现代分析测试技术显微技术SEMTEMAFM课件

第十二章显微技术现代分析测试技术—显微技术

分辨本领

1)人的眼睛仅能分辨0.1-0.2mm的细节

2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体(200nm)。

3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨率)的限制。《探针与显微分析仪》的主要种类：1)光学显微镜：a)透镜显微镜b)共聚焦显微镜2)电子显微镜：a)透射电子显微镜b)扫描电子显电镜3)电子探针：a)X射线谱仪b)俄歇电子谱仪4)探针显微镜：a)扫描隧道显微镜b)原子力显微镜5)粒子探针：a)离子探针分析b)质子探针分析6)光子探针：a)光散射颗粒分析b)激光表面形貌分析现代分析测试技术—显微技术1、透射电子显微(TEM)显微镜的放大能力放大倍数：M=h/s（h:实像大小，s:实物大小）分辨本领：

指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离（线数/mm)。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。有效放大倍数：Me=肉眼分辨本领/仪器分辨本领光学显微镜的放大倍数：0.2mm/200nm=1000现代分析测试技术—显微技术1924年法国物理学家德.布罗意(DeBroglie)提出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中子、离子等)与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波-粒两象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设。电子射线的波长与其加速电压V的关系为：

＝（150/V)1/2(Å)电子显微镜的分辨本领不同加速电压下的电子波长

加速电压/kV2030501002005001000电子波长（nm）0.00860.0070.00540.00370.00250.00140.0007d0=0.61×3.7×10-3/10-2=0.225

nm(100KV)现代分析测试技术—显微技术透射电镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。

四部分：电子光学系统、电源系统、

真空系统、操作控制系统

现代分析测试技术—显微技术透射电镜的基本结构1.点分辨率：0.19nm

2.线分辨率：0.14nm

3.加速电压：80,100,120,160,200kV

4.倾斜角：25

5.STEM分辨率：0.20nm现代分析测试技术—显微技术电子枪

电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪决定了像的亮度、图像稳定度和穿透样品能力，所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电压都要高。最常用的加速电压为50－100kV，近来超高电压电镜的加速电压已达数千kV。目前常用的电子枪是热阴极三极电子枪，它由发夹形钨丝阴极、阳极和位于阴、阳极之间且电位比阴极负数百伏的栅极组成。它能使阴极发射的电子会聚，得到一个小于100μm的电子束斑。聚光镜

聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它来控制照明强度、照明孔径角和束斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光镜(强激磁透镜)和第二聚光镜(弱激磁透镜)组成。

现代分析测试技术—显微技术物镜

物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分辨本领。因此，要求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的像差。磁透镜最大放大倍数为200倍，最大分辨本领为0.1nm。物镜的球面像差一般通过在物镜背焦面径向插入物镜光阑，物镜的像散通常通过采用机械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来减小。现代分析测试技术—显微技术中间镜和投影镜

中间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，但它们的焦距比较长。其作用是将物镜形成的一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从而得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为三级放大成像。物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为0－20倍。三级成像的总放大倍数为：

MT=MOMIMP

其中MO、MI、MP分别是物镜、中间镜和投影的放大倍数。磁透镜可以通过改变电流来调节放大倍数。一般通过将物镜和投影镜的放大倍数MO、MP固定，而改变中间镜放大倍数MI来改变总放大倍数MT。应当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与MT成反比。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。

现代分析测试技术—显微技术制样技术

由于电子束的穿透力较弱，难以穿过0.1μm以上的切片，所以TEM对样品的厚度有极高的要求。因此，制样技术是TEM应用中非常重要的一个环节。TEM的样品制备方法:

支持膜法

复型法

晶体薄膜法

超薄切片法

现代分析测试技术—显微技术支持膜法

粉末试样和胶凝物质水化浆体多采用此法。一般做法是将试样载在一层支持膜上或包在薄膜中，该薄膜再用铜网承载。复型法

复型是利用一种薄膜(如碳、塑料、氧化物薄膜)将固体试样表面的浮雕复制下来的一种间接样品。只能作为试样形貌的观察和研究，而不能用来观察试样的内部结构。晶体薄膜法薄膜样品制备有许多方法，如沉淀法、塑性变形法和分解法、学腐蚀法、电解抛光法等。超薄切片法

高分子材料和生物样品用超薄切片机可获得50nm左右的薄样品。

用此法制备试样时的缺点是将切好的超薄小片从刀刃上取下时会发生变形或弯曲。为克服这一困难，可以先将样品在液氮或液态空气中冷冻；或将样品包埋在一种可以固化的介质中。

现代分析测试技术—显微技术TEM的应用现代分析测试技术—显微技术Figure.HRTEMimagesof

(a),(b)oxidizedSWCNTs,(c)(d)DNA/PDDA/SWCNTs.

现代分析测试技术—显微技术FIG.2.HRTEMimagesof(A)thefragmentsofthewallouterandinnersurfacesofuncoatedMWCNT,(B)

AnplasmadepositionofultrathinfilmofpolypyrroleonbothouterandinnersurfacesofMWCNT现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术

SEM的成像原理

扫描电镜的成像原理，和透射电镜大不相同，它不用什么透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，用电子束在样品表面逐点逐行扫描成像。

由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。

这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管。供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应。这样，在荧光屏上就可显示样品表面起伏的二维图像。现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术

SEM的图像类型现代分析测试技术—显微技术

透射电子

它是入射束的电子透过样品而得到的电子。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。样品质量厚度越大，则透射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越大。特征X射线

特征X射线是原子的内层电子受到激发之后，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。俄歇电子

如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量，仍大于包括空位层在内的邻近或较外层的电子临界电离激发能，则有可能引起原子再一次电离，发射具有特征能量的俄歇电子。现代分析测试技术—显微技术扫描电镜仪JSM－7000F场发射扫描电镜1.分辨率：1.2nm(30kV)/3.0nm(1kV)

2.加速电压：0.5KV-30kV

3.放大倍数：10-500K

4.大束流高分辨5nA，WD10mm,15kV时分辨率3.0nm

5.束流强度：10-12到2X10-7AJSM－6380LV扫描电镜1.高真空模式：3.0nm低真空模式：4.0nm

2.低真空度1to270Pa，高、低真空切换

3.样品台X:80mmY:40mmT:-10to+90degreeR:360degree

4.加速电压0.5kVto30Kv束流1pA—1uA

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景深

SEM可以获得很大的景深，它比一般光学显微镜大100－500倍，比TEM大10多倍。由于景深大，SEM的图像三维立体感很强。现代分析测试技术—显微技术

SEM样品制备

SEM固体材料样品制备方便，只要样品尺寸适合，就可以直接放到仪器中去观察。样品直径和厚度一般从几毫米至几厘米，视样品的性质和电镜的样品室空间而定。

对于绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在分析表面上蒸镀一层厚度约10～20nm的导电层。否则，在电子束照射到该样品上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入和样品内电子射出样品表面。导电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、碳和铝等真空蒸镀层。现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术SEM的应用

现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术纳米科学的不断成长和发展是与以扫描探针显微术（ScanningProbeMicroscopy，SPM）为代表的多种纳米尺度的研究手段的产生和发展密不可分的。可以说，SPM的相继问世对纳米科技的诞生与发展起了根本性的推动作用，而纳米科技的发展又为SPM的应用提供了广阔的天地。SPM是一个包括扫描隧道显微术（STM）、原子力显微术（AFM）等在内的多种显微技术的大家族。SPM不仅能够以纳米级甚至是原子级空间分辨率在真空、大气或液体中来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性，而且具有广泛的应用性，如刻划纳米级微细线条、甚至实现原子和分子的操纵。这一集观察、分析及操作原子分子等功能于一体的技术已成为纳粹科学研究中的主要工具。STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微术，它的工作原理是将极细的针尖和被研究物质表面作为两个电极，当施一电压于两电极，并使两极间距离足够接近，达到数埃（Å）时，由于量子效应，将有隧道电流产生于两极之间。当探针在样品表面扫描移动时，由于表面电子形态的变化，其隧道电流值将发生改变，如将其信号收集并加以处理，则可得到样品表面的三维空间结构及电子形态的信息。STM的分辨率极高，纵向不低于0.01nm，水平不低于0.1nm，实现了人们“看”原子或分子的梦想。3.原子力显微镜(AFM)现代分析测试技术—显微技术原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。原子力显微镜的基本原理

原子力显微技术是由IBM公司的Binnig与史丹佛大学的Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。现代分析测试技术—显微技术激光检测原子力显微镜探针工作示意图二极管激光器发出的激光束经过光学系统聚焦在微悬臂背面，并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成的光斑位置检测器。在样品扫描时，由于样品表面的原子与微悬臂探针尖端的原子间的相互作用力，微悬臂将随样品表面形貌而弯曲起伏，反射光束也将随之偏移，因而，通过光电二极管检测光斑位置的变化，就能获得被测样品表面形貌的信息。在系统检测成像全过程中，探针和被测样品间的距离始终保持在纳米量级，距离太大不能获得样品表面的信息，距离太小会损伤探针和被测样品，反馈回路的作用就是在工作过程中,由探针得到探针-样品相互作用的强度，来改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从而使样品伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用的强度，实现反馈控制。因此，反馈控制是本系统的核心工作机制。现代分析测试技术—显微技术原子力显微镜的硬件结构在AFM系统中，可分成三个部分：力检测部分、位置检测部分、反馈系统。原子力显微镜(AFM)系统结构现代分析测试技术—显微技术力检测部分在AFM系统中，所要检测的力是原子与原子之间的范德华力。所以常使用的是微小悬臂来检测原子之间力的变化量。微悬臂通常由一个一般100－500μm长和大约500nm~5μm厚的硅片或氮化硅片制成。微悬臂顶端有一个尖锐针尖，用来检测样品－针尖间的相互作用力。这微小悬臂有一定的规格，例如：长度、宽度、弹性系数以及针尖的形状，而这些规格的选择是依照样品的特性，以及操作模式的不同，而选择不同类型的探针。现代分析测试技术—显微技术位置检测部分在AFM系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置检测器将偏移量记录下并转换成电的信号，以供SPM控制器作信号处理。这是激光位置检测器的示意图。聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个象限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。现代分析测试技术—显微技术2.3反馈系统在AFM系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号当作反馈信号，作为内部的调整信号，并驱使通常由压电陶瓷管制作的扫描器做适当的移动，以保持样品与针尖保持一定的作用力。AFM系统使用压电陶瓷管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的目的；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。现代分析测试技术—显微技术现代分析测试技术—显微技术原子力显微镜的工作模式接触模式（contactmode）针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，样品表面起伏不平而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信号并经过放大处理，由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个象限中的强度差值（A+B）-（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描器在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定，也就是使探针－样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下，记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。

现代分析测试技术—显微技术轻敲模式（tappingmode）用一个小压