材料现代研究方法-组织形貌分析-ppt课件.ppt

1、 扫描电子显微镜透射电子显微镜性能性能加工加工结构结构成分成分材料科学材料科学与工程与工程结构结构l表面和内部组织形貌，包括材料的外观形貌、晶粒大小与形态、界面（表面、相界、晶界）。l微观结构的观察和分析对于理解材料的本质至关重要。下一标题页下一标题页钛靶局部被单脉冲激光烧蚀钛靶局部被单脉冲激光烧蚀10181018号钢的断口号钢的断口塑性断裂塑性断裂韧窝状形貌和夹杂物回标题页回标题页高分子聚合物薄膜断口高分子聚合物薄膜断口金纳米线金纳米线铁素体的晶粒和晶界奥氏体-铁素体双相组织深灰色：铁素体相，含量4050% ；浅灰色：奥氏体相回标题页回标题页l组织形貌分析借助各种显微技术认识材料的微观结构。

2、人们对微观世界的探索，就是建立在不断发展的显微技术之上的。l组织形貌分析的显微技术经历了光学显微镜、电子显微镜、扫描探针显微镜的发展过程。观测显微组织的能力不断提高，现在已经可以直接观测到原子的图像。 0.11101001000101001,00010,000100,0001,000,00010,000,000放大放大倍率倍率电子显微镜光学显微镜分辨率分辨率10-710-910-1010-1110-12扫描探针显微镜0.010.00110-810-6nmml它的最高分辨率为0.2m0.2m，是人眼的分辨率的500倍。l光学显微镜最先用于在医学及生物学方面，直接导致了细胞的发现，在此基础上形成了

3、19世纪自然科学三大发现之一细胞学说。l应用：观察金属或合金的晶粒大小和特点等；无机非金属材料的岩相分析等；研究高聚物的结晶形态、取向过程等。l分辨率是可分辨的两点间的最小距离，制约光学显微镜分辨率的因素是光的衍射。衍射使物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区分开来。l分辨率与照明源的波长直接相关，若要提高显微镜的分辨率，关键是要有短波长的照明源。l紫外线波长和X射线虽然波长比可见光(450-750 nm)短，但用作显微镜照明源存在局限性。 由斑点光源衍射形成的埃利斑 两个彼此靠近的物点的衍射光斑 l绝大多数物质都强烈地吸收紫外线，因

4、此，可供照明使用的紫外线限于波长 200250nm的范围。用紫外线作照明源，用石英玻璃透镜聚焦成像的紫外线显微镜分辨本领可达l00nm左右，比可见光显微镜提高了一倍。lX射线波长在100.05nm范围，射线的波长更短，但是由于它们具有很强的穿透能力，不能直接被聚焦，不适用于显微镜的照明源。l波长短，又能聚焦成像的新型照明源成为迫切需要。l1924年，德布罗意提出，运动的实物粒子（电子、质子、中子等）都具有波动性质，后来被电子衍射实验所证实。l1926年布施提出用轴对称的电场和磁场聚焦电子束。l在这两个理论基础上，19311933年鲁斯卡等设计并制造了世界第一台透射电子显微镜，用于组织分析和物相

5、分析，目前分辨率可达0.2 nm。（利用电子的（利用电子的波动性波动性）l用于组织形貌分析的扫描电子显微镜是在1952年由英国工程师Charles Oatley发明的，分辨率达1.0 nm。（利用电子（利用电子的的粒子性粒子性）物质波的波长与其动量关系=h/p，200-300 kV加速电压下，电子束波长为0.025 nm。 （波长短）（波长短）（电磁透镜）（电磁透镜）l扫描电子显微镜是将电子枪发射出来的电子聚焦成很细的电子束，用此电子束在样品表面进行逐行扫描，电子束激发样品表面发射二次电子，二次电子被收集并转换成电信号，在荧光屏上同步扫描成像。由于样品表面形貌各异，发射二次电子强度不同。对应在

6、屏幕上亮度不同，得到表面形貌像。l目前扫描电子显微镜的分辨率已经达到了1.0 nm左右。l扫描电镜与X射线能谱仪配合使用，使得我们在看到样品的微观结构的同时，还能分析样品的元素成分及在相应视野内的元素分布。 钛靶局部被单脉冲激光烧蚀钛靶局部被单脉冲激光烧蚀10181018号钢的断口号钢的断口塑性断裂塑性断裂高分子聚合物薄膜断口高分子聚合物薄膜断口金纳米线金纳米线头发分叉处头发分叉处红血球红血球脑神经元脑神经元100 m69 m100 m10 m白血球白血球l1981年，IBM公司的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道显微镜，完全失去了传统显微镜的

7、概念。l扫描隧道显微镜依靠所谓的“隧道效应”工作，它没有镜头，使用一根金属探针，在探针和物体之间加上一定偏压（几十mV），当探针距离物体表面很近（纳米级）隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，电流会呈指数级改变。这样，通过测量电流可以探测物体表面的形状，分辨率可以达到原子的级别(埃，10-10m)。 19811981年，硅原子像（年，硅原子像（7X77X7） 硅硅 (111) (7X7)原子图像原子图像图中的图中的“IBMIBM”是由是由单个氙（单个氙（Xe)Xe)原子原子构成的构成的 从左至右依次是Ernst Ruska，Ger

8、d Binnig和Heinrich Rohrer分别因为发明透射电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖。 l1590年，荷兰的詹森父子(Hans and zachrias Janssen) 制造出第一台原始的、放大倍数约为20倍的显微镜。l1610年，意大利物理学家伽利略(Galileo)制造了具有物镜、目镜及镜筒的复式显微镜（左图）。 l1665年，英国物理学家罗伯特胡克(Robert Hooke)用这台复式显微镜观察软木塞时发现了小的蜂房状结构，称为“细胞”，由此引起了细胞研究的热潮。l1684年，荷兰物理学家惠更斯(Huygens)设计并制造出双透镜目镜惠更斯目镜，是

9、现代多种目镜的原型。这时的光学显微镜已初具现代显微镜的基本结构(右图)。l在显微镜的发展史中，贡献最为卓著的是德国的物理学家、数学家和光学大师恩斯特阿贝(Ernst Abbe)。l他提出了显微镜的完善理论，阐明了成像原理、数值孔径等问题，在1870年发表了有关放大理论的重要文章。l两年后又发明了油浸物镜，并在光学玻璃、显微镜的设计和改进等方向取得了光辉的业绩。l光即电磁波，具有波动性质。光波在遇到尺寸可与光波波长相比或更小的障碍物或孔时，将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射。l障碍物线度越小，衍射现象越明显。l衍射现象可以用“子波相干叠加”的原理来解释。水波的衍射光强光强l狭缝中间连线b上每一

10、点可以看成一个“点光源”，向四面八方发射子波，子波之间相互干涉（叠加），在屏幕上形成衍射花样。l整个狭缝内发出的光波在P0点的波程差为零，相干增强，形成中央亮斑。在P1处发生相干抵消，形成光强的低谷。在P2点处，从狭缝上缘和下缘发出的光波的波程差1 个波长，P2成为相干增强区的中心，称为第一级衍射极大值。 sin61. 00nMR l由于衍射效应，物体上每个物点通过透镜成像后不会是一个点，而是一个衍射斑埃利斑。如果两个衍射光斑靠得太近，它们将无法被区分开来。l埃利斑第一暗环半径 其中，n 为物方介质折射率， 光源波长， 透镜半孔径角，M 透镜放大倍数，n sin 数值孔径。埃利斑半径与照明光源

11、波长成正比，与透镜数值孔径成反比。 由斑点光源衍射形成的埃利斑 埃利斑光强分布图R0F物镜物点l透射光显微镜的成像过程。光源：准平行相干光，物体：具有周期性结构。l光通过细小的网孔时发生衍射，同一方向的衍射光成为平行光束，在后焦面上汇聚。凡是光程差满足 =k, k = 0,1,2,的，互相加强，形成0级、1级、2级衍射斑点。l某个衍射斑点是由不同物点的同级衍射光相干加强形成的；同一物点上的光由于衍射分解，对许多衍射斑点有贡献。l从同一物点发出的各级衍射光，在产生相应的衍射斑点后继续传播，在像平面上又相互干涉，形成物像。0 11直射光直射光样品物镜后焦面像面 1. 不同物点的同级衍射波在后焦面后

12、焦面的干涉的干涉 形成衍射谱衍射谱； 2. 同一物点的各级衍射波在像面的像面的干涉干涉形成反 映物的特征的物像物像。 阿贝成像原理可以简单地描述为两次干涉两次干涉作用。 当平行光束通过有周期性结构的物体时， 物像是由直射光和衍射光互相干涉形成的。不让衍射光通过就不能成像，参与成像的衍射斑点愈多，则物像与物体的相似性愈好。像面后焦面目镜目镜物镜物镜聚光镜和光阑聚光镜和光阑反光镜反光镜光学显微镜包括光学系统和机械装置两大部分：l数值孔径（NA）是物镜前透镜与被检物体之间介质的折射率（n）和半孔径角（）的正弦之乘积，NA= nsin。表示物镜分辨细节的能力。l孔径角是物镜光轴上的物点与物镜前透镜的有

13、效直径所形成的角度。孔径角与物镜的有效直径成正比，与物镜的焦距成反比。F物镜物点油浸物镜l物镜的数值孔径和分辨率成正比：1. 如果全部接收一级衍射光线，则图像基本不会失去细节。细节越微小，形成各级衍射斑点的衍射角越大。因此，物镜口径越大，能接受的衍射线角度越大，则分辨率就越高。2. 由于光的折射，物镜接收衍射光线的能力也强烈的依赖于在样品与镜头之间的介质。因此，数值孔径的概念更加能够有效的描述物镜的成像能力。 R0分辨两埃利斑的判据分辨两埃利斑的判据瑞利判据：两埃利斑中心间距等于第一暗瑞利判据：两埃利斑中心间距等于第一暗环半径环半径R R0 0。此时, 两中央峰之间叠加强度比中央峰最大强度低1

14、9，肉眼刚刚能分辨是两个物点的像 。l两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0时 , 样品上相应的两个物点间距离r0 定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领，或分辨率。l透镜的分辨率由数值孔径和照明光源的波长两个因素决定。数值孔径越大，照明光线波长越短，分辨率就越高。 000.61/sinrRMnl显微镜总的放大率应该是物镜放大率和目镜放大率1的乘积： = 1l无效放大倍率：当选用的物镜数值孔径不够大，即分辨率不够高时，显微镜不能分清物体的微细结构，此时即使过度地增大放大倍率，得到的也只能是一个轮廓虽大但细节不清的图像。l有效放大倍率：光学显微镜提供足够的放大倍数，把它能分辨的最小距离放

15、大到人眼能分辨的程度。l人眼的分辨本领 r 大约为0.2 mm，光学显微镜分辨本领极限 r0 大约为0.2 m，因此，光学显微镜的有效放大倍率为1000倍。为使人眼感到轻松，光学显微镜的最高放大倍数是10001500倍。l有效放大倍数由下式确定：M有效 = r / r0 （1 ）球面像差（简称球差）边缘与中心部分的折射光不能通过会聚相交于一点，可以通过组合透镜进行校正。（2）色像差由于组成白光的各色光波长不同，折射率不同，因而成像的位置也不同 。也可以通过组合透镜进行校正。（3）像域弯曲 垂直于光轴的直立的物体经过透镜后会形成一弯曲的像面，称为像域弯曲，像域弯曲是几种像差综合作用的结果。 金相

16、显微镜观察试样组织 l取样应选择有代表性的部位；l对于软材料，可以用锯、车、刨等加工方法；l对于硬材料，可以用砂轮切片机切割或电火花切割等方法；l对于硬而脆的材料，如白口铸铁，可以用锤击方法；l在大工件上取样，可用氧气切割等方法。 通常试样为直径1625 mm、高1620 mm的圆柱体或边长1625 mm的立方体。l若试样大小合适，则不需要镶样。l若试样尺寸过小或形状极不规则，则需用专门的镶样机，在合适的加热温度和压力下，将试样镶嵌在固化的树脂或塑料基体中。l也可以采用机械镶嵌法，即用夹具夹持试样。l在砂纸上进行。l金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能减少表层损伤。l每一道

17、磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去。l手工磨光时，本道工序的磨痕应与上一道工序的磨痕方向垂直，这样可以使试样磨面保持平整并平行于原来的磨面。l目的是尽快将磨光工序留下的变形层除去，并使抛光产生的变形层不影响显微组织的观察。l机械抛光。粗抛，精抛。l电解抛光。电解抛光时，在试样表面上形成一层具有较高电阻的薄膜，试样凸起部分的膜比凹下部分薄，膜越薄电阻越小，金属溶解速度越快，从而使凸起部分渐趋平坦。l化学抛光。化学抛光的原理与电解抛光类似，是化学药剂对试样表面 不均匀溶解的结果。 （1）化学腐蚀l纯金属及单相合金的腐蚀是一个化学溶解的过程。由于晶界上原子排列不

18、规则，具有较高的自由能，所以晶界易受腐蚀而呈凹沟，使组织显示出来。若腐蚀较深，则由于各晶粒位向不同，不同的晶面溶解速率不同。l两相合金的腐蚀主要是一个电化学腐蚀过程。（2）电解腐蚀 电解腐蚀所用的设备与电解抛光相同，只是工作电压和工作电流比电解抛光时小。在微弱电流的作用下各相腐蚀程度不同，因而显示出组织。铁素体的晶粒和晶界1什么是埃里斑？其大小由什么因素决定？2什么是阿贝成像原理？3物镜数值孔径的含义。它表征物镜哪方面 的性能？4、光学显微镜分辨本领如何衡量？分辨率高 低由哪些因素决定？第二章 光学显微技术1什么是埃里斑？其大小由什么因素决定？2什么是阿贝成像原理？3物镜数值孔径的含义。它表征

19、物镜哪方面 的性能？4、光学显微镜分辨本领如何衡量？分辨率高 低由哪些因素决定？第二章 光学显微技术重点内容回顾 简称扫描电镜。 它不用透镜放大成像，而是以类似电视的成像方式，用聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像。 日立日立S-4800S-4800型扫描电镜型扫描电镜-材料学院材料学院花蕊的柱头花蕊的柱头花粉花粉茉莉花花粉茉莉花花粉菊花花粉菊花花粉l分辨率高分辨率高：入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨率的极限。场发射电子枪的应用可得到精确聚焦的电子束，现代先进的扫描电镜的分辨率已经达到1 nm左右。l放大倍数高放大倍数高：20-20万倍之间连续可调。l景深大景深大：比光学

20、显微镜大几百倍，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。l试样制备简单。l配有配有X X射线能谱仪装置射线能谱仪装置，这样可以同时进行显微组织形貌的观察和微区成分分析。 多孔硅的光学显多孔硅的光学显微镜图像微镜图像多孔硅：可见光发光材料。多孔硅的扫描多孔硅的扫描电镜图像电镜图像 一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变的现象称为散射。l 弹性散射： 散射过程中入射电子只改变方向，其总动能基本上无变化。l 非弹性散射： 散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变。在非弹性散射情况下，入射电子会损失一部分能量，并伴有各种信息的产生

21、。弹性背散弹性背散射电子射电子入射电子非弹性背非弹性背散射电子散射电子二次电子二次电子特征特征X射线射线l二次电子：l背散射电子：l特征X射线： 被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子（内层电子或价电子）。反映样品表面的形貌特征，分辨率高。 被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。形貌特征及定性成分分析。 入射电子激发原子内层电子后，外层电子跃迁至内层时发出的具有特征能量的X射线光子。定量成分分析。l俄歇电子：入射电子激发样品原子内层电子后，外层电子跃迁至内层时，多余能量转移给最外层电子，使其挣脱原子核的束缚并逸出样品表面，成为自由电子，即俄歇电子。详细

22、的介绍见本书第三篇第十三章俄歇电子能谱部分。l透射电子 : 入射电子穿透样品的部分，包括未经散射的入射电子、弹性散射电子和非弹性散射电子。携带被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的成像和成分分析。 入射电子束受到样品原子的散射作用，偏离原来方向，向外发散。随着电子束进入样品深度的不断增加，入射电子的分布范围不断增大，动能不断降低，直至动能降为零，最终形成一个规则的作用区域。 样品原子序数对入射电子束作用区域的影响：轻元素样品，电子束散射区域的外形 “梨形作用体积”；重元素样品“半球形作用体积” 。梨形作用体积梨形作用体积 入射电子束的作用区域：入射电子束的作用区域： 入射电子能量对作用区域的影

23、响：改变电子能量只引起作用体积大小的变化，而不会显著的改变形状。电子束能量与作用体积的关系 入射电子束的作用区域：入射电子束的作用区域：l有效作用区：可以产生信号的区域。电子有效作用深度：有效作用区的最深处。l有效作用区内的信号并不一定都能逸出材料表面、成为有效的可供采集的信号。l随着入射电子有效作用区域深度增加，作用区范围增大，信号产生的空间范围也增加，信号的空间分辨率降低。 入射电子束俄歇电子（0.42 nm）二次电子(510 nm)背散射电子(100 nm1 m)SEM的分辨率指的是二次电子的分辨率。 各种信号产生的深度和区域：各种信号产生的深度和区域：连续X射线 特征X射线 (500

24、nm5 m)l光栅扫描：入射电子束在样品表面作光栅式逐行扫描，扫描线圈上的电流与荧光屏相应偏转线圈上的电流同步。每一个物点均对应一个像点。l逐点成像：电子束在每个物点产生相应的信号（如二次电子等），信号被接收放大后用来调制像点的亮度，信号越强，像点越亮。电子枪电子枪照明透照明透镜系统镜系统扫描扫描线圈线圈末级末级透镜透镜探测器探测器至真至真空泵空泵荧光屏荧光屏光栅扫描、逐点成像样品样品 扫描电镜图像的放大倍数定义为显像管中电子束在荧光屏上的扫描振幅和电子光学系统中电子束在样品上扫描振幅的比值，即： 式中，M：放大倍数，L：显像管的荧光屏尺寸；l：电子束在试样上扫描距离。M=L/ll电子光学系统

25、l信号收集及显示系统l真空系统和电源系统l由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。l用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。扫描电子束应具有较高的强度和尽可能小的束斑直径 主要由电子枪决定。电子枪电子枪第一、二聚光镜第一、二聚光镜物镜物镜扫描线圈扫描线圈样品室样品室200 m热阴极电子枪热阴极电子枪场发射电子枪场发射电子枪 钨灯丝六硼化镧灯丝35kV10100kV电子束直径：10 nm电子束亮度较低；束斑尺寸较大。u电磁透镜：经过电磁透镜二级或三级的聚焦，在样品表面上可得到直径几纳米的电子束斑。u扫描系统：控制入射电子束在样品表面作光栅扫描，改变扫描振幅来获得所需放大倍数的扫描像。u样品

26、室：较大，可以观察表面粗糙的大尺寸样品，也可以安装各种功能的样品台和检测器。l检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，经视频放大作为显像系统的调制信号。二次电子、背散射电子通常采用闪烁计数器，由法拉第网杯、闪烁体、光导管和光电倍增器组成。末级透镜背散射电子探头法拉第网杯（+200+500 V）闪烁体光导管光电倍增器样品台三种信号的探测器Back Scatter Electron Detector二次电子探测器X射线探测器背散射电子探测器物镜l真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持 10-4-10-5 Torr（ 10-2-10-3 Pa）的真

27、空度。l电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。 扫描电镜衬度的形成：主要是利用样品表面微区特征（如形貌、原子序数或化学成分）的差异，在电子束作用下产生不同强度的信号，使荧光屏不同区域呈现不同亮度，得到具有一定衬度的图像。 l 二次电子像：分辨率高(1nm)，立体感强l 背散射电子像：粗略反映轻重不同元素的分布 金纳米线金纳米线 提供表面形貌衬度。二次电子来自试样表面层，发射率受表面形貌影响大。二次电子的发射系数（发射率）与入射电子束与试样表面法向夹角有关，1/cos 。因此，试样表面凹凸不平的部位产生的二次电子信号强度比在其他平坦部分产生的信号强

28、度大，从而形成表面形貌衬度。入射 电子束产率 梨形作用体积梨形作用体积二次电子陶瓷烧结体的表面图像多孔硅的剖面图l形貌衬度 1）样品表面形貌影响背散射电子的产率，但背散射电子来自一个较大的作用体积，其分辨率远比二次电子低。 2）背散射电子能量较高，它们以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子，而掩盖了许多有用的细节。l成分衬度 反映样品微区的原子序数或化学成分的差异。背散射电子大部分是受原子核反射回来的入射电子。发射系数()随原子序数(Z)的增大而增加。 背散射电子既可以用来显示形貌衬度，也可以用来显示成分衬度。)10( 416lnZZ梨形作用体积梨形作用

29、体积背散射电子样品中重元素区域在图像上较亮，而轻元素在图像上较暗。锡铅镀层的表面图像（a）背散射电子图像（b）二次电子图像(b)(a)铅锡成分像形貌像l信号接收器由两块独立的检测器组成。 l对于原子序数信息来说，进入左右两个检测器的电信号，其大小和极性相同，而对于形貌信息，两个检测器得到的电信号绝对值相同，其极性恰恰相反。l将检测器得到的信号相加，能得到反映样品原子序数的信息；相减能得到形貌信息。 成分像+形貌像-背散射电子探头采集的成分像（a）和形貌像（b）(a)(b)第三章 扫描电子显微镜重点内容回顾二次电子背散射电子特征X射线光栅扫描 逐点成像二次电子像背散射电子像高低分辨率l扫描电镜分

30、辨率的极限：入射电子束束斑直径。l入射电子束在样品中的扩展效应：提高电子束能量在一定条件下对提高分辨率不利。l成像方式及所用的调制信号： 对形貌观察而言，指能分辨两点之间的最小距离；对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域。 二次电子像的分辨率约等于束斑直径（几个nm），背反射电子像的分辨率约为50-200nm。X射线的深度和广度都较大，所以X射线图像的分辨率远低于二次电子像和背反射电子像。入射电子束二次电子背散射电子连续X射线 特征X射线 俄歇电子 荧光屏上图像边长与电子束在样品上扫描振幅的比值。目前大多数商用扫描电镜放大倍数为2020,000倍。 M=L/ll景深是指一个透镜对高低不平的

31、试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。 l扫描电镜的景深比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜景深大10倍。ccMtgtgdFmm2 . 00 : 电子束的入射半角 c电子束入射半角的影响d0=0.2mm/Md0 : 临界分辨率M : 放大倍数工作距离的影响光阑工作距离多孔硅的光学显多孔硅的光学显微镜图像微镜图像多孔硅：可见光发光材料。多孔硅的扫描多孔硅的扫描电镜图像电镜图像l样品制备方法简单，对于导电性好的金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘接在电镜的样品座上即可直接进行观察。l对于非导电样品，在电子束作用下会产生电荷堆积，影响入射电子束斑和样品

32、发射的二次电子运动轨迹，使图像质量下降。这类试样在观察前要喷镀导电层进行处理，通常采用金、银或碳膜做导电层，膜厚在20nm左右。l扫描电镜制样技术中通常采用离子溅射镀膜法和真空蒸发。 (100 V1000 V)靶材（阴极）样品环形阳极脆性断裂解理断裂T 295 K D. Ferrer-Balas et al., Polymer 43, 3083-3091 (2002)聚丙烯(H0)、乙烯-聚丙烯嵌段共聚物(C1-C3)薄膜在不同温度下的断口形貌 低倍像高倍像多孔氧化铝模板制备的金纳米线的形貌 铅笔状ZnO纳米线的SEM图像 水热法合成PbS分级结构的SEM图像S. Xiong, J. Phys

33、. Chem. C 111, 16761-16767 (2007) 左手材料SRR阵列的SEM图像 水中甲苯中 J. Cui et al., J. Colloid Interface Sci. 326, 267-274 (2008)三氯甲烷中有机低分子凝胶因子在不同溶剂中的自组装形貌 S. Al-Malaika et al., Polymer 46, 209-228 (2005)PET/EPR 80:20 w/wPET/EPR 60:40 w/w聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)和乙丙橡胶(EPR)共混体系形貌1扫描电镜中三种主要信号分别是什么？如何产生？可以分别用来进行哪些方面的材料分析？三种信

34、号分辨率的高低如何？2简述扫描电镜的工作原理。3为什么二次电子像可以提供样品表面形貌信息？ 4. 扫描电镜制样中需要注意的问题是什么？ l扫描探针显微镜：Scanning Probe Microscope，缩写为SPM。l1981年，SPM首次在实空间展现了硅表面的原子图像。从此，它在表面分析领域发挥着重要作用。lSPM是一类仪器的总称，分辨率从原子到微米级别。 19811981年，硅原子像（年，硅原子像（7X77X7） lSPM是一种具有空前高的3D分辨率的轮廓仪。l可以测量表面电导率、静电电荷分布、区域摩擦力、磁场和弹性模量等物理特性。SPM基本构成图下上l SPM基本构成l英文名称是：S

35、canning Tunneling Microscope，简称STM。 STM是所有扫描探针显微镜的祖先。l1981年由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer在苏伊士IBM实验室发明。lSTM是第一种能够在实空间获得表面原子结构图像的仪器。硅表面原子图像吸附在铂表面的碘原子阵列图l隧道电流强度I是间距d的指数函数；如果针尖与样品间隙（0.1nm级尺度）变化10%，隧道电流则变化一个数量级。 lSTM灵敏度高。 垂直精度高于0.1nm，横向分辨率为原子级()。 EkdIGVe针尖样品相互作用示意图样品：导体或半导体锐化的导电针尖：钨或铂-铱合金 d 1nmV几十毫伏偏压隧道电流l

36、STM两种工作模式 ： 1) 恒定高度模式检测隧 道电流变化 。 2) 恒定电流模式检测高 度变化；l两种模式各有利弊：1) 恒高模式扫描速率较快，但这种模式仅适用于相对平滑的表面；2) 恒电流模式可以测量不规则表面，具有较高的精度（深度分辨率达几个pm）但比较耗时。1pm = 10-12 m=0.01 STM两种工作模式 高度电流强度图中的图中的“IBMIBM”是由是由单个氙（单个氙（Xe)Xe)原子原子构成的构成的 1993年，移动铁原子的实验。在低温条件下，用STM针尖将吸附在铜表面上的48个铁原子排列成了一个“量子围栏”的圆环，最近的铁原子相距0.9nm。环中电子只能在围栏内运动，形成

37、驻波。这是世界上首次观察到的电子驻波直观图形。 1991年，IBM公司的科研小组用STM针尖移动吸附在铂表面的28个一氧化碳分子，拼成了一个小人的形象，各个分子的间距约0.5nm。堪称世界上最小的人形图案。 5 nml悬臂和针尖的材料是硅。针尖和样品表面间的力导致悬臂弯曲或偏转。l当样品在针尖下做光栅式运动时，探测器可实时地检测悬臂的状态，并将其对应的表面形貌像显示纪录下来。硅悬臂和针尖的硅悬臂和针尖的SEMSEM图像图像位敏光探测器位敏光探测器样品：导体、半样品：导体、半导体或绝缘体导体或绝缘体PSPDPSPD检测器检测器样品样品l 悬臂微位移的检查方法 光学技术 PSPDPSPD检测器检测

38、器样品样品PSPD探测精度为1nm,可检测悬臂针尖小于0.1 nm 的垂直运动。 l 悬臂微位移的检查方法 光学技术 l用压电材料来制作悬臂，可直接用电学法电学法来测量到悬悬臂偏转臂偏转，而不必使用激光束和PSPD。l所谓压电压电现象是指某种类型的晶体在受到机械力发生 形变时会产生电压，或给晶体加一电压时晶体会产生物理形变的现象。许多化合物的单晶，如石英等都具有压电性质 。l 悬臂微位移的检查方法 电学法 l范德瓦尔斯力。l毛细力。由于通常环境下，在样品表面存在一层水膜，水膜延伸并包裹住针尖，就会产生毛细力，它具有很强的吸引（大约为10-8N）。l范德瓦尔斯力和毛细力的合力构成接触力。非接触非

39、接触几至几十纳米1nm范德瓦尔斯力与针尖范德瓦尔斯力与针尖样品间隙的关系样品间隙的关系示意图示意图 l排斥力模式。lAFM针尖与样品有轻微的物理接触。在这种工作模式下，针尖和与之相连的悬臂受范德瓦尔斯力和毛细力两种力的作用，二者的合力构成接触力。l当扫描器驱动针尖在样品表面（或样品在针尖下方）移动时，接触力会使悬臂弯曲，产生适应形貌的变形。检测这些变形，便可以得到表面形貌像。l两种工作模式： 恒高模式：扫描器高度固定，悬臂的偏转直接转换成形貌图像。 恒力模式：悬臂偏转被输入反馈电路，控制扫描器上下运动，使接触力恒定，扫描器的运动被转换成形貌图像。扫描速度较慢，但可以很好地控制施加在样品上的力。

40、溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层溅射过程中，不同厚度的透明导电涂层ITOITO的表面形貌像的表面形貌像（左）（左）120nm (120nm (右右) 450nm) 450nml恒力模式： 优点：很好地控制针尖施加在样品上的力，被优先选用。 缺点：扫描速度受限于反馈回路的响应时间。l恒高模式： 1) 获得原子级平整样品的原子分辨像； 2) 扫描速率高。lNC-AFM，针尖与样品间距处于几至几十纳米的范围。此范围在范德瓦尔斯曲线中标注为非接触区间。力很小，10-12N。适于研究软体和弹性样品，且不会因接触试样而引入污染。 l应用一种振动悬臂技术。刚硬的悬臂在系统的驱动下以接近于共振点的频率(10

41、0400 kHz) 振动，振幅为几至数十纳米。l共振频率的变化反映悬臂所受力的梯度的变化，也反映针样间隙或样品形貌的变化。l检测共振频率或振幅的变化，可以获得样品表面形貌信息。l相同点：都具有优于0. 1nm 的垂直分辨率。l不同点：非接触AFM信号较弱，需要更高灵敏度的交流检测方法，但其不会产生在接触式AFM多次扫描之后经常出现的针尖和样品变质的现象。测量软体样品时， NC-AFM比接触式AFM更具优越性。测量刚性样品时，二者的成像是一样的。然而，若刚性样品表面有若干层凝结水时，二者图像极不相同。 2008年，美国西北大学的纳米科学家Chad A. Mirkin利用聚合物笔平版印刷术（PPL

42、）在金基体上大规模制造了2008年北京夏季奥林匹克运动会的会徽共制造了1.5万个，所有这些会徽只占了1平方厘米的空间 。lMFM的针尖上镀有铁磁性薄膜，系统工作在非接触模式，检测由随针样间隙变化的磁场引起的悬臂共振频率的变化。l 可检测磁性材料中自发产生和受控写入的磁畴结构。l 磁力显微技术可对样品表面磁力的空间变化成像。l如果针尖靠近表面，即处在标准的非接触模式工作区间，则图像主要含形貌信息。l随着间隙增大，磁力效应变得显著。图像主要含磁特性图像。l在不同的针尖高度下采集一系列图像是剥离两种效应的一种途径。硬盘磁记录单元的形貌像（左）硬盘磁记录单元的形貌像（左）和和MFMMFM图像（右）图像

43、（右） l 用磁力针尖获得的图像都包含着表面形貌和磁特性。lFMM是AFM成像技术的扩展，可确定样品的力学性能，也可同时采集形貌和材料性质的数据。lAFM针尖以接触方式扫描样品，将一周期信号加在针尖或样品上，由此信号驱动产生的悬臂调制振幅随样品弹性而变。l通过检测悬臂调制振幅的变化来形成力调制像，反映样品弹性的分布。随样品表面力学性能改变的悬臂振幅随样品表面力学性能改变的悬臂振幅l相位检测显微技术也称之为相位成像，这种技术借助测量悬臂振动驱动和振动输出信号之间的位相延迟，研究弹性、粘度和摩擦等表面机械性能的变化。 对应样品表面力学性能的相位延迟变化对应样品表面力学性能的相位延迟变化l静电力显微技术显示出样品表面的局部电荷畴结构，如电子器件中电路静电场的分布。l在针尖与样品之间施加电压，当悬臂扫描至静电荷时，悬臂偏转。偏转幅度正比于电荷密度，可以用光束折射系统进行测量。EFMEFM电荷畴结构的面分布像电荷畴结构的面分布像