仪器分析课件 电镜分析

微观结构的电镜分析nanometer1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.

NovelTechnologies(NBIC)in21stCenturyNanotechnology(N)Biotechnology(B)Informationtechnology(I)Cognitivescience(C)环境纳米技术及纳米生态效应运用纳米技术和各种高效纳米材料，进行环境污染防治，处理和修复。认识纳米材料的潜在生态风险，保护人体健康

纳米概念的提出与发展

1959.12.29

诺贝尔物理奖得主理查德·费恩曼（R.Feyman）在其演讲“There’splentyofroomatthebottom”中提出人类如能在原子/分子的尺度上加工材料，将有新的发现,那时，化学将成为根据人类的意愿逐个地准确放置原子的问题

1974年Taniguchi最早使用nanotechnology一词描述精细机械加工

80年代初扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等微观表征的发明和使用推动了纳米技术的快速发展

1990.7第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际STM显微学会议同时在美国Baltimore举行

纳米材料研究常见仪器扫描电镜（SEM）透射电镜（TEM）扫描探针显微镜（SPM）X射线衍射（XRD）电子能谱（XPS、UPS、AES）波谱法（IR、UV、NMR、荧光）热重分析（TG/DTG）显微镜发展历史第一代显微镜：光学显微镜，极限分辨率是200纳米。第二代显微镜：电子显微镜第三代显微镜：扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscope，SPM）扫描电子显微镜ScanningElectronMicroscope（SEM），分辨率6-10nmMagneticForceMicroscopy（MFM）透射电子显微镜TransmissionElectronMicroscope（TEM），分辨率0.2nmScanningTunnelingMicroscope（STM），分辨率达到0.01nmAtomicForceMicroscope（AFM）……远场显微镜近场显微镜电镜的发展历史1932年鲁斯卡发明创制了第一台透射电子显微镜实验装置(TEM)。相继问世了扫描透射电子显微镜(STEM)、扫描电子显微镜(SEM)以及上述产品与X射线分析系统(EDS、WDS)的结合，即各种不同类型分析型电子显微镜。1986年，宾尼格和罗雷尔先后研制成功扫描隧道电子显微镜(STM)和原于力电子显微镜(AFM)，使人类的视野得到进一步的扩展。▼▼▼对于光学显微镜，分辨率最多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。第一节电子显微镜

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。5年后他赢得了诺贝尔物理学奖，开创博士论文获得诺奖的先河。它对显微镜最有意义的贡献是：它提供了理论依据，说明电子为何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，当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。如果用电子做“光源”，那么显微镜分辨率则可以本质性地提高。电子束与固体样品相互作用产生的各种物理信号具有高能量的入射电子束与固体物质表面的原子核或核外电子发生作用，产生如图所示的物理信号。透射电子直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射电镜(TEM)的成像和衍射二次电子如果入射电子撞击样品表面原子的外层电子，把它激发出来，就形成低能量的二次电子，在电场的作用下它可呈曲线运动，翻越障碍进入检测器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成像。二次电子的强度主要与样品表面形貌有关。二次电子和背景散射电子共同用于扫描电镜(SEM)的成像。

光镜与电镜

LMTEMSEM透射电镜基本构造与光学显微镜相似，主要由光源、物镜和投影镜三部分组成，只不过用电子束代替光束，用磁透镜代替玻璃透镜。光源由电子枪和一或两个聚光镜组成，其作用是得到具有确定能量的高亮度的聚焦电子束。透射电镜的构造电子透镜系统真空系统供电系统TransmissimElectronicMicroscopy一、透射电镜（TEM）空气会使电子强烈散射，电子运行部分都要求处于高真空电子光学系统：电子照明系统

(电子枪，会聚镜系统）

2.

试样室

3.成像放大系统4.图象记录装置TEM发展概述1926年德国科学家Garbor和Busch发现用铁壳封闭的铜线圈对电子流能折射聚焦，既可作为电子束的透镜。1932年德国科学家Ruska和Knoll在前面两个发现的基础上研制出第一台TEM，55年后Ruska获得诺贝尔物理奖我国电镜研制起步较迟，1958年在长春中国科学院光学精密机械研究所生产了第一台中型电镜，到1977年生产的TEM分辨率为0.3nm，放大倍率为80万倍。1、样品必须很薄，一般厚度为100nm左右；2、样品应是固体，不能含有水分及挥发物；3、样品应有足够的强度和稳定性，在电子线照射下不至于损坏或发生变化；4、样品及其周围应非常清洁，以免造成样品污染对样品的一般要求

TEM

ofBamboovascularbundles

SrTiO3陶瓷的HTEM晶格条纹像有机粘土的TEM照片ScanningElectronicMicroscopy二、扫描电镜（SEM）

SEM是继TEM之后发展起来的一种电子显微镜，电镜发展史，是以透射电镜为主线，扫描电镜为辐助，因此扫描电镜的发展阶段和透射电镜有许多相同重合之处。1965第一台SEM问世，CambridgeInstrumentCo.在研究透射电镜的同时，人们发现，高速的电子束打到物体上时，会产生各种与试样性质相关的电子信号，收集处理这些电子信号成像，就得到了SEM图像。SEM的成像原理和光学显微镜或透射电子显微镜不同常规扫描电镜S550（日立）电磁透镜其作用是把电子枪的束斑逐渐聚焦缩小，使原来直径约50微米的束斑缩小至一个只有数nm的细小束斑。一般由三个聚光镜组成，前两个是强透镜，用来缩小数斑直径，第三个是弱透镜，有较长的焦距，便于是样品室中放入大的物体。工作原理由电子枪发射出的电子束，经电磁透镜会聚成一个细的电子束聚焦在样品表面。电子束在扫描线圈控制下在样品表面扫描，电子束与样品作用产生的各种信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管的栅极上。接收器上接收的电流与显像管相应的亮度一一对应，也就是说电子束打到样品上一点时，在显像管荧光屏上就出现一个亮点。扫描电镜就是采用这种逐点成像的方法，把样品表面不同的特征，转化成为放大的视频信号，完成扫描图像。测试样品的制备扫描电镜的样品制备简单，对金属和陶瓷等块状样品，只需切成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘在样品台上即可。对粉末或细丝状样品，可以用导电涂料涂到干净的金属片，也可以直接粘到导电胶上。对导电性差或不导电的物体，如塑料等，还应喷镀导电层处理，通常采用二次电子发射系数较高的金、银或碳膜做导电层，膜厚控制在20nm左右。扫描电镜的优点（1）仪器分辨本领高，二次电子像分辨本领可达7-10nm。（2）放大倍数变化范围大，从几十倍到几十万倍且连续可调。（3）图像景深大，富有立体感，可直接观察样品的粗糙表面。（4）试样制备简单。一种PVC粉料的形貌观测ABS脆件断裂后微观形态ZnAl类水滑石的SEM分析a:ZnAl-12

b:ZnAl-24c:ZnAl-36

d:ZnAl-48e:ZnAl-72

f:ZnAl-96典型的类水滑石片层状结构,晶体大小均匀,表面平整,晶粒大小约为5~7µm扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicroscopy,STM）分辨率通常在0.2nm左右，故可用来确定表面的原子结构；测量表面的不同位置的电子态、表面电位及表面逸出功分布。此外还可以利用STM对表面的原子进行移出和植入操作，有目的地使其排列组合，这就使研制纳米级量子器件、纳米级新材料成为可能第二节扫描探针显微镜扫描探针显微镜（ScanningProbeMicroscopy）包含了系列基于原子层次物体间作用的显微技术。扫描隧道电子显微镜主要用于导体的研究，而原于力电子显微镜不仅用于导体的研究，也可用于非导体的研究。在制造原理上，两者的基础是相同的。STM和AFM在应用上的主要区别：原子力显微镜（AtomicForceMicroscopy，AFM）横向分辨率可达0.15nm，纵向分辨率达0.05nm，主要用于测量绝缘材料表面形貌。此外还可测量表面原子间力、表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。一、扫描隧道显微镜（STM）STM工作原理STM工作过程ItItxItHx恒高度模式恒电流模式STM扫描模式用STM得到的形貌图高序石墨