂直于样品表面入射一次电子时，样品表面所产生的二次电子的量最小。随着倾斜度的增加，二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的强度分布反映了样品表面的形貌信息。 7/27/2022分析测试中心二次电子成像7/27/2022分析测试中心背散射电子成像7/27/2022分析测

18、试中心 二次电子象与背散射电子信息的比较 二次电子象 背散射象主要利用 形貌衬度 成分衬度 收集极 +250500V 50V 分辨率 高 较差 无阴影 有阴影 信号大，信噪比好 7/27/2022分析测试中心背散射电子和二次电子像纯二次电子像二次电子像加背散射电子像背散射电子像7/27/2022分析测试中心2.5 样品制备一般玻璃材料，纤维材料，高分子材料以及陶瓷材料几乎都是非导电性的物质。在利用扫描电镜进行直接观察时，会产生严重的荷电现象，影响对样品的观察，因此需要在样品表面蒸镀导电性能好的金等导电薄膜层。在样品表面镀金属层不仅可以防止荷电现象，换可以减轻由电子束引起的样品表面损伤；增加二次

19、电子的产率，提高图像的清晰度；并可以掩盖基材信息，只获得表面信息。 7/27/2022分析测试中心样品制备一般金属层的厚度在10纳米以上，不能太厚。镀层太厚就可能会盖住样品表面的细微 ，得不到样品表面的真实信息。假如样品镀层太薄，对于样品表面粗糙的样品，不容易获得连续均匀的镀层，容易形成岛状结构，从而掩盖样品的真实表面。 7/27/2022分析测试中心扫描电子显微镜的应用纳米材料表面形貌观察断口观察剖面观察生物表面观察元素分布定性分析7/27/2022分析测试中心能谱分析X射线分析能谱分析当电子束辐照到样品表面时，可以产生荧光X射线，可以使用能谱分析和波谱分析来获得样品微区的化学成份信息。X射

20、线的信息深度是0.55微米 7/27/2022分析测试中心能谱分析 由于不同元素发射出的荧光X射线的能量是不一样的，也就是说特定的元素会发射出波长确定的特征X射线。通过将X射线按能量分开就可以获得不同元素的特征X射线谱，这就是能谱分析的基本原理。在扫描电镜中，主要利用半导体硅探测器来检测特征X射线，通过多道分析器获得X射线能谱图。从中可以对元素的成份进行定性和定量分析。 7/27/2022分析测试中心 能谱仪7/27/2022分析测试中心点扫描分析元素7/27/2022分析测试中心面扫描分析元素分布7/27/2022分析测试中心3 扫描探针显微镜扫描探针显微镜：利用末端半径为纳米级的微小探针，

21、利用探针与样品表面之间的相互作用，以扫描的方式对样品表面的三维形貌进行微区分析的一类显微镜。与样品表面超近距离相互作用，触摸成像，横向优于0.1nm，纵向优于0.01nm。（表面三维形貌，表面电子态密度分布，表面摩擦特性，表面电位分布，表面磁性分析，表面弹性分布），（适合分析平整表面）7/27/2022分析测试中心扫描探针显微镜3.1 扫描谈探针显微镜的种类3.2 扫描隧道显微镜3.3 原子力显微镜3.4 动态力显微镜3.5 扫描探针显微镜的其他功能介绍3.6 扫描探针显微镜的应用7/27/2022分析测试中心3.2 扫描隧道显微镜工作原理：保持隧道电流的值恒定。7/27/2022分析测试中心

22、0LREFd原理：隧道效应L 变化0.1nm， I 变化一个量级7/27/2022分析测试中心Fig. 1: STM images acquired from superstructures of M- (left) and P-7H (right) at 0rel = 0.95 (a, b), and at saturated monolayer coverage 0rel = 1 (c, d). A) Constant current high resolution STM image of a cluster of C60 molecules deposited on the Pt (1

23、10) surface at RT (sample bias = 2.1 V; tunneling current = 0.42 nA; 3.1 nmx 3.1 nm). B) the same as in (A), convoluted with the current image. (C) Model showing the molecular orientation within the cluster. Black lines with arrows highlight the LUMO nodes with respect to the molecular cage 7/27/2022分析测试中心特点是目前分辨率最高的显微镜可通过对扫描隧道谱的分析得到样品表面的局域电子态密度在能量空间上的分布信息。只能在导电物体表面上测量7/27/2022分析测试中心3.3 原子力显微镜 （Atomic Forces microscopy）7/27/2022分析测试中心原理： 针尖与表面之间的相互作用力7/27/2022分析测试中心AFM的针尖的形状7/27/2022分析测试中心IIIIIIIV针尖z方向的形变量可用上下象限的光强差精确得到光斑位移量s可通过得到，并且可通过光杠杆原理得到针尖的形变量ds四象限探测器探测针尖形变的原理7/27/2022分析