第四章表面分析方法ppt課件

1、2022-2-8HNU-ZLP1第四章第四章 表面分析方法表面分析方法概概 述述X X光電子能譜光電子能譜(XPS)(XPS)俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)(AES)掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(STM)(STM)原子力顯微鏡原子力顯微鏡(AFM)(AFM)2345/?k1035835 2022-2-8HNU-ZLP24.1 4.1 概概 述述 表面科學(xué)研究始于表面科學(xué)研究始于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代，年代， 它的兩個(gè)最主要的條件是：它的兩個(gè)最主要的條件是： 超高真空技術(shù)的發(fā)展超高真空技術(shù)的發(fā)展 各種表面靈敏的分析技術(shù)不斷出現(xiàn)各種表面靈敏的分析技術(shù)不斷出現(xiàn) 表面分析技術(shù)的發(fā)展與材料科學(xué)

2、的發(fā)展密切相表面分析技術(shù)的發(fā)展與材料科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，它們相互促進(jìn)：關(guān)，它們相互促進(jìn)： 八十年代，掃描探針顯微鏡八十年代，掃描探針顯微鏡SPM)SPM)的出現(xiàn)使的出現(xiàn)使資料表面科學(xué)的研究發(fā)生質(zhì)的飛躍；資料表面科學(xué)的研究發(fā)生質(zhì)的飛躍； LEEDLEED所用的所用的LaB6LaB6燈絲，燈絲，STMSTM中用來防振蕩的氟中用來防振蕩的氟化橡膠化橡膠Viton)Viton)，AFMAFM所用的探針等都是材料所用的探針等都是材料科學(xué)發(fā)展的新產(chǎn)物。科學(xué)發(fā)展的新產(chǎn)物。2022-2-8HNU-ZLP3“外表的概念外表的概念 過去，人們認(rèn)為固體的表面和體內(nèi)是完過去，人們認(rèn)為固體的表面和體內(nèi)是完全相同的，以為

3、研究它的整體性質(zhì)就可全相同的，以為研究它的整體性質(zhì)就可以知道它的表面性質(zhì)，但是，許多實(shí)驗(yàn)以知道它的表面性質(zhì)，但是，許多實(shí)驗(yàn)證明這種看法是錯(cuò)誤的；證明這種看法是錯(cuò)誤的； 關(guān)于關(guān)于“外表的概念也有一個(gè)發(fā)展過程，外表的概念也有一個(gè)發(fā)展過程，過去將過去將1 1個(gè)單位厚度看成個(gè)單位厚度看成“外表外表”，而現(xiàn)，而現(xiàn)在已把在已把1 1 個(gè)或幾個(gè)原子層厚度稱為個(gè)或幾個(gè)原子層厚度稱為“外外表表”，更厚一點(diǎn)則稱為，更厚一點(diǎn)則稱為“表層表層”。2022-2-8HNU-ZLP4表面分析方法的特點(diǎn)表面分析方法的特點(diǎn) 用一束用一束“粒子或某種手段作為探針來探測樣粒子或某種手段作為探針來探測樣品表面，探針可以是電子、離子、

4、光子、中性品表面，探針可以是電子、離子、光子、中性粒子、電場、磁場、熱或聲波機(jī)械力）；粒子、電場、磁場、熱或聲波機(jī)械力）； 在探針作用下，從樣品表面發(fā)射或散射粒子或在探針作用下，從樣品表面發(fā)射或散射粒子或波，它們可以是電子、離子、光子、中性粒子、波，它們可以是電子、離子、光子、中性粒子、電場、磁場、熱或聲波；電場、磁場、熱或聲波； 檢測這些發(fā)射粒子的能量、動(dòng)量、荷質(zhì)比、束檢測這些發(fā)射粒子的能量、動(dòng)量、荷質(zhì)比、束流強(qiáng)度等特征，或波的頻率、方向、強(qiáng)度、偏流強(qiáng)度等特征，或波的頻率、方向、強(qiáng)度、偏振等情況，就可獲得有關(guān)表面的信息。振等情況，就可獲得有關(guān)表面的信息。2022-2-8HNU-ZLP5探測探

5、測粒子粒子發(fā)射發(fā)射粒子粒子分析方法名稱分析方法名稱簡稱簡稱主要用途主要用途e ee e低能電子衍射低能電子衍射LEEDLEED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)e e反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射RHEEDRHEED結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)e e俄歇電子能譜俄歇電子能譜AESAES成份成份e e掃描俄歇探針掃描俄歇探針SAMSAM微區(qū)成份微區(qū)成份e e電離損失譜電離損失譜ILSILS成份成份 能量彌散能量彌散X X射線譜射線譜EDXSEDXS成份成份e e俄歇電子出現(xiàn)電勢譜俄歇電子出現(xiàn)電勢譜AEAPSAEAPS成份成份 軟軟X X射線出現(xiàn)電勢譜射線出現(xiàn)電勢譜SXAPSSXAPS成份成份e e消隱電勢譜消隱電勢譜DAPSDAPS成

6、份成份e e電子能量損失譜電子能量損失譜EELSEELS原子有電子態(tài)原子有電子態(tài)I I電子誘導(dǎo)脫附電子誘導(dǎo)脫附ESDESD吸收原子態(tài)及成份吸收原子態(tài)及成份e e透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡TEMTEM形貌形貌e e掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡SEMSEM形貌形貌e e掃描透射電子顯微鏡掃描透射電子顯微鏡STEMSTEM形貌形貌2022-2-8HNU-ZLP6探測探測粒子粒子發(fā)射發(fā)射粒子粒子分析方法名稱分析方法名稱簡稱簡稱主要用途主要用途 e eX X射線光電子譜射線光電子譜XPSXPS成份成份e e紫外線光電子譜紫外線光電子譜UPSUPS分子及固體的電子態(tài)分子及固體的電子態(tài)e e同步輻射光電子

7、譜同步輻射光電子譜SRPESSRPES成份、原子及電子態(tài)成份、原子及電子態(tài) 紅外吸收譜紅外吸收譜IRIR原子態(tài)原子態(tài) 拉曼散射譜拉曼散射譜RAMANRAMAN原子態(tài)原子態(tài) 表面靈敏擴(kuò)展表面靈敏擴(kuò)展X X射射線吸收譜細(xì)致結(jié)構(gòu)線吸收譜細(xì)致結(jié)構(gòu)SEXAFSSEXAFS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 角分辨光電子譜角分辨光電子譜ARPESARPES原子及電子態(tài)、結(jié)構(gòu)原子及電子態(tài)、結(jié)構(gòu)I I光子誘導(dǎo)脫附光子誘導(dǎo)脫附PSDPSD原子態(tài)原子態(tài)e電子電子 光子光子 I離子離子2022-2-8HNU-ZLP7 表中僅列出了探測粒子為電子和光子的表中僅列出了探測粒子為電子和光子的常用表面分析方法。常用表面分析方法。 此外還有離子、中性

8、粒子、電場、熱、此外還有離子、中性粒子、電場、熱、聲波等各種探測手段。聲波等各種探測手段。 這些方法各有其特點(diǎn)，而沒有萬能的方這些方法各有其特點(diǎn)，而沒有萬能的方法，針對具體情況，我們可以選擇其中法，針對具體情況，我們可以選擇其中一種或綜合多種方法來分析。一種或綜合多種方法來分析。2022-2-8HNU-ZLP84.2 X4.2 X射線光電子能譜射線光電子能譜XPSXPS）2022-2-8HNU-ZLP9一、基本原理一、基本原理 X X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，物質(zhì)吸收了射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，物質(zhì)吸收了X X射線的能射線的能量并使原子中內(nèi)層電子脫離原子成為自由電子，量并使原子中內(nèi)層電子脫離原子成為自

9、由電子，即即X X光電子，如圖。光電子，如圖。 對于氣體分子，對于氣體分子，X X射線能量射線能量h h用于三部分：用于三部分： 一部分用于克服電子的結(jié)合能一部分用于克服電子的結(jié)合能EbEb，使其激發(fā)為自，使其激發(fā)為自由的光電子；由的光電子； 一部分轉(zhuǎn)移至光電子，使其具有一定的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)移至光電子，使其具有一定的動(dòng)能EkEk； 一部分成為原子的反沖能一部分成為原子的反沖能ErEr。 那么那么 h h Eb Eb Ek Ek Er Er2022-2-8HNU-ZLP102022-2-8HNU-ZLP11 對于固體樣品，對于固體樣品，X X射線能量用于：射線能量用于： 內(nèi)層電子躍遷到費(fèi)米能級，即

10、克服該電內(nèi)層電子躍遷到費(fèi)米能級，即克服該電子的結(jié)合能子的結(jié)合能EbEb； 電子由費(fèi)米能級進(jìn)入真空，成為靜止電電子由費(fèi)米能級進(jìn)入真空，成為靜止電子，即克服功函數(shù)子，即克服功函數(shù) ； 自由電子的動(dòng)能自由電子的動(dòng)能Ek Ek 。 那么那么 h h Eb Eb Ek Ek 2022-2-8HNU-ZLP12 當(dāng)樣品置于儀器中的樣品架上時(shí)，樣品與儀器樣品架材當(dāng)樣品置于儀器中的樣品架上時(shí)，樣品與儀器樣品架材料之間將產(chǎn)生接觸電勢，這是由于二者的功函數(shù)不同所料之間將產(chǎn)生接觸電勢，這是由于二者的功函數(shù)不同所致，假設(shè)致，假設(shè) ，那么：，那么： 此電勢將加速電子的運(yùn)動(dòng)，使自由電子的動(dòng)能從此電勢將加速電子的運(yùn)動(dòng)，使自

11、由電子的動(dòng)能從EkEk增加增加到到EkEk Ek Ek Ek Ek h h Eb Eb Ek Ek Eb Eb h h Ek Ek 式中式中 是儀器的功函數(shù)，是一定值，約為是儀器的功函數(shù)，是一定值，約為4eV4eV， h h為實(shí)驗(yàn)時(shí)選用的為實(shí)驗(yàn)時(shí)選用的X X射線能量為已知，通過精確測量光射線能量為已知，通過精確測量光電子的動(dòng)能電子的動(dòng)能Ek Ek ，即能計(jì)算出，即能計(jì)算出Eb Eb 。V2022-2-8HNU-ZLP132022-2-8HNU-ZLP14 各種原子、分子軌道的電子結(jié)合能是一定的，各種原子、分子軌道的電子結(jié)合能是一定的，據(jù)此可鑒別各種原子和分子，即可進(jìn)行定性分據(jù)此可鑒別各種原子和

12、分子，即可進(jìn)行定性分析。析。 光電子能譜的譜線常以被激發(fā)電子所在能級來光電子能譜的譜線常以被激發(fā)電子所在能級來表示，如表示，如K K層激發(fā)出來的電子稱為層激發(fā)出來的電子稱為1s1s光電子，光電子，L L層激發(fā)出來的光電子分別記為層激發(fā)出來的光電子分別記為2s,2p1/2,2p3/22s,2p1/2,2p3/2電子等等。電子等等。 X X射線光電子能譜的有效探測深度，對于金屬射線光電子能譜的有效探測深度，對于金屬和金屬氧化物是和金屬氧化物是0.50.52.5nm,2.5nm,對有機(jī)物和聚合對有機(jī)物和聚合材料一般是材料一般是4 410nm10nm。2022-2-8HNU-ZLP15二、二、XPSX

13、PS的應(yīng)用的應(yīng)用 化學(xué)分析化學(xué)分析 元素成份分析：元素成份分析： 可測定除氫以外的全部元素，對物可測定除氫以外的全部元素，對物質(zhì)的狀態(tài)沒有選擇，樣品需要量很少，質(zhì)的狀態(tài)沒有選擇，樣品需要量很少，可少至可少至10-8 g10-8 g，而靈敏度可高達(dá)，而靈敏度可高達(dá)10-18 g10-18 g，相對精度有相對精度有1 1，因此特別適于作痕量元，因此特別適于作痕量元素的分析；素的分析； 元素定量分析：元素定量分析： 從光電子能譜測得的信號是該物質(zhì)從光電子能譜測得的信號是該物質(zhì)含量或相應(yīng)濃度的函數(shù)，在譜圖上它表含量或相應(yīng)濃度的函數(shù)，在譜圖上它表示為光電子峰的面積。目前雖有幾種示為光電子峰的面積。目前雖

14、有幾種XPSXPS定量分析的模型，但影響定量分析的因定量分析的模型，但影響定量分析的因素相當(dāng)復(fù)雜。素相當(dāng)復(fù)雜。2022-2-8HNU-ZLP16 表面污染分析表面污染分析 由于不同元素在由于不同元素在XPS中會(huì)有各自的特征光中會(huì)有各自的特征光譜，如果表面存在譜，如果表面存在C、O或其它污染物質(zhì)，或其它污染物質(zhì)，會(huì)在所分析的物質(zhì)會(huì)在所分析的物質(zhì)XPS光譜中顯示出來，光譜中顯示出來，加上加上XPS表面靈敏性，就可以對表面清潔表面靈敏性，就可以對表面清潔程度有個(gè)大致的了解；程度有個(gè)大致的了解； 下圖是下圖是Zr樣品的樣品的XPS圖譜，可以看出表圖譜，可以看出表面存在面存在C、O、Ar等雜質(zhì)污染。等雜

15、質(zhì)污染。2022-2-8HNU-ZLP172022-2-8HNU-ZLP18 化學(xué)位移上的應(yīng)用化學(xué)位移上的應(yīng)用 不同的化學(xué)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致核外層電子結(jié)合不同的化學(xué)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致核外層電子結(jié)合能的不同，這在能的不同，這在XPS中表現(xiàn)為譜峰位置中表現(xiàn)為譜峰位置的移動(dòng)，通過測量譜峰位置的移動(dòng)多少的移動(dòng)，通過測量譜峰位置的移動(dòng)多少及結(jié)合半峰寬，可以估計(jì)其氧化態(tài)及配及結(jié)合半峰寬，可以估計(jì)其氧化態(tài)及配位原子數(shù)；位原子數(shù)； 下圖是下圖是Cu的的XPS光電子能譜圖，顯示光電子能譜圖，顯示了不同氧化態(tài)了不同氧化態(tài)Cu的譜峰精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以的譜峰精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以看出，不同氧化態(tài)的銅，其譜峰位置、看出，不同氧化態(tài)的銅，其譜峰位置

16、、形狀及半峰寬都有明顯的變化。形狀及半峰寬都有明顯的變化。2022-2-8HNU-ZLP192022-2-8HNU-ZLP20實(shí)例實(shí)例1 1：木乃伊所用的顏料：木乃伊所用的顏料XPSXPS分析分析2022-2-8HNU-ZLP214.3 4.3 俄歇電子能譜俄歇電子能譜AES)AES)2022-2-8HNU-ZLP22 電子躍遷過程電子躍遷過程 原子的內(nèi)層電子被擊出后，處于激發(fā)態(tài)的原原子的內(nèi)層電子被擊出后，處于激發(fā)態(tài)的原子恢復(fù)到基態(tài)有兩種互相競爭的過程：子恢復(fù)到基態(tài)有兩種互相競爭的過程： 1 1發(fā)射發(fā)射X X射線熒光；射線熒光； 2 2發(fā)射俄歇電子；發(fā)射俄歇電子； 俄歇電子發(fā)射過程：原子內(nèi)層電

17、子空位被較俄歇電子發(fā)射過程：原子內(nèi)層電子空位被較外層電子填入時(shí)，多余的能量以無輻射弛豫外層電子填入時(shí)，多余的能量以無輻射弛豫傳給另一個(gè)電子，并使之發(fā)射；傳給另一個(gè)電子，并使之發(fā)射； 俄歇電子常用俄歇電子常用X X射線能線來表示，如射線能線來表示，如KLLKLL俄歇電子表示最初俄歇電子表示最初K K能級電子被擊出，能級電子被擊出，LL能能級上的一個(gè)電子填入級上的一個(gè)電子填入K K層空位，多余的能量層空位，多余的能量傳給傳給LL能級上的一個(gè)電子并使之發(fā)射出來。能級上的一個(gè)電子并使之發(fā)射出來。俄歇躍遷通常有三個(gè)能級參與，至少涉及兩俄歇躍遷通常有三個(gè)能級參與，至少涉及兩個(gè)能級，所以第一周期的元素不能產(chǎn)

18、生俄歇個(gè)能級，所以第一周期的元素不能產(chǎn)生俄歇電子。電子。2022-2-8HNU-ZLP232022-2-8HNU-ZLP24 俄歇電子產(chǎn)額俄歇電子產(chǎn)額 俄歇電子和俄歇電子和X X熒光產(chǎn)生幾率是互相關(guān)聯(lián)和熒光產(chǎn)生幾率是互相關(guān)聯(lián)和競爭的，對于競爭的，對于K K型躍遷：型躍遷： 俄歇電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化如圖。俄歇電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化如圖。 對于對于Z Z1414的元素，采用的元素，采用KLLKLL電子來鑒定；電子來鑒定； 對于對于Z14Z14的元素，采用的元素，采用LMMLMM電子較合適；電子較合適； 對于對于Z Z4242的元素，選用的元素，選用MNNMNN和和MNOMNO電子為電子為佳。

19、佳。俄歇電子產(chǎn)額熒光產(chǎn)額，K 1KKK2022-2-8HNU-ZLP252022-2-8HNU-ZLP26 俄歇電子能量俄歇電子能量 俄歇電子的動(dòng)能可通過俄歇電子的動(dòng)能可通過X X射線能級來射線能級來估算，如估算，如KLLKLL俄歇電子的能俄歇電子的能為：為： ， 但這種表示并不嚴(yán)格，因?yàn)榈@種表示并不嚴(yán)格，因?yàn)長L、LL都是指單電離狀態(tài)的能量，發(fā)生俄歇躍遷都是指單電離狀態(tài)的能量，發(fā)生俄歇躍遷后原子的狀態(tài)是雙重電離的，當(dāng)后原子的狀態(tài)是雙重電離的，當(dāng)LL電子不電子不在時(shí)，在時(shí)， L L電子的結(jié)合能自然要增加。一電子的結(jié)合能自然要增加。一般地，對于凝聚態(tài)物質(zhì)，俄歇電子的能量般地，對于凝聚態(tài)物質(zhì)，俄

20、歇電子的能量應(yīng)為：應(yīng)為：21LLKEEE為儀器的功函數(shù)之間值在）之間，實(shí)測和（值介于A212143211)()()()()(ZZZZEZEZEZEALLKLKL2022-2-8HNU-ZLP27 俄歇電子的逸出深度：俄歇電子的逸出深度： 1 11010 俄歇電子峰的寬度：俄歇電子峰的寬度： 取決于自然寬度和躍遷時(shí)所涉及到取決于自然寬度和躍遷時(shí)所涉及到的能級本身的寬度，一般從幾個(gè)電子伏特的能級本身的寬度，一般從幾個(gè)電子伏特到到1010電子伏特以上。電子伏特以上。2022-2-8HNU-ZLP28AESAES與與XPSXPS的比較的比較性能參數(shù)性能參數(shù)XPSXPSAESAES鑒別種類與靈敏度鑒別種

21、類與靈敏度強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)空間分辨率空間分辨率弱弱強(qiáng)強(qiáng)表面無損度表面無損度強(qiáng)強(qiáng)弱弱定量分析定量分析強(qiáng)強(qiáng)弱弱化學(xué)位移化學(xué)位移強(qiáng)強(qiáng)弱弱分析速度分析速度弱弱強(qiáng)強(qiáng)2022-2-8HNU-ZLP294.4 4.4 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡STMSTM） 和原子力顯微鏡和原子力顯微鏡AFMAFM）2022-2-8HNU-ZLP30一、引言一、引言 19811981年，年，BiningBining和和RohrerRohrer發(fā)明掃描隧道顯微鏡發(fā)明掃描隧道顯微鏡Scanning Tunnelling MicroscopeScanning Tunnelling MicroscopeSTMSTM），），1986198

22、6年獲諾貝爾獎(jiǎng)；年獲諾貝爾獎(jiǎng)； 隨后，相繼出現(xiàn)了許多與隨后，相繼出現(xiàn)了許多與STMSTM技術(shù)相似的新型掃技術(shù)相似的新型掃描探針顯微鏡，如描探針顯微鏡，如BinningBinning，QuateQuate和和GerberGerber在在STMSTM的基礎(chǔ)上發(fā)明了原子力顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)明了原子力顯微鏡AFMAFM）；）； 掃描探針顯微鏡簡稱掃描探針顯微鏡簡稱SPMSPM，它不采用物鏡來成象，它不采用物鏡來成象，而是利用尖銳的傳感器探針在表面上方掃描來檢而是利用尖銳的傳感器探針在表面上方掃描來檢測樣品表面的一些性質(zhì)；測樣品表面的一些性質(zhì)；2022-2-8HNU-ZLP31 不同類型的不同類型的SPM

23、SPM主要是針尖特性及其相主要是針尖特性及其相應(yīng)應(yīng)“針尖樣品間相互作用的不同，針尖樣品間相互作用的不同， 包括：包括： 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡STM)STM) 原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM)AFM) 摩擦力顯微鏡摩擦力顯微鏡LFM)LFM) 磁力顯微鏡磁力顯微鏡MFM)MFM) 掃描近場光學(xué)顯微鏡掃描近場光學(xué)顯微鏡SNOM)SNOM) 彈道電子發(fā)射顯微鏡彈道電子發(fā)射顯微鏡BEEM)BEEM)2022-2-8HNU-ZLP32 SPM SPM對樣品表面各類微觀起伏特別敏對樣品表面各類微觀起伏特別敏感，即具有優(yōu)異的縱向分辨本領(lǐng)，其橫感，即具有優(yōu)異的縱向分辨本領(lǐng)，其橫向分辨率也優(yōu)于透射電鏡及

24、場離子顯微向分辨率也優(yōu)于透射電鏡及場離子顯微鏡。鏡。 各種顯微鏡的主要性能指標(biāo)如下表：各種顯微鏡的主要性能指標(biāo)如下表：2022-2-8HNU-ZLP33 顯微鏡顯微鏡類類 型型分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)工作條件工作條件工作溫度工作溫度樣品樣品損傷損傷分析深度分析深度人眼人眼0.2mm0.2mm光學(xué)顯微光學(xué)顯微鏡鏡0.20.2 m mSEMSEM（二次（二次電子）電子）橫向：橫向：6nm6nm高真空高真空低溫、室低溫、室溫、高溫溫、高溫輕微輕微損傷損傷1 1 m m縱向：較低縱向：較低TEMTEM橫向：點(diǎn)橫向：點(diǎn)3 35 5 ，線，線1 12 2 高真空高真空低溫、室低溫、室溫、高溫溫、高溫中等中等程度程

25、度損傷損傷1000 1000 ( (樣品厚樣品厚度）度）縱向：很差縱向：很差FIMFIM橫向：橫向：2 2 超高真空超高真空3080K3080K嚴(yán)重嚴(yán)重?fù)p傷損傷1 1個(gè)原子個(gè)原子層層STMSTM橫向：橫向：1 1 空氣、溶空氣、溶液、真空液、真空低溫、室低溫、室溫、高溫溫、高溫?zé)o損無損傷傷1212個(gè)原個(gè)原子層子層縱向：縱向：0.1 0.1 2022-2-8HNU-ZLP34二、掃描隧道顯微鏡二、掃描隧道顯微鏡STM)STM)2022-2-8HNU-ZLP35基本原理基本原理 STMSTM的理論基礎(chǔ)是隧道效應(yīng)。的理論基礎(chǔ)是隧道效應(yīng)。 對于一種對于一種“金屬絕緣體金屬金屬絕緣體金屬”（MIM)MI

26、M)構(gòu)造，當(dāng)絕緣層足夠薄時(shí)，就可構(gòu)造，當(dāng)絕緣層足夠薄時(shí)，就可以發(fā)生隧道效應(yīng)。隧道電流以發(fā)生隧道效應(yīng)。隧道電流I I是電極距是電極距離和所包含的電子態(tài)的函數(shù)。離和所包含的電子態(tài)的函數(shù)。2022-2-8HNU-ZLP36STMSTM就是根據(jù)上述原理而設(shè)計(jì)的。就是根據(jù)上述原理而設(shè)計(jì)的。工作時(shí)，首先在被觀察樣品和針尖之工作時(shí)，首先在被觀察樣品和針尖之間施加一個(gè)電壓，調(diào)整二者之間的距離間施加一個(gè)電壓，調(diào)整二者之間的距離使之產(chǎn)生隧道電流，隧道電流表征樣品使之產(chǎn)生隧道電流，隧道電流表征樣品表面和針尖處原子的電子波重疊程度，表面和針尖處原子的電子波重疊程度，在一定程度上反映樣品表面的高低起伏在一定程度上反映樣

27、品表面的高低起伏輪廓。輪廓。2022-2-8HNU-ZLP37STMSTM工作模式工作模式 恒電流模式恒電流模式CCI)CCI)：當(dāng)針尖在表面掃描時(shí)，：當(dāng)針尖在表面掃描時(shí)，反饋電流會(huì)調(diào)節(jié)針尖與表面的高度，使得反饋電流會(huì)調(diào)節(jié)針尖與表面的高度，使得在針尖與樣品之間的隧道電流守恒。在針尖與樣品之間的隧道電流守恒。 它是目前應(yīng)用最廣最重要的一種方式，一它是目前應(yīng)用最廣最重要的一種方式，一般用于樣品表面起伏較大時(shí)，如進(jìn)行組織般用于樣品表面起伏較大時(shí)，如進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析時(shí)。其缺點(diǎn)在于反饋電路的反應(yīng)結(jié)構(gòu)分析時(shí)。其缺點(diǎn)在于反饋電路的反應(yīng)時(shí)間是一定的，這就限制了掃描速度與數(shù)時(shí)間是一定的，這就限制了掃描速度與數(shù)據(jù)

28、采集時(shí)間。據(jù)采集時(shí)間。2022-2-8HNU-ZLP38恒高度模式恒高度模式CHICHI）：針尖在表面掃描，）：針尖在表面掃描，直接探測隧道電流，再將其轉(zhuǎn)化為表面形直接探測隧道電流，再將其轉(zhuǎn)化為表面形狀的圖象。它僅適用于表面非常平滑的材狀的圖象。它僅適用于表面非常平滑的材料。料。2022-2-8HNU-ZLP39STMSTM應(yīng)用應(yīng)用STMSTM的主要功能是在原子級水平上分析表面形的主要功能是在原子級水平上分析表面形貌和電子態(tài)，后者包括表面能級性質(zhì)、表面態(tài)密分貌和電子態(tài)，后者包括表面能級性質(zhì)、表面態(tài)密分布、表面電荷密度分布和能量分布。布、表面電荷密度分布和能量分布。主要應(yīng)用領(lǐng)域：主要應(yīng)用領(lǐng)域：表

29、征催化劑表面結(jié)構(gòu)；表征催化劑表面結(jié)構(gòu)；人工制造亞微米和納米級表面立體結(jié)構(gòu)；人工制造亞微米和納米級表面立體結(jié)構(gòu)；研究高聚物；研究高聚物；研究生物學(xué)和醫(yī)學(xué)；研究生物學(xué)和醫(yī)學(xué)；原位研究電化學(xué)電積；原位研究電化學(xué)電積；研究碳、石墨等表面結(jié)構(gòu)；研究碳、石墨等表面結(jié)構(gòu)；研究半導(dǎo)體表面、界面效應(yīng)及電子現(xiàn)象；研究半導(dǎo)體表面、界面效應(yīng)及電子現(xiàn)象；研究高溫超導(dǎo)體；研究高溫超導(dǎo)體；研究材料中的新結(jié)構(gòu)和新效應(yīng)。研究材料中的新結(jié)構(gòu)和新效應(yīng)。2022-2-8HNU-ZLP40三、原子力顯微鏡三、原子力顯微鏡AFM)AFM)2022-2-8HNU-ZLP41基本原理基本原理 AFMAFM是使用一個(gè)一端固定而另一端裝有針尖的

30、彈性微懸臂來是使用一個(gè)一端固定而另一端裝有針尖的彈性微懸臂來檢測樣品表面形貌的。檢測樣品表面形貌的。 當(dāng)樣品在針尖下面掃描時(shí)，同距離有關(guān)的當(dāng)樣品在針尖下面掃描時(shí)，同距離有關(guān)的“針尖樣品相針尖樣品相互作用力既可能是引力，也可能是排斥力），就會(huì)引起微互作用力既可能是引力，也可能是排斥力），就會(huì)引起微懸臂的形變，也就是說，微懸臂的形變是對懸臂的形變，也就是說，微懸臂的形變是對“樣品針尖樣品針尖相互作用的直接測量；相互作用的直接測量； 控制針尖或樣品的控制針尖或樣品的Z Z軸位置，利用激光束的反射來檢測微懸軸位置，利用激光束的反射來檢測微懸臂的形變，即使小于臂的形變，即使小于0.01nm0.01nm的

31、微懸臂形變也可檢測，只要用的微懸臂形變也可檢測，只要用激光束將它反射到光電檢測器后，變成了激光束將它反射到光電檢測器后，變成了3 310nm10nm的激光點(diǎn)的激光點(diǎn)位移，由此產(chǎn)生一定的電壓變化，通過測量檢測器電壓對應(yīng)位移，由此產(chǎn)生一定的電壓變化，通過測量檢測器電壓對應(yīng)樣品掃描位置的變化，就可得到樣品的表面形貌圖象。樣品掃描位置的變化，就可得到樣品的表面形貌圖象。2022-2-8HNU-ZLP422022-2-8HNU-ZLP43AFMAFM操作模式操作模式2022-2-8HNU-ZLP44 接觸式接觸式contact mode)contact mode)： 針尖始終同樣品接觸并在表面滑動(dòng)，針尖

32、樣品針尖始終同樣品接觸并在表面滑動(dòng)，針尖樣品間的相互作用力是兩者互相接觸的原子中電子間間的相互作用力是兩者互相接觸的原子中電子間存在的庫侖排斥力，其大小通常為存在的庫侖排斥力，其大小通常為10108 8101011 N11 N，AFMAFM中樣品表面形貌圖象通常是采用這種中樣品表面形貌圖象通常是采用這種排斥力模式獲得的。排斥力模式獲得的。 接觸式通常可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖象，但對于低接觸式通?？僧a(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖象，但對于低彈性模量樣品，針尖的移動(dòng)以及針尖表面間的彈性模量樣品，針尖的移動(dòng)以及針尖表面間的粘附力有可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形并對針尖粘附力有可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形并對針尖產(chǎn)生較大的

33、損害，從而在圖象數(shù)據(jù)中可能產(chǎn)生假產(chǎn)生較大的損害，從而在圖象數(shù)據(jù)中可能產(chǎn)生假象。象。2022-2-8HNU-ZLP45 非接觸式非接觸式noncontact mode)noncontact mode)： 針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣針尖在樣品表面的上方振動(dòng)，始終不與樣品表面接觸，針尖探測器檢測的是范德瓦品表面接觸，針尖探測器檢測的是范德瓦耳斯吸引力和靜電力等，對樣品沒有破壞耳斯吸引力和靜電力等，對樣品沒有破壞的長程作用力；的長程作用力； 非接觸模式可增加顯微鏡的靈敏度，但分非接觸模式可增加顯微鏡的靈敏度，但分辨率要比接觸模式低，且實(shí)際操作比較困辨率要比接觸模式低，且實(shí)際操作比較困難。難。

34、2022-2-8HNU-ZLP46 輕敲式輕敲式tapping mode)tapping mode)： 它是介于接觸式和非接觸式之間新發(fā)展起它是介于接觸式和非接觸式之間新發(fā)展起來的成象技術(shù)。來的成象技術(shù)。 在掃描過程中微懸臂是振蕩的，并具有較在掃描過程中微懸臂是振蕩的，并具有較大的振幅，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接大的振幅，針尖在振蕩時(shí)間斷地與樣品接觸；觸； 由于針尖同樣品接觸，其分辨率通常幾乎由于針尖同樣品接觸，其分辨率通常幾乎與接觸式一樣好，但因?yàn)榻佑|是非常短暫與接觸式一樣好，但因?yàn)榻佑|是非常短暫的，剪切力引起的破壞幾乎完全消失。目的，剪切力引起的破壞幾乎完全消失。目前，輕敲模式已經(jīng)應(yīng)用到液

35、體成象。前，輕敲模式已經(jīng)應(yīng)用到液體成象。2022-2-8HNU-ZLP47AFMAFM應(yīng)用應(yīng)用 AFMAFM的主要功能同的主要功能同STMSTM一樣。一樣。 一般而言，一般而言，STMSTM適于研究導(dǎo)體類樣品，適于研究導(dǎo)體類樣品，而難于研究絕緣樣品；而難于研究絕緣樣品； 由此發(fā)展起來的由此發(fā)展起來的AFMAFM克服了克服了STMSTM的局限的局限性，對導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品都適用；性，對導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品都適用； 由于工作原理和儀器結(jié)構(gòu)不同，由于工作原理和儀器結(jié)構(gòu)不同，AFMAFM分辨本分辨本領(lǐng)要略低于領(lǐng)要略低于STMSTM，且靈敏度和穩(wěn)定性均不如，且靈敏度和穩(wěn)定性均不如STMSTM。2022-2-8

36、HNU-ZLP48Visco-elasticityFriction ForceAdhesive ForceGlass trans.PhaseHardnessVE-AFM/DFMFFM/LM-FFMPMAdhesionMaterial Characterization using SPM2022-2-8HNU-ZLP49Biology and Biomaterials Applications for Contact Lens Manufacturing Applications for the Biological Sciences Direct Measurement of single I

37、mmunocomplex Formation High Resolution Imaging of Biological Samples by SPM Materials Science Electrical Testing Application Modules for Nano Scope Surface Potential Imaging and Surface Electric Modification Studies of Metallic Surfaces and Microstructures Engineering Low Scatter Thin Film Optics El

38、ectrochemical Applications Nanoindentation, Scratching and Wear TestingApplications of AFM2022-2-8HNU-ZLP50Polymers high-resolution profiling of surface morphology, nanostructure, and molecular orderstudies of local materials propertiescompositional mapping of heterogeneous samples probing of sub-su

39、rface sample structureSemiconductors Atomic Force Profilometry for Characterzation of Chemical Mechanical Planarization Scanning Capacitance Microscopy for Carrier Profiling in Semiconductors Atomic Force Microscopy Measurements in Support of Chemical Mechanical Polishing (CMP) IC Failure Analysis a

40、nd Defect Inspection with SPM Data Storage Magnetic Force Microscopy: High-Resolution Imaging for Data Storage Applications of Atomic Force Microscopy in Optical Disc Technology 2022-2-8HNU-ZLP51Phase Separation StructureABS resinPC/AES alloyPC/ABS alloyABS/PVC alloy etcLamella Structure LD-, MD-, H

41、D- Polyethylene Linear LD Polyethylene UH Molecular Weight PE Polypropylene etcNext Generation Conducting Polymer Organic EL Biodegradable Polymer etcThermoplastic Elastomer Styrene Butadiene- Polyester- Polyvinyl Chloride- etcSPM Application in Polymer Material2022-2-8HNU-ZLP52Studies of Polymer Su

42、rfaces with AFM研究內(nèi)容：高分子形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、研究內(nèi)容：高分子形態(tài)、納米結(jié)構(gòu)、 鏈堆砌和構(gòu)象等鏈堆砌和構(gòu)象等手段：手段：Contact Mode AFMLFMTapping Mode2022-2-8HNU-ZLP53 high-resolution profiling of surface morphology, nanostructure, and molecular order studies of local materials properties compositional mapping of heterogeneous samples probing of sub

43、-surface sample structure2022-2-8HNU-ZLP54【 【Purpose】 】 Distribution of the characteristics change in the polymer surface can be observed. 【 【Principle】 】Detecting the phase change in DFM measurement【 【Advantage】 】Simultaneous imaging with DFMSame advantage as DFM for the soft or charged surface. (w

44、hich is difficult to apply LM-FFM or VE-AFM)Topography）PM image）Material CharacterizationDFMPM （ （Phase mode measurementObserved image of theheat shrinkage rubber（resin/silicon rubber）resinsiliconrubber2022-2-8HNU-ZLP55Heating/Cooling Heating/Cooling Structure and Function of PolymerMorphology obser

45、vation with SPM Observation in the heating process with the airSurface and Interface InformationObservation in the inert gasDifficult sample for TEM Rubber/Rubber blend） ）2022-2-8HNU-ZLP56100 nm100 nmTopographyPM imagePP （ （matrix） ）EPRData No. Lamella structure of PolypropylenePhase PM： ：Phase Mode

46、 measurement Structure and Function of Polymer Lamella structure can be observed clearly with PM mode.Lamella structure can be observed clearly with PM mode.Domain of Ethylene Propylene Rubber (EPR) is distributed in the Polypropylene (PP) matrix.Domain of Ethylene Propylene Rubber (EPR) is distributed in the Polypropylene (PP) matrix