高分子研究方法(2016年)考試說明

1、一 題型單選題 15 題， 共 30 分； 多選題 10 題， 共 30 分； 簡答題 8 題， 共 40 分。電鏡部分主要為選擇題，其他部分各題型均有。二 重點(diǎn)考點(diǎn)（ 電鏡部分和 XRD 部分） 1. 各分析方法最基本的原理，尤其是各方法之間的聯(lián)系和差別。 2. 掃描電鏡二次電子像和背散射像的特點(diǎn)和作用 3. 掃描電鏡放大倍數(shù)的定義 4. 掃描電鏡下高分子樣品的特點(diǎn)和應(yīng)對方法 5. 透射電鏡的主要襯度 6. 透射電鏡的染色劑， 掌握四氧化鋨、 四氧化釕、 磷鎢酸的用途和用法 7. 支持膜的選擇， 掌握普通碳膜、微柵支持膜、超薄碳膜 8. Miller 指數(shù)的表示方法 9. 各種 XRD 圖像

2、的含義 10. 晶面間距的定義和計算 11. 謝樂公式的含義 12. 布拉格方程（ 例題習(xí)題）以上列舉為電鏡部分和 XRD，AFM和熱分析部分以王老師發(fā)布的信息為準(zhǔn)。1.各分析方法最基本的原理，尤其是各方法之間的聯(lián)系和差別。 答：1. 光學(xué)顯微鏡 電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)雖然遠(yuǎn)勝于光學(xué)顯微鏡，但電子顯微鏡因需在真空條件下工作，所以很難觀察到活的生物，而且電子束的照射也會使生物樣品受到輻射損傷。2. 掃描電鏡原理 掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用，工作原理是用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級電子，次級電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，次級電子由探

3、測體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，再?jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杹砜刂茻晒馄辽想娮邮膹?qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個密封的柱形容器。真空泵用來在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。成象系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。2. 透射電鏡原理 電子顯微鏡是以電子束為照明源，通過電子流對樣品的透射或反射及電磁透鏡的多級放大后在熒光屏上成像的大型儀器。透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、

4、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像于熒光屏或照相干版上。TEM由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電器系統(tǒng)組成 3. 二者區(qū)別3.1 透射式電子顯微鏡常用于觀察那些用普通顯微鏡所不能分辨的細(xì)微物質(zhì)結(jié)構(gòu)；掃描式電子顯微鏡主要用于觀察固體表面的形貌3.2 透射式電子顯微鏡鏡筒的頂部是電子槍，電子由鎢絲熱陰極發(fā)射出、通過第一，第二兩個聚光鏡使電子束聚焦。電子束通過樣品后由物鏡成像于中間鏡上，再通過中間鏡和投影鏡逐級放大，成像于熒光屏或照相干版上，掃描式電子顯微鏡的電子束不穿過樣品，僅在樣品表面掃描激發(fā)出二次電子。3.3

5、 樣品較薄或密度較低的部分，電子束散射較少，這樣就有較多的電子通過物鏡光欄，參與成像，掃描式電子顯微鏡不需要很薄的樣品。3.4 掃描式電子顯微鏡的電子槍和聚光鏡與透射式電子顯微鏡的大致相同，但是為了使電子束更細(xì)，在聚光鏡下又增加了物鏡和消像散器，在物鏡內(nèi)部還裝有兩組互相垂直的掃描線圈。物鏡下面的樣品室內(nèi)裝有可以移動、轉(zhuǎn)動和傾斜的樣品臺。2. 掃描電鏡二次電子像和背散射像的特點(diǎn)和作用 答：背散射電子像的襯度要比二次電子像的襯度大，二次電子一般用于形貌分析，背散射電子一般用于區(qū)別不同的相。二次電子像：1）凸出的尖棱，小粒子以及比較陡的斜面處二次電子產(chǎn)額較多，在熒光屏上這部分的亮度較大。2）平面上的

6、二次電子產(chǎn)額較小，亮度較低。3）在深的凹槽底部盡管能產(chǎn)生較多二次電子，使其不易被控制到，因此相應(yīng)襯度也較暗。背散射電子像：1）用背散射電子進(jìn)行形貌分析時，其分辨率遠(yuǎn)比二次電子像低。2）背散射電子能量高，以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背散射電子而變成一片陰影，因此，其圖象襯度很強(qiáng)，襯度太大會失去細(xì)節(jié)的層次，不利于分析。因此，背散射電子形貌分析效果遠(yuǎn)不及二次電子，故一般不用背散射電子信號。3. 掃描電鏡放大倍數(shù)的定義 答： M=l/L=CRT邊長/電子束在試樣上的掃描寬度，式中l(wèi)指熒光屏長度；L是指電子束在試樣上掃過的長度。這個比值是通過調(diào)節(jié)掃描線圈上的電流來

7、改變的。4. 掃描電鏡下高分子樣品的特點(diǎn)和應(yīng)對方法 答：1、試樣的污染和損傷：聚合物材料對高溫耐受性差，導(dǎo)熱差，易受污染和損傷，電子束照射后材料表面會出現(xiàn)不同程度的損傷；2、不導(dǎo)電試樣表面的電荷積累：產(chǎn)生一些亮的掃描線；畫面移動或圖像畸變；產(chǎn)生異常襯度。避免電荷積累的方法： 噴鍍導(dǎo)電膜； 降低加速電壓； 試樣傾斜； 制成薄試樣（參照TEM），檢測透射電子； 低真空模式。3、輕元素，電子穿透深度大。5. 透射電鏡的主要襯度 答：襯度：樣品兩個相鄰部分電子束的強(qiáng)度差。其中：C襯度 I電子束強(qiáng)度 透射電鏡的襯度通常包括：質(zhì)厚襯度、衍射襯度和相位襯度1. 質(zhì)厚襯度（“吸收”襯度）：源于樣品的原子序數(shù)和

8、樣品厚度差別。襯度的強(qiáng)弱還與加速電壓有關(guān)。2. 衍射襯度：滿足布拉格衍射條件的晶體，發(fā)生衍射。形成的衍襯像與晶面對入射電子束的衍射強(qiáng)度有關(guān)。質(zhì)厚襯度和衍射襯度統(tǒng)稱為振幅襯度。質(zhì)厚襯度反映物樣不同區(qū)域?qū)﹄娮拥纳⑸淠芰Φ牟町?。衍射襯度反映晶體樣品不同區(qū)域滿足布拉格衍射條件的程度差異。（通常包括晶體取向、種類的差異）3、相位襯度（位相襯度）：散射波和入射波發(fā)生干涉產(chǎn)生的襯度。條件：試樣厚度小于10nm，細(xì)節(jié)1nm以下，此時以相位襯度為主。振幅襯度質(zhì)厚襯度復(fù)型、粉末、切片、微晶等高分子研究中的主要襯度衍射襯度結(jié)晶性試樣、晶粒界面、晶格缺陷等常成為高分子研究中的干擾因素相位襯度晶格、支持膜無定形結(jié)構(gòu)、F

9、resnel環(huán)等高分辨像的主要襯度來源6. 透射電鏡的染色劑， 掌握四氧化鋨、 四氧化釕、 磷鎢酸的用途和用法 答：（1）OsO4染色，可染-C=C-雙鍵、-OH基、-NH2基。方法：將切片置于密閉容器中，用2的OsO4水溶液熏30min，或?qū)⒃嚇忧谐蓸訔l，在溶液中浸泡一周。（2）RuO4染色：克服了OsO4染色的局限性。對大部分聚合物都能染色，對PVC、PMMA、PAN、PVF不能染色。對不同的聚合物的染色速率不同。方法：用0.5RuO4水溶液熏15 40min。（3）磷鎢酸可染PA; 常用磷鎢酸的緩沖溶液，利用離子吸附，染色聚合物膠束、納米顆粒、乳液（干）、蛋白質(zhì)、病毒體等等7. 支持膜的

10、選擇， 掌握普通碳膜、微柵支持膜、超薄碳膜 答：大多數(shù)透射電鏡樣品在制樣時，為了確保樣品能搭載在“載網(wǎng)”上，會在“載網(wǎng)”上覆一層有機(jī)膜，稱為“支持膜”。支持膜：（1）有一定的機(jī)械強(qiáng)度；（2）電子束照射下穩(wěn)定性好；（3）容易透過電子射線；（4）本身在實驗條件下無結(jié)構(gòu)；（5）化學(xué)穩(wěn)定性好；（6）容易確定厚度；（7）容易制作。當(dāng)樣品放在電鏡中觀察時，“載網(wǎng)支持膜”在電子束照射下，會產(chǎn)生電荷積累，引起樣品放電，從而發(fā)生樣品漂移、跳動、支持膜破裂等情況。所以，人們考慮在支持膜上噴碳，提高支持膜的導(dǎo)電性，達(dá)到良好的觀察效果。這種經(jīng)過“噴碳的載網(wǎng)支持膜”，簡稱“碳支持膜”，一般膜厚度為7-10nm。從制作成

11、本和使用效果看，銅網(wǎng)最經(jīng)濟(jì)實用，所以被普遍采用。因此，人們經(jīng)常提到的“銅網(wǎng)支持膜”、“碳支持膜”、“碳膜”、“方華膜”等，甚至被誤稱的“銅網(wǎng)”，大多是指這種具有“銅網(wǎng)噴碳的支持膜”。通常稱“碳支持膜”。微柵是支持膜的一個品種，它是在制作支持膜時，特意在膜上制作的微孔，所以也叫“微柵支持膜”，它也是經(jīng)過噴碳的支持膜，一般膜厚度為15-20nm。它主要是為了能夠使樣品搭載在支持膜微孔的邊緣，以便使樣品“無膜”觀察。無膜的目的主要是為了提高圖像襯度，所以，觀察管狀、棒狀、納米團(tuán)聚物等，常用“微柵”支持膜，效果很好。特別是觀察這些樣品的高分辨像時，更是最佳的選擇。超薄碳膜，也是支持膜的一種。它是在微柵

12、的基礎(chǔ)上，疊加了一層很薄的碳膜，一般為3-5nm。這層超薄碳膜的目的，是用薄碳膜把微孔擋住。這主要是針對那些分散性很好的納米材料，如：10nm以下的樣品，分散性極好，如果用微柵就有可能從微孔中漏出，如果在微柵孔邊緣，由于膜厚可能會影響觀察。所以，用超薄碳膜，就會得到很好的效果。8. Miller 指數(shù)的表示方法 答：方向的Miller指數(shù) 1. 方向必須通過原點(diǎn)。如果未通過原點(diǎn)，則構(gòu)造一個從原點(diǎn)出發(fā)，與原方向矢量平行的矢量2. 取方向的三個分量3. 消除分?jǐn)?shù)（同乘以整數(shù)），并化簡為最小整數(shù)4. 平面指數(shù)放在方括號中，負(fù)數(shù)用上劃線表示平面的Miller指數(shù)1. 確定平面與三個坐標(biāo)軸上的交點(diǎn)。平面

13、不能通過原點(diǎn)。如果平面通過原點(diǎn)，應(yīng)移動原點(diǎn)2. 取交點(diǎn)坐標(biāo)的倒數(shù)(所以平面不能通過原點(diǎn))。如果平面與某一坐標(biāo)軸平行，則交點(diǎn)為¥，倒數(shù)為零3. 消除分?jǐn)?shù)（同乘以整數(shù)），但不化簡為最小整數(shù)，負(fù)數(shù)加上劃線4. 第四步：加圓括號，記作(hkl)(hkl) 代表一組互相平行、面間距相等的晶面，晶面的面間距：離原點(diǎn)最近的晶面與原點(diǎn)的距離9. 各種 XRD 圖像的含義 10. 晶面間距的定義和計算 實晶格的描述原子的位置倒易晶格描述晶面的方向與間距倒易晶格的原點(diǎn)與實晶格原點(diǎn)重合倒易矢量的長度為所代表晶面間距的倒數(shù)倒易矢量的方向垂直于所代表的晶面11. 謝樂公式的含義 12. 布拉格方程（ 例題習(xí)題

14、） 原子力顯微鏡和熱分析部分（王東老師）1. AFM原理，表征樣品的范圍，AFM的應(yīng)用范圍；答：AFM是在STM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，可分成三個部分：力檢測部分、位置檢測部分、反饋系統(tǒng)。所不同的是，它不是利用電子隧道效應(yīng)，而是利用原子之間的范德華力（Van Der Waals Force）作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。一個對力非常敏感的微懸臂，其尖端有一個微小的探針，當(dāng)探針輕微地接觸樣品表面時，由于探針尖端的原子與樣品表面的原子之間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸臂彎曲，將微懸臂彎曲的形變信號轉(zhuǎn)換成光電信號并進(jìn)行放大，就可以得到原子之間力的微弱變化的信號。從這里我們可以看出，

15、原子力顯微鏡設(shè)計的高明之處在于利用微懸臂間接地感受和放大原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測的目的。工作原理：在原子力顯微鏡的系統(tǒng)中，是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈現(xiàn)待測物的表面之物理特性。將一個對力極為敏感的微懸臂的一端固定，另一端固定針尖，當(dāng)針尖在樣品表面掃描時，因針尖尖端原子與樣品表面原子存在的范德華力，使微懸臂產(chǎn)生微小彎曲。檢測懸臂彎曲所造成的微小的位移量，得到樣品表面信息。隧道電流法：當(dāng)兩側(cè)金屬靠近到很小間距時，兩側(cè)金屬表面電子云互相重疊產(chǎn)生隧道電流，電流大小與兩側(cè)金屬距離有關(guān)。靈敏度高,易被污染原顯微鏡的優(yōu)勢光學(xué)顯微鏡和電顯微鏡成像時都受電磁衍射的影響，這給它們辨別三維結(jié)構(gòu)帶

16、來困難，所以它們只能提供樣品表的維圖像， AFM能夠提供真正的三維表圖。AFM不需要對樣品做任何特殊處理，如鍍或碳，不會對樣品造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。電顯微鏡需要運(yùn)在真空條件下，原顯微鏡在常壓下甚在液體環(huán)境下都可以良好作。這樣可以來研究物宏觀分，甚活的物組織。原顯微鏡的劣勢分辨率很，使得在樣品制備過程中產(chǎn)的或者是從背景噪中產(chǎn)的極假像都能夠被檢測、觀察到，產(chǎn)假像。成像效果受探針的影響。AFM的缺陷1. 較小的掃描范圍，100m到10nm，容易將局部的、特殊的結(jié)果當(dāng)作整體的結(jié)果而分析，以及使實驗結(jié)果缺乏重現(xiàn)性。2. 極其高的分辨率，使得在樣品制備過程中產(chǎn)生的或者是從背景噪音中產(chǎn)生的極小假像都能夠被檢測

17、、觀察到，產(chǎn)生假像。 3. 受樣品因素限制較大（不可避免）4. 針尖易磨鈍或受污染（磨損無法修復(fù)；污染清洗困難）5. 針尖樣品間作用力較小6. 近場測量干擾問題7. 掃描速率低8. 針尖的放大效應(yīng) 2. 什么是SFM;答：SFM掃描力顯微鏡，3.單分子力譜，納米力學(xué)圖譜，納米壓痕，接觸力學(xué)理論；4.AFM衍生功能及應(yīng)用；答：AFM的應(yīng)用 小尺寸樣品的觀察：適用于觀察原子級樣品，DNA分子等，在納米材料科學(xué)、分子生物學(xué)、仿生學(xué)等研究領(lǐng)域有廣泛研究。納米加工：利用AFM可以對樣品進(jìn)行表面原子搬運(yùn)，原子蝕刻，從而制造納米器件。AFM可以在大氣、真空、低溫和高溫、不同氣氛以及溶液等各種環(huán)境下工作，且不

18、受樣品導(dǎo)電性質(zhì)的限制，因此已獲得比STM更為廣泛的應(yīng)用。主要用途：1. 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表面的高分辨成像2. 生物樣品、有機(jī)膜的高分辨成像3. 表面化學(xué)反應(yīng)研究4. 納米加工與操縱5. 超高密度信息存儲6. 分子間力和表面力研究7 摩擦學(xué)及各種力學(xué)研究8 在線檢測和質(zhì)量控制5. AFM液相里操作的特點(diǎn)和難點(diǎn)；答：空環(huán)境中蒸在針尖與樣品間形成的細(xì)及由此產(chǎn)的細(xì)。特點(diǎn)：可以消除空中因濕度引起的細(xì)，提掃描成像精度；可以降低范德華的影響；可以完全模擬樣品的實際環(huán)境，如溶液中晶體的、細(xì)胞的發(fā)育等；可以便快速調(diào)控針尖與樣品間的相互作。難點(diǎn)：液體的選擇；液位的調(diào)節(jié)；針尖出液體；光路校正；掃描模式的選擇；掃

19、描速度的選擇；清洗和干燥。6.AFM樣品的制備；答：對樣品的要求：平滑的表面制樣方法：溶液制膜(滴膜，鑄膜，旋轉(zhuǎn)涂膜)基板：硅片、云母、玻璃片滴膜與鑄膜，無氣泡，控制溶劑揮發(fā)速度旋轉(zhuǎn)涂膜，幾納米到幾百納米，甚至微米級薄膜7.如何制備粉狀及粒子樣品；8.什么是相圖；答：輔助圖像振幅圖: 在接觸模式下，給微懸臂加上一個小振幅、低頻率的簡諧振動后（力調(diào)制技術(shù)），通過記錄微懸臂振幅的變化而成像。相圖: 是與振幅圖相類似，在輕敲模式下，通過記錄高頻振動的針尖在接觸樣品表面后，振動相位的變化（滯后）程度而成像。9.AFM假象的類型，如何避免假象；答：只要是在AFM圖像上出現(xiàn)的不屬于樣品真實信息的結(jié)構(gòu)特征，

20、都可稱做假象，包括振動噪音、電子噪音（改善實驗室環(huán)境）、掃描參數(shù)的設(shè)置（反饋系數(shù)設(shè)置、掃描速度設(shè)置）、圖像處理方法（圖像平滑處理）、光的干涉假象、針頭展寬效應(yīng)避免方法：進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、定期校正掃描頭、改善實驗環(huán)境、提高實驗操作水平10.AFM針尖種類和參數(shù)；答：（1）、 非接觸/輕敲模式針尖以及接觸模式探針：最常用的產(chǎn)品，分辨率高，使用壽命一般。使用過程中探針不斷磨損，分辨率很容易下降。主要應(yīng)用與表面形貌觀察。（2）、 導(dǎo)電探針：通過對普通探針鍍10-50納米厚的Pt（以及別的提高鍍層結(jié)合力的金屬，如Cr，Ti，Pt和Ir等）得到。導(dǎo)電探針應(yīng)用于EFM，KFM，SCM等。導(dǎo)電探針分辨率比t

21、apping和contact模式的探針差，使用時導(dǎo)電鍍層容易脫落，導(dǎo)電性難以長期保持。導(dǎo)電針尖的新產(chǎn)品有碳納米管針尖，金剛石鍍層針尖，全金剛石針尖，全金屬絲針尖，這些新技術(shù)克服了普通導(dǎo)電針尖的短壽命和分辨率不高的缺點(diǎn)。（3）、磁性探針：應(yīng)用于MFM，通過在普通tapping和contact模式的探針上鍍Co、Fe等鐵磁性層制備，分辨率比普通探針差，使用時導(dǎo)電鍍層容易脫落。（4）、大長徑比探針：大長徑比針尖是專為測量深的溝槽以及近似鉛垂的側(cè)面而設(shè)計生產(chǎn)的。特點(diǎn)：不太常用的產(chǎn)品，分辨率很高，使用壽命一般。技術(shù)參數(shù)：針尖高度> 9m；長徑比5:1；針尖半徑< 10 nm。（5）、類金剛石

22、碳AFM探針/全金剛石探針：一種是在硅探針的針尖部分上加一層類金剛石碳膜，另外一種是全金剛石材料制備（價格很高）。這兩種金剛石碳探針具有很大的耐久性，減少了針尖的磨損從而增加了使用壽命。還有生物探針（分子功能化），力調(diào)制探針，壓痕儀探針11.AFM針尖污染與清潔；答：污染針尖的鑒別法1、共振頻率2、-距離曲線3、掃描圖像4、顯微鏡污染針尖的清潔法1、頻振動法： 輕度污染，如空中微塵污染2、清洗法： 中等污染，去離，酒精，有機(jī)溶劑，弱酸性或弱堿性溶液3、紫外線和臭氧氧化還原法：有機(jī)物污染4、更換獲得質(zhì)量圖像分辨針尖；的掃描；慢的掃描速度；合適的像素；清潔的樣品表與針尖；好的隔降噪系統(tǒng)；合適的環(huán)境

23、濕度。12.AFM工作環(huán)境及特點(diǎn)；答：AFM受工作環(huán)境的限制較小，它可以在超高真空、氣相、液相和電化學(xué)的環(huán)境下操作；(1)真空環(huán)境：真空環(huán)境可以避免 中雜質(zhì)和 膜的干擾，但其操作較復(fù)雜。最早的掃描隧道顯微鏡(STM)研究是在超真空下進(jìn)操作的。后來，隨著AFM的出現(xiàn)， 們開始使真空AFM研究固體表 。(2)相環(huán)境： 相環(huán)境中，AFM多受樣品表膜干擾，但其操作較容易，它是泛采的種作環(huán)境?？梢栽诳罩醒芯咳魏喂腆w表，不受樣品導(dǎo)電性的限制。(3)液相環(huán)境：液相環(huán)境中，AFM消除了針尖和樣品之間的細(xì)現(xiàn)象，因此減少了針尖對樣品的總作。液相AFM可以在液相中研究樣品的形貌，其應(yīng) 分 闊，可 于 物體系、腐蝕或

24、液固界的研究(4)電化學(xué)環(huán)境：如超真空系統(tǒng)樣，電化學(xué)系統(tǒng)為AFM提供了另種控制環(huán)境。電化學(xué)AFM是在原有AFM基礎(chǔ)上添加了電解池、雙恒電位儀和相應(yīng)的應(yīng) 軟件。電化學(xué)AFM可以現(xiàn)場研究電極的性質(zhì)。包括化學(xué)和電化學(xué)過程誘導(dǎo)的吸附、腐蝕以及有機(jī)和物分在電極表 的沉積和形態(tài)變化等。13.光學(xué)和相差顯微鏡，SEM,TEM,AFM,X-ray合理選擇表征方法；答：光學(xué)顯微鏡使人類的視覺得以延伸，人們可以觀察到像細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體，但由于光波的衍射效應(yīng)，使得光學(xué)顯微鏡的分辨率只能達(dá)到10-7m.電子顯微鏡的發(fā)明開創(chuàng)了物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元，掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率為10-9m，而高分辨透射電子

25、顯微鏡（HTEM）和掃描透射電子顯微鏡STEM）可以達(dá)到原子級的分辨率01nm，但主要用于薄層樣品的體相和界面研究，且要求特殊的樣品制備技術(shù)和真空條件場離子顯微鏡（FIM）是一種能直接觀察表面原子的研究裝置，但只能探測半徑小于 100 nm的針尖上的原子結(jié)構(gòu)和二維幾何性質(zhì)，且樣品制備復(fù)雜，可用來作為樣品的材料也十分有限. X射線衍射和低能電子衍射等原子級分辨儀器，不能給出樣品實空間的信息，且只限于對晶體或周期結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行研究STM使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物化性質(zhì)，在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景14

26、.SPM發(fā)展歷史及種類，特點(diǎn)；答：掃描探針顯微鏡SPM，利用反饋回路通過針尖和樣品的某種相互作用（光、電、熱、磁、力等）來控制針尖在距樣品表面定距離處掃描，從而獲得樣品表面的各種信息。分辨率在原子級0.1nm；相對于TEM,SEM,FIM等高真空的工作環(huán)境，SPM工作環(huán)境可以是實環(huán)境、大氣、溶液、真空，低、中、高溫，操作環(huán)境多樣；對樣品沒有破損。優(yōu)勢：極高分辨率:xy 0.1nm , z 0.01nm,實時高分辨率三維圖像，單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)；設(shè)備簡單、體積小、價格便宜，日常維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用低；對樣品無特殊要求，制樣容易a. SPM具有極高的分辨率。它可以輕易的“看到”原子，這是一般顯微鏡甚

27、至電子顯微鏡所難以達(dá)到的。b. SPM得到的是實時的、真實的樣品表面的高分辨率圖像。而不同于某些分析儀器是通過間接的或計算的方法來推算樣品的表面結(jié)構(gòu)。也就是說，SPM是真正看到了原子。c. SPM的使用環(huán)境寬松。電子顯微鏡等儀器對工作環(huán)境要求比較苛刻，樣品必須安放在高真空條件下才能進(jìn)行測試。而SPM既可以在真空中工作，又可以在大氣中、低溫、常溫、高溫，甚至在溶液中使用。因此SPM適用于各種工作環(huán)境下的科學(xué)實驗。d. SPM的應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的。e. SPM的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的。f. 同其它表面分析技術(shù)相比，SPM 有著諸多優(yōu)勢，不僅可以得到高分辨率的表面成像，g. 與其他

28、類型的顯微鏡相比（光學(xué)顯微鏡，電子顯微鏡）相比，SPM掃描成像的一個巨大的優(yōu)點(diǎn)是可以成三維的樣品表面圖像，還可對材料的各種不同性質(zhì)進(jìn)行研究。h. 同時，SPM 正在向著更高的目標(biāo)發(fā)展， 即它不僅作為一種測量分析工具，而且還要成為一種加工工具， 也將使人們有能力在極小的尺度上對物質(zhì)進(jìn)行改性、重組、再造SPM 對人們認(rèn)識世界和改造世界的能力將起著極大的促進(jìn)作用。同時受制其定量化分析的不足，因此SPM 的計量化也是人們正在致力于研究的另一重要方向，這對于半導(dǎo)體工業(yè)和超精密加工技術(shù)來說有著非同一般的意義。SPM近些年來應(yīng)用的領(lǐng)域越來越多，其中主要的除了獲得高分辨的二維和三維表面形貌外，在線監(jiān)測是個熱點(diǎn)

29、，其中包括了生物活體的在線監(jiān)測和物理化學(xué)反應(yīng)的在線監(jiān)測。在材料領(lǐng)域中，人們利用它來研究腐蝕的微觀機(jī)理。腐蝕是一種發(fā)生在固體與氣體或液體分界面上的現(xiàn)象。雖然通常人眼就可以看到腐蝕造成的結(jié)果，但是腐蝕都是從原子尺度開始的。在生物醫(yī)學(xué)研究對象也從最初的DNA迅速擴(kuò)大到包括細(xì)胞結(jié)構(gòu)、染色體、蛋白質(zhì)、膜等生物學(xué)的大部分領(lǐng)域。更為重要的是，SPM作為靜態(tài)觀察，還可以實現(xiàn)動態(tài)成像，按分子設(shè)計制備具有特定功能的生物零件、生物機(jī)器、將生物系統(tǒng)和微機(jī)械有機(jī)地結(jié)合起來。在微機(jī)械加工方面：由于SPM 的針尖曲率半徑小,且與樣品之間的距離很近( < 1nm)，在針尖與樣品之間可以產(chǎn)生一個高度局域化的場，包括力、電

30、、磁、光等。該場會在針尖所對應(yīng)的樣品表面微小區(qū)域產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性缺陷、相變、化學(xué)反應(yīng)、吸附質(zhì)移位等干擾，并誘導(dǎo)化學(xué)沉積和腐蝕，這正是利用SPM 進(jìn)行納米加工的客觀依據(jù)。同時也表明，SPM不是簡單用來成像的顯微鏡，而是可以用于在原子、分子尺度進(jìn)行加工和操作的工具在納米尺寸、分子水平上SPM是最先進(jìn)的測試工具，它在材料及微生物學(xué)科中發(fā)揮了非常重要的作用，可以預(yù)測在今后新材料的發(fā)展以及揭示生命領(lǐng)域的一些重要的問題上將會發(fā)揮重要作用。缺點(diǎn)：由于其工作原理是控制具有一定質(zhì)量的探針進(jìn)行掃描成像，因此掃描速度受到限制， 測效率較其他顯微技術(shù)低；由于壓電效應(yīng)在保證定位精度前提下運(yùn)動范圍很?。y以突破100m量級），

31、而機(jī)械調(diào)節(jié)精度又無法與之銜接，故不能做到象電子顯微鏡的大范圍連續(xù)變焦，定位和尋找特征結(jié)構(gòu)比較困難；目前掃描探針顯微鏡中最為廣泛使用管狀壓電掃描器的垂直方向伸縮范圍比平面掃描范圍一般要小一個數(shù)量級，掃描時掃描器隨樣品表面起伏而伸縮，如果被測樣品表面的起伏超出了掃描器的伸縮范圍，則會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常甚至損壞探針。因此，掃描探針顯微鏡對樣品表面的粗糙度有較高的要求；由于系統(tǒng)是通過檢測探針對樣品進(jìn)行掃描時的運(yùn)動軌跡來推知其表面形貌，因此，探針的幾何寬度、曲率半徑及各向異性都會引起成像的失真（采用探針重建可以部分克服)15.AFM和SPM的區(qū)別；16.STM成像原理及儀器構(gòu)造；答：掃描隧道顯微鏡STM，

32、掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。對于經(jīng)典物理學(xué)來說，當(dāng)一個粒子的動能E低于前方勢壘的高度V0時，它不可能越過此勢壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計算，在一般情況下，其透射系數(shù)不等于零，也就是說，粒子可以穿過比它能量更高的勢壘，這個現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)是由于粒子的波動性而引起的，只有在一定的條件下，隧道效應(yīng)才會顯著。掃描隧道顯微鏡的基本原理是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近 (通常小于1nm) 時，在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極。（隧道探針一般采用直徑小于1mm的細(xì)金屬絲

33、，如鎢絲、鉑-銥絲等，被觀測樣品應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流）隧道電流強(qiáng)度對針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個數(shù)量級。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時對x-y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖，這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理。AFM是在STM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種顯微技術(shù)。STM是利用原子間的隧道效應(yīng)進(jìn)行測量的。STM就是根據(jù)這種效應(yīng)制成的。當(dāng)針尖和樣品面間距足夠小時（<0.4nm），在針尖和樣品間施加一偏置電壓，便會產(chǎn)生隧道效應(yīng)，電子會穿過勢壘，在針尖和樣品間流動，形成隧

34、道電流。在相同的偏置電壓下，電流強(qiáng)度對針尖和樣品間的距離十分敏感，隧道電流隨間距呈指數(shù)變化，樣品表面的形貌影響著隧道電流的劇烈變化，這種電流變化有計算機(jī)進(jìn)行處理就可以的到樣品表面的形貌了。STM的結(jié)構(gòu)掃描隧道顯微鏡 (STM)系統(tǒng)組成: 電流檢測與反饋系統(tǒng) 恒電流 恒高常用的STM 針尖安放在一個可進(jìn)行三維運(yùn)動的壓電陶瓷支架上，如圖所示，Lx、Ly、Lz分別控制針尖在x、y、z方向上的運(yùn)動。在Lx、Ly上施加電壓，便可使針尖沿表面掃描；測量隧道電流 I ，并以此反饋控制施加在Lz上的電壓Vz；再利用計算機(jī)的測量軟件和數(shù)據(jù)處理軟件將得到的信息在屏幕上顯示出來。優(yōu)勢：具有極高的分辨率得到的是實時的

35、、真實的樣品表面的高分辨率圖象使用環(huán)境寬松應(yīng)用領(lǐng)域是寬廣的價格相對于電子顯微鏡等大型儀器來講是較低的STM最重要的用途在于納米技術(shù)上；STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點(diǎn)一到零點(diǎn)幾個納米之間。在掃描隧道顯微鏡下，導(dǎo)電物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見。實現(xiàn)了單原子和單分子操縱，單分子化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)成為現(xiàn)實；在分子水平上構(gòu)造電子學(xué)器件掃描隧道顯微鏡的局限性:掃描隧道顯微鏡在恒電流工作模式下，有時它對樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測，與此相關(guān)的分辨率較差.掃描隧道顯微鏡所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電

36、性，對于半導(dǎo)體，觀測的效果就差于導(dǎo)體，對于絕緣體則根本無法直接觀察。如果在樣品表面覆蓋導(dǎo)電層，則由于導(dǎo)電層的粒度和均勻性等問題又限制了圖象對真實表面的分辨率。掃描隧道顯微鏡的工作條件受限制，如運(yùn)行時要防振動，探針材料在南方應(yīng)選鉑金，而不能用鎢絲，鎢探針易生銹。17.AFM操作模式；答：恒電流掃描，高度變化；恒高掃描，電流變化接觸模式：微懸臂探針緊壓樣品表面，檢測時與樣品保持接觸，作用力（斥力）通過微懸臂的變形進(jìn)行測量。該模式下，針尖與樣品表面相接觸，分辨率高，但成像時針尖對樣品的作用力較大，適合表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的樣品。接觸模式針尖與樣品表面距離小，利用原子間的斥力可獲得高解析度圖像樣品變形，針尖受

37、損，軟組份的變形可能會導(dǎo)致得出錯誤的相結(jié)構(gòu)信息不適合表面柔軟的材料，通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、分辨率高的圖像。但是這種模式不適用于研究生物大分子、低彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。非接觸模式針尖距樣品表面5nm20nm，作用力在引力范圍不損傷樣品表面，可測試表面柔軟樣品優(yōu)點(diǎn)：針尖不接觸樣品，對樣品無損傷缺點(diǎn)：環(huán)境噪聲大、需在真空中實驗，不能再液體環(huán)境中操作，分辨率低誤判的現(xiàn)象 ，需要使用較堅硬的懸臂（防止與樣品接觸）所得到的信號更小，需要更靈敏的裝置，這種模式雖然增加了顯微鏡的靈敏度，但當(dāng)針尖和樣品之間的距離較長時，分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低。由于為非接觸狀態(tài)，對于研究柔軟或有彈性的樣品較佳，而且針尖或者樣品表面不會有鈍化效應(yīng)，不過會有誤判現(xiàn)象。這種模式的操作相對較難，通常不適用于在液體中成像，在生物中的應(yīng)用也很少。 輕敲模式：用處于共振狀態(tài)、上下振蕩的微懸臂探針對樣品表面進(jìn)行掃描，樣品表面起伏使微懸臂探針的振幅產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而得到樣品的表面形貌。該模式下，掃描成像時針尖對樣品進(jìn)行“敲擊”，兩者間只有瞬間接觸，能有效克服接觸模式下因針尖的作用力，尤其是橫向力引起的樣品損傷，適合于柔軟或吸附樣品的檢測。輕敲模式：探針在Z軸維持固定頻率振動，當(dāng)振動到谷底時與樣品表面接觸對樣品破壞小分辨率幾乎與接觸模式相同間歇接觸式：優(yōu)點(diǎn)：1.分辨率幾乎同接觸模式