微机械学中的纳米摩擦学-第二节续

微机械学中的纳米摩擦学第1节.绪论第2节.实验测试仪器第3节.微观摩擦研究第4节.微观磨损研究主要内容第5节.微观润滑研究2.1常用电子显微镜

电子显微镜常用的有透射电镜（transmission

electronmicroscope，TEM）和扫描电子显微镜（scanning

electronmicroscope，SEM）。电子显微镜发展的历史第二节实验测试仪器光学显微镜

1878年阿贝-瑞利指出光学显微镜分辨本领受到光波衍射的限制，给出了显微镜分辨本领极限公式。显微镜分辨率最多也只能达到光波长的一半——自然光的平均波长为0.55µm，所以分辨率能达到0.275µm，最好的光学显微镜能把物体放大2000倍，这是细菌的量级。若想继续提高光学显微镜的分辨率，必须缩短光波的波长，唯一的办法是让光跑得更快——这显然不可能。

2.1常用电子显微镜

电子显微镜常用的有透射电镜（transmission

electronmicroscope，TEM）和扫描电子显微镜（scanning

electronmicroscope，SEM）。电子显微镜发展的历史第二节实验测试仪器最早的电镜1924年，32岁的德布罗意证明了电子也和光子一样具有波动性，而且令人惊喜的是其波长本身就比光子短。对显微镜最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子能像光子一样做显微镜的“光源”；利用德布罗意公式可以算出，电子的速度能被电场加到特别大时，其波长能缩小到光子波长的1/100000。1933年，德国科学家卢斯卡制作了最早的电镜，电子在1米多高的金属柱中加速，继而被汇聚在一些小网格样品上，将小格放大了14.4倍。这标志人类首次以电代光“照”出了物体的影像。2.1常用电子显微镜透射电镜工作原理第二节实验测试仪器（a）透射电子显微镜（b）光学显微镜成像原理与光学显微镜类似。透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统（镜筒）、电源和控制系统、真空系统三部分组成。2.1常用电子显微镜透射电镜优点第二节实验测试仪器透射电子显微镜

1．信息采集范围小。现在最先进的TEM已经可以对小于0.1纳米的区域进行拍照和分析。在各种科学仪器中，只有扫描探针显微镜能达到这样的分析尺度。但是二者不能相互替代，扫描探针显微镜研究范围只局限于表面，TEM得到的信息来自样品的三维结构。2.

分辨率高。最好的TEM分辨率已达到0.1nm。3．工作模式多样。透射电子显微镜不仅仅具有通常显微镜的放大作用。它还可以作为一台电子衍射仪提供样品的结构信息。配合各种信号探测器，它又能对样品做化学成分或者磁、电性能的分析。并且这些功能之间的转换非常方便，甚至可以同时进行。2.1常用电子显微镜透射电镜缺点第二节实验测试仪器

1．破坏性样品制备。TEM需要很薄的样品使电子束能够穿过。对于大多数材料，要求在100微米以下。制样的问题，其技术难度很大，观察点的定位很难。2．低采样率。由于TEM的观察范围很小（几个微米），而且样品很薄（小于100nm），实验测试到的样品区域只占整体材料的极小一部分。这个微小的区域未必能真实反映材料的性质。3.是分析周期长，一般商业分析服务周期为一星期左右。

4.TEM的成本大大高于SEM的成本。2.1常用电子显微镜透射电镜作用与应用第二节实验测试仪器

①

晶体缺陷分析广义的讲，一切破坏正常点阵周期的结构均称为晶体缺陷，如空位、位错、晶界、析出物等。这些破坏点阵周期性的结构都将导致其所在区域的衍射条件发生变化，使得缺陷所在区域的衍射条件不同于正常区域的衍射条件，从而在荧光屏上显示出相应明暗程度的差别。

张琳琳等人利用高分辨透射电子显微镜以及自主开发的基于透射电镜的原位性能表征系统对石墨化前后的碳管结构和导电性能进行了研究。2.1常用电子显微镜透射电镜作用与应用第二节实验测试仪器

②

组织分析除了各种缺陷可以产生不同的衍射花纹外，各种不同的晶体微观组织也会对应有不同的像和衍射花纹，通过它们可以在观察组织形貌的同时进行晶体的结构和取向分析。Huang等人对纳米研磨和化学机械抛光后的硅表面进行了TEM测试，发现纳米研磨后硅表面有非晶层产生，下层有位错产生。而化学机械抛光后的表面层下没有出现损伤，会呈现完好的晶格表面。（a)纳米研磨后硅片表面的TEM图像（b)化学机械抛光后硅片表面的TEM图像2.1常用电子显微镜透射电镜作用与应用第二节实验测试仪器

③

原位观察利用相应的样品台，可以在透射电镜中进行原位试验。例如，利用加热台加热样品观察其相变过程，利用应变台拉伸样品观察其形变和断裂过程等。④高分辨显微技术提高显微镜的分辨率以便更能深入观察研究物质的微观结构，一直是人们不断追求的目标。高分辨率电子显微镜利用的是电子束相位的变化，由两束以上的电子束相干成像，在电子显微镜分辨率足够高的条件下，所用的电子束越多，图像的分辨率越高，甚至可以用于薄样品原子结构成像。2.1常用电子显微镜扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）扫描电子显微镜是继透射电镜之后发展起来的一种电子显微镜。扫描电子显微镜的成像原理和透射电子显微镜不同，它是以电子束作为照明源，把聚焦得很细的电子束以光栅状扫描方式照射到试样上，产生各种与试样性质有关的信息，然后加以收集和处理从而获得微观形貌放大像。第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号背散射电子（backscatteringelectron）

定义：被固体样品反弹回来的一部分入射电子。分类：弹性背散射电子和非弹性背散射电子。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号背散射电子（backscatteringelectron）

弹性背散射电子定义：弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于90°的那些入射电子，其能量基本上没有变化。弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。非弹性背散射电子定义：非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号背散射电子（backscatteringelectron）

背散射电子特点：背散射电子的产生范围在1000Å到1μm深，由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号2.二次电子（secondaryelectron）二次电子定义：二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。

由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离。当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可离开原子而变成自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那些能量尚大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号2.二次电子（secondaryelectron）二次电子特点：二次电子来自表面50-500Å的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表面层，入射电子还没有较多次散射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没多大区别。所以二次电子的分辨率较高，一般可达到50-100Å。扫描电子显微镜所用的物理信号主要为二次电子。二次电子产额随原子序数的变化不明显，它主要决定于表面形貌，不用于成分分析。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号3.透射电子（transmissionelectron）透射电子的定义：如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。有效穿透深度：与入射电子能量和样品性质有关。当Eo＝10-1000eV，时λ不超过1.5*10^-9米；当Eo＝40-100eV时，λ只有6*10^-10米，

样品下方检测到的透射电子信号中，除了有能量与入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子。其中有些待征能量损失E的非弹性散射电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号4.特征X射线（characteristicX-ray）特征X射线的定义：特征X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。成因：入射电子与核外电子作用，产生非弹性散射，外层电子脱离原子变成二次电子，使原子处于能量较高的激发状态，它是一种不稳定态。较外层的电子会迅速填补内层电子空位，使原子降低能量，趋于较稳定的状态。举例：如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原子就处于K激发态，具有能量EK。当一个L2层电子填补K层空位后，原于体系由K激发态变成L2激发态，能量从EK降为EL2，这时就有E＝(EK-EL2)的能量释放出来。

2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号4.特征X射线（characteristicX-ray）若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的Kα辐射，此时X射线的波长为：式中，h为普朗克常数，c为光速。对于每一元素，EK、EL2都有确定的特征值，所以发射的X射线波长也有特征值，这种X射线称为特征X射线。X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：式中，Z为原子序数，K、σ为常数。可以看出，原子序数和特征能量之间是有对应关系的，利用这一对应关系可以进行成分分析。

如果用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号5.俄歇电子（Augerelectron）定义：如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。因每一种原子都有自己特定的壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值，一般在50-1500eV范围之内。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原于层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。显然，一个原子中至少要有三个以上的电子才能产生俄歇效应，铍是产生俄歇效应的最轻元素。

除了以上常见的五种信号外，固体样品还会产生阴极荧光、吸收电子、电子速感应效应和电动势等信号，这些信号经调制后也可以用于专门的分析。2.1常用电子显微镜第二节实验测试仪器电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号第二节实验测试仪器2.1常用电子显微镜扫描电子显微镜工作原理

扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要的成像信号。由电子枪发射的能量为5～35keV的电子，经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。2.1常用电子显微镜扫描电镜的指标第二节实验测试仪器扫描电子显微镜

1．放大倍数（magnification）。目前商品化的SEM的放大倍数可以从20倍到20万倍之间连续调节。2．分辨率(resolution)。SEM的分辨率取决于入射电子束直径，直径越小，分辨率越高。目前SEM的分辨率已达到1nm。3．景深(depthoffield)。景深是指透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围，这个范围用一段距离来表示。它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电子显微镜的景深大10倍。2.1常用电子显微镜扫描电镜的指标第二节实验测试仪器光学显微镜与扫描显微镜对比染色体红细胞生长在玻璃衬底上多层薄膜孔雀羽毛照片2.1常用电子显微镜扫描电镜的优点第二节实验测试仪器

1．高的分辨率，由于精确聚焦的电子束作为探针，超高真空技术的发展，场发射电子枪的应用，分辨率已达到1nm左右

2．有较高的放大倍数，20-20万倍连续可调

3.有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构。

4.配有X射线能谱仪装置，可以同时进行显微组织形貌观察和微区成分分析。5.试样制备简单。扫描电镜的缺点

所用的分析信号为二次电子，只可用于表面形貌的分析，单独无法实现成分的分析。2.1常用电子显微镜俄歇电子能谱（Augerelectronspectrometer，AES）的特点第二节实验测试仪器1．俄歇电子能谱可以分析除氢氦以外的所有元素，是有效的定性分析工具；2．俄歇电子能谱具有非常灵敏的表面性，是最常用的表面分析手段，检测深度在0.5-2nm；灵敏度约为10-3原子单层。3.采用电子束作为激发源，具有很高的空间分辨率，最小可达到10nm。4.可进行微区分析和深度分析，具有三维分析的特点。2.1常用电子显微镜俄歇电子能谱的分析技术第二节实验测试仪器1.表面元素定性鉴定从图上可见，AES谱图的横坐标为俄歇电子动能，纵坐标为俄歇电子计数的一次微分。激发出来的俄歇电子由其俄歇过程所涉及的轨道的名称标记。如图中的CKLL表示碳原子的K层轨道的一个电子被激发，在退激发过程中，L层轨道的一个电子填充到K轨道，同时激发出L层上的另一个电子。这个电子就是被标记为CKLL的俄歇电子。金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱

俄歇电子能谱主要是依靠俄歇电子的能量来识别元素的。通常有关元素的俄歇电子能量可以从俄歇手册上直接查得，不需要进行理论计算。2.1常用电子显微镜俄歇电子能谱的分析技术第二节实验测试仪器2.表面元素的化学价态分析

从图上可见，Si俄歇谱的动能与Si原子所处的化学环境有关。在SiO2物种中，Si俄歇谱的动能为72.5eV,而在单质硅中，其Si俄歇谱的动能则为88.5eV。我们可以根据硅元素的这化学位移效应研究SiO2/Si的界面化学状态。由图可见，随着界面的深入，SiO2物种的量不断减少，单质硅的量则不断地增加。在SiO2/Si界面不同深度处的Si俄歇谱2.1常用电子显微镜俄歇电子能谱的分析技术第二节实验测试仪器3.元素沿深度方向的分布分析

一般采用Ar离子剥离样品表面的深度分析的方法。其分析原理是先用Ar离子把表面一定厚度的表面层溅射掉，然后再用AES分析剥离后的表面元素含量，这样就可以获得元素在样品中沿深度方向的分布。在经过界面反应后，在PZT薄膜与硅基底间形成了稳定的SiO2界面层。这界面层是通过从样品表面扩散进的氧与从基底上扩散出的硅反应而形成的。PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM的发展与应用

第二节实验测试仪器

1985年Binning与斯坦福大学的Quate和IBM苏黎士实验室ChristophGerber合作推出了原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy，AFM)，这是一种不需要导电试样的扫描探针型显微镜。可以实现纳米级尺寸和纳牛级微力的测量，而且可以得到三维形貌、分形结构、横向力和相界等信息,尤其重要的是还可以实现过程的测量,达到实验与测量的统一,是进行纳米摩擦学研究的一种有力手段.2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM工作原理

第二节实验测试仪器原子力显微镜的工作原理就是将探针装在一弹性微悬臂的一端，微悬臂的另一端固定，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面原子间的排斥力会使得微悬臂轻微变形，这样，微悬臂的轻微变形就可以作为探针和样品间排斥力的直接量度。一束激光经微悬臂的背面反射到光电检测器，可以精确测量微悬臂的微小变形，这样就实现了通过检测样品与探针之间的原子排斥力来反映样品表面形貌和其他表面结构。2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM工作原理

第二节实验测试仪器

AFM的工作模式主要三种：接触模式（Contact），非接触模式（non-ontact），敲击模式(tapping)。这三种模式是根据探针与样品之间作用力的形式来分的，接触模式的作用力是斥力，非接触模式的作用力是引力，而敲击模式介于前两者之间，是一个杂化的概念。1.接触模式。

探针与样品保持亲密接触，通过探针与样品之间的斥力来探测样品表面，力的大小在10-10～10-6N之间，其成像是通过位置灵敏光检测器（PSPD）以侦测偏移量，然后推算出来的。由于在扫描过程中，探针与样品接触，一是有可能会损坏某些脆弱的样品（如生物样品，聚合体等），二是探针可能被样品污染，此外，针尖与样品之间的粘着力很明显，导致空间分辨率降低。另外针尖与样品之间的作用力在10-10～10-6N之间，有些表面柔弱的样品无法承受这么大的力，就不能采用接触模式了。不过在较硬材料上通常会得到较佳的分辨率。2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM工作原理

第二节实验测试仪器2.非接触模式。不再运用PSPD测量偏移量来成像了，而是通过cantilever的共振频率的改变进行成像的。Cantilever在自然共振的状态下去接近样品，一般在样品表面上方5~10nm。在这一过程中，其共振频率会随着力量梯度的变化而变化，所谓力量梯度就是指探针与样品之间的作用力随他们之间距离的改变而改变的量。因此，通过测量样品与探针之间的作用力的变化，便可反应cantilever的共振频率的变化，从而成像。样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，而且探针与样品之间的作用力一般在10-12N这个数量级上，因此特别适合于研究柔嫩物体的表面。但是要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄的一层水，它会在样品与针尖之间搭起一小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力,这样的话引起反馈不稳，刮擦样品。2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM工作原理

第二节实验测试仪器3.轻敲模式。敲击模式中，一定恒力驱使悬臂在试样表面上方以固定振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这样一来针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。敲击模式很好的消除了侧向力的影响，降低了由于接触所引起的吸附力，图像分辨率高，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表面。但是这种模式比接触模式的扫描速度慢。2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM的应用

第二节实验测试仪器1.量测原子表面或纳米结构a.以亚原子分辨率测得的原子结构图b.硅基体经过湿法刻蚀和干法刻蚀后图像d.表面微结构c.细菌表面分析e.直径为100nm的颗粒通常原子力显微镜的横向分辨率可以达到1nm，纵向分辨率为0.1nm。2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM的应用

第二节实验测试仪器2.表面形貌扫描a.薄膜表面形貌扫描b.表面粗糙度分析2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM的应用

第二节实验测试仪器3.纳米切削与纳米结构制造a.AFM加工的微结构2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM在摩擦学中的应用

第二节实验测试仪器

Pollock等人就表面力(主要是范德华力)对摩擦的影响进行过比较深入的分析研究，发现在表面力的作用下,当两表面接近到临界距离时会突然出现一种动力学不稳定现象,即两表面通过跳跃形成接触(jumptocontact),即JC接触。2.2原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）

AFM在摩擦学中的应用

第二节实验测试仪器

Bhushan等人曾用氮化硅和金刚石探针与硅和金刚石的样品研究法向力对微摩擦的效应时发现,纳米摩擦的摩擦因数是法向力和名义接触面积的函数,而阿蒙顿定律在纳米尺度不适用。