第二章-電子材料的分析與表征

第二章電子材料的分析和表征電子材料化學(xué)成分分析方法電子材料結(jié)構(gòu)分析方法電子材料的顯微分析方法電子材料表面界面分析技術(shù)

掃描探針技術(shù)熱分析技術(shù)2回顧掌握：單晶體與多晶體有何區(qū)別和聯(lián)系？什么是晶體缺陷以及晶體缺陷的種類？什么是點(diǎn)缺陷和線缺陷？各自有哪些類別？準(zhǔn)晶體和晶體有什么區(qū)別和聯(lián)系？什么是晶界和相界？了解：電子材料的表面與特征。

研究材料就是通過改變材料的組成、結(jié)構(gòu)、組織，來達(dá)到提高和改善材料的使用性能的目的?？捎貌牧纤拿骟w來形象的進(jìn)行描述：使用性能化學(xué)組成晶體結(jié)構(gòu)顯微組織第二章電子材料的分析和表征3

電子材料在使用前后和研制過程中，需要對其成分、結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷和表面界面等進(jìn)行各種分析，以確定材料的基本性能和工藝對材料性能的影響。本章介紹一些常用的材料微觀分析和表征方法。何為表征與分析？第二章電子材料的分析和表征45材料信號輸入信號輸出材料與輸入信號相互作用，產(chǎn)生輸出信號。比較輸入和輸出信號，獲取材料的相關(guān)信息。1、輸入什么信號；2、獲取什么信號；3、輸入信號與材料的相互作用，以及輸出信號的產(chǎn)生過程。材料分析方法的理論依據(jù)（重點(diǎn)）第二章電子材料的分析和表征6信號輸入信號輸出X-射線、光子、電子、離子束、中子材料掌握和靈活運(yùn)用常見的表征手段。X-射線、光子、電子、離子束、中子第二章電子材料的分析和表征第二章電子材料的分析和表征1、電子材料結(jié)構(gòu)分析方法2、組織形貌分析3、成份和價健分析4、分子結(jié)構(gòu)分析5、熱分析

現(xiàn)代材料分析的主要內(nèi)容第二章電子材料的分析和表征81.結(jié)構(gòu)分析

是指利用衍射的方法探測晶格類型和晶胞常數(shù)，確定物質(zhì)的相結(jié)構(gòu)。

X-射線衍射(XRD)

電子衍射(ED)

中子衍射(ND)利用電磁波或運(yùn)動電子束、中子束，與材料內(nèi)部規(guī)則排列的原子作用產(chǎn)生相干散射，獲得攜帶材料內(nèi)部原子排列信息的衍射斑點(diǎn)，重組出物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。第二章電子材料的分析和表征92.組織形貌分析

微觀結(jié)構(gòu)的分析對于理解材料的本質(zhì)至關(guān)重要光學(xué)顯微鏡(OM)電子顯微鏡(SEM，TEM)掃描探針顯微鏡(STM，AFM)電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生各種物理信號，分析物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。第二章電子材料的分析和表征10第二章電子材料的分析和表征11第二章電子材料的分析和表征大部分手段都是基于核外電子的能級分布反應(yīng)了原子的特征信息。利用不同的入射波激發(fā)核外電子，使之發(fā)生層間躍遷，在此過程中產(chǎn)生元素的特征信息。3.成分和價鍵分析

按照出射信號的不同，成分分析手段可以分為兩類：

X光譜和電子能譜，出射信號分別是X射線和電子。

X射線熒光光譜(XFS)，

電子探針X射線顯微分析(EPMA) X射線光電子能譜(XPS)，

俄歇電子能譜(AES)12第二章電子材料的分析和表征4.分子結(jié)構(gòu)分析利用電磁波與分子鍵和原子核的作用，獲得分子結(jié)構(gòu)信息。（分子立體結(jié)構(gòu)、分子形狀、分子幾何-原子的三維排列方式；反應(yīng)性、極性、相態(tài)、顏色、磁性和生物活性）分子光譜，如：紅外

(IR)，拉曼(Raman)，熒光光譜(PL)利用電磁波與分子鍵作用時的發(fā)射效應(yīng)；核磁共振(NMR)是利用原子核與電磁波的作用獲得分子結(jié)構(gòu)信息。13第二章電子材料的分析和表征14熱分析方法包括：差熱分析法（DTA）、示差掃描量熱法（DSC）和熱重分析法（TGA），與XRD、IR配合可進(jìn)行以下研究：5.熱分析表面成鍵或非成鍵有機(jī)基團(tuán)或其它物質(zhì)的存在與否、含量、熱失溫度；表面吸附能力的強(qiáng)弱與粒徑的關(guān)系；升溫過程中粒徑的變化；升溫過程中的相轉(zhuǎn)變及晶化情況。

指在程序控溫和一定氣氛條件下，測量試樣的物理性質(zhì)隨溫度或時間變化的一種技術(shù)。141.X射線簡介X射線是一種電磁波。肉眼看不見，但可以使某些材料（如鉑氰化鋇）發(fā)生可見熒光；

頻率很高，大于紫外線，小于伽瑪γ射線。波長很短，約為0.01~10nm之間；沿直線傳播，傳播方向不受電磁場的影響；具有很強(qiáng)的穿透能力；

穿過物質(zhì)時，可被偏振化，并被物質(zhì)吸收而使強(qiáng)度衰減；

能使空氣或其他氣體電離；

能殺傷生物細(xì)胞、對人體有害等。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法15X射線的發(fā)現(xiàn)于1895年，由德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)，故又稱倫琴射線。當(dāng)時倫琴在做一個放電實(shí)驗(yàn)，陰極管發(fā)出電子加速后轟擊金屬靶，他偶然發(fā)現(xiàn)了這種能穿過密封裝置的射線。雖然這種射線肉眼直接看不到，卻可以讓氰亞鉑酸鋇等物質(zhì)感光。這種射線竟然能夠完全穿透書本、木板，不留陰影，只有穿過較厚的金屬板才能留下陰影。這讓他感到很興奮。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法16X射線的發(fā)現(xiàn)倫琴很晚也沒有回家，于是他的妻子來實(shí)驗(yàn)室看他，當(dāng)時倫琴要求他的妻子用手捂住照相底片，就得到了這張戴有戒指的手指骨頭的影像。不過當(dāng)時倫琴還不知道它是什么射線，X表示未知，于是取名“X射線”。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法17X射線的簡介X射線可以用于醫(yī)學(xué)成像診斷，例如常見的胸透。這是由于當(dāng)X射線與原子撞擊后，原子中電子躍遷至較高電子軌態(tài)，而原子吸收X射線能量。一般來說，較大的原子有較大機(jī)會吸收X射線。人體的骨頭比軟組織含較多的鈣離子，因而骨頭比軟組織吸收較多X射線。并且X射線照射到某些化合物如鉑氰化鋇時，可使物質(zhì)感光。因此，X射線可以用于檢查人體。此外，X射線也可以用于金屬探傷。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法18X射線的衍射原理X射線衍射，即XRD（X-raydiffraction的縮寫）。X射線波長和大多數(shù)電子材料的晶格常數(shù)屬同一數(shù)量級，當(dāng)射線照射到晶體上時，遇到規(guī)則排列的原子或離子，X射線則以每一個原子為中心發(fā)出球面的相干散射，散射的X射線相互干涉疊加，在某些方向上相位始終加強(qiáng)或者減弱，從而表現(xiàn)出與晶體結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有的衍射現(xiàn)象。

通過對衍射花樣的研究和計(jì)算，就可以獲得晶體結(jié)構(gòu)的各種參數(shù)。

材料原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)對電子材料的各種性能影響重大，所以測定微觀結(jié)構(gòu)非常重要。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法191.X射線衍射譜線可以提供的信息衍射花樣的極大值稱為衍射峰，衍射峰可以提供以下信息：（1）位置。

測量衍射峰的位置，可以得到晶胞的尺寸、對稱性和晶面取向。（2）強(qiáng)度。峰的高度或測量峰輪廓下的面積，得到各分峰相對強(qiáng)度，可以測量晶胞中原子的位置。（3）形狀。

峰的形狀，特別是峰的寬度，給出了微晶尺寸及點(diǎn)陣的不完整性和缺陷信息2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法20

對衍射強(qiáng)度和角度關(guān)系的測量，通常有照相法和電子學(xué)法兩種：照相法-根據(jù)底片感光位置和強(qiáng)度來檢測X射線的位置和強(qiáng)度；衍射儀法-采用裝有電子儀器的衍射儀，記錄各檢測角的射線強(qiáng)度，得到衍射譜。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法2.常用X射線衍射方法X射線晶體衍射，根據(jù)研究對象的不同可以分為粉末法和單晶法。單晶法，可以用來確定立方晶的晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣形式、晶胞參數(shù)等。粉末法，為增加觀測角度采用無規(guī)則取向的粉末，可以精確給出晶胞參數(shù)，晶體中成鍵原子的鍵長、鍵角等重要的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。-單晶法單晶X射線衍射分析的對象是單晶樣品，一般為直徑0.1-1mm的完整晶粒。用多色X射線照射固定不動的單晶樣品，檢測X射線的底片上的衍射點(diǎn)就可以用來確定單晶體的某些對稱要素。2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法2.常用X射線衍射方法晶體空間堆積圖可以測定晶體的對稱性和取向、塑性形變的滑移面和滑移方向、相變中的第二析出面和薄膜取向。-粉末法2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法為了增加角度范圍，粉末法采用無規(guī)則取向的粉末，由于所在方向都是無規(guī)則的，因此得到的是衍射花樣。粉末法給出的最基本信息是面間距，所以凡是引起晶面間距改變的一切結(jié)構(gòu)變化都會在衍射圖上有所反應(yīng)。（1）照相法照相法以德拜法的應(yīng)用最為普遍，它是以一束準(zhǔn)直的特征X射線照射到小塊粉末樣品上，用卷成圓柱狀并與樣品同軸安裝的窄條底片記錄衍射信息。照相法獲得的衍射圖是一些衍射弧。如圖所示。（2）衍射儀法現(xiàn)代X射線粉末衍射法更多采用衍射儀法。衍射儀法可以得到衍射圖譜，給出的是一系列的峰。如圖所示，橫坐標(biāo)是2θ，縱坐標(biāo)是衍射強(qiáng)度。衍射圖譜可以提供三種晶體結(jié)構(gòu)信息：衍射峰位置(角度)、強(qiáng)度和形狀(寬度)。-粉末法2.2電子材料結(jié)構(gòu)分析方法-X射線衍射分析法研究材料組織及其變化時，希望直接觀察到材料的微觀結(jié)構(gòu)與形貌。例如：相變研究中，需要了解晶粒的大小和形狀，晶粒的分布，晶粒之間的取向，晶體結(jié)構(gòu)缺陷和各相的成分等。X射線給出的是平均結(jié)構(gòu)的信息（參數(shù)），無法確定結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，不能代替人們眼睛的直接觀察。各種顯微分析方法，提供了研究材料結(jié)構(gòu)與形貌的理想手段。

概述

2.3電子材料的顯微分析法25光學(xué)顯微鏡透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡

2.3電子材料的顯微分析法眼睛是人類認(rèn)識客觀世界的第一架“光學(xué)儀器”。但它能力有限，若兩個細(xì)小物體間的距離小于0.1mm時，眼睛就無法把他們分開。光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為人類認(rèn)識微觀世界提供了重要的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡因其有限的分辨本領(lǐng)而難以滿足許多微觀分析的需求。上世界30年代后，電子顯微鏡的發(fā)明將分辨本領(lǐng)提高到納米量級，同時也將顯微鏡的功能由單一的形貌觀察擴(kuò)展到集形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析等于一體。人類認(rèn)識微觀世界的能力從此有了長足的發(fā)展。26

人眼只能看清0.1~0.2mm的細(xì)節(jié)，更細(xì)的結(jié)構(gòu)需要借助于各種顯微鏡。

光學(xué)顯微鏡是利用光通過顯微鏡時產(chǎn)生折射原理，使物體像放大。

光學(xué)顯微分析技術(shù)

2.3電子材料的顯微分析法分辨率：樣品上相鄰兩點(diǎn)能夠被清晰分辨的距離。

分辨率與波長的關(guān)系：n為物鏡與樣品之間的介質(zhì)的折射率；φ為試樣上的一點(diǎn)對物鏡張開角度的一半。27

因此，在鏡頭和介質(zhì)一定的條件下，分辨率與波長成正比。波長越短，分辨率越好。綠光照明時，分辨率可達(dá)200nm，將200nm的細(xì)節(jié)放大到人眼能識別的0.1～0.2mm，有效放大倍數(shù)為1000～2000倍。放大倍數(shù)1000倍以上，物鏡要用油浸。光學(xué)顯微分析技術(shù)

2.3電子材料的顯微分析法光學(xué)顯微鏡類型：反射式和透射式；1.反射式，利用樣品中不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)對入射光的反射本領(lǐng)不同和不同晶面、晶界對光的散射能力不同來產(chǎn)生襯度，而觀察表面的形貌。2.透射式光學(xué)顯微鏡，是利用樣品中不同成分或不同相的透光能力而產(chǎn)生襯度。

透射式顯微鏡的樣品必須做的非常??；金屬、合金和陶瓷的表面采用反射式光學(xué)顯微鏡。28包括：用透射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行的透射電子顯微分析用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行的掃描電子顯微分析用電子探針(EPMA)進(jìn)行的X射線顯微分析

電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。電子顯微分析技術(shù)

2.3電子材料的顯微分析法29

具有在極高放大倍率下直接觀察試樣的形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。為一種微區(qū)分析方法，具有很高的分辨率，成像分辨率達(dá)到0.2～0.3nm（TEM），可直接分辨原子，能進(jìn)行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成分析。各種儀器日益向多功能、綜合性方向發(fā)展。電子顯微分析是材料科學(xué)的重要分析方法之一，與其它的形貌、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析方法相比具有以下特點(diǎn)：

2.3電子材料的顯微分析法30電子顯微分析技術(shù)1、電子顯微鏡發(fā)展簡史1924年L.De和Broglie發(fā)現(xiàn)運(yùn)動電子具有波粒二象性。1926年Busch發(fā)現(xiàn)在軸對稱的電磁場中運(yùn)動的電子有會聚現(xiàn)象。二者結(jié)合導(dǎo)致研制電子顯微鏡的偉大設(shè)想。1931年，第一臺電鏡在德國柏林誕生。至1934年電鏡的分辨率可達(dá)50nm，1939年德國西門子公司第一臺電鏡投放市場，分辨率優(yōu)于10nm。1935年克諾爾（Knoll）提出掃描電鏡的工作原理，1938年阿登納（Ardenne）制造了第一臺掃描電鏡。

2.3電子材料的顯微分析法3160年代后，電鏡開始向高電壓、高分辨率發(fā)展，100~200kV的電鏡逐漸普及，1960年，法國研制了第一臺1MV的電鏡，1970年又研制出3MV的電鏡。70年代后，電鏡的點(diǎn)分辨率達(dá)0.23nm，晶格（線）分辨率達(dá)0.1nm。同時掃描電鏡有了較大的發(fā)展，普及程度逐漸超過了透射電鏡。近一、二十年，出現(xiàn)了聯(lián)合透射、掃描，并帶有分析附件的分析電鏡。電鏡控制的計(jì)算機(jī)化和制樣設(shè)備的日趨完善，使電鏡成為一種既觀察圖象又測結(jié)構(gòu)，既有顯微圖象又有各種譜線分析的多功能綜合性分析儀器。

2.3電子材料的顯微分析法32試樣nA入射電子束俄歇電子背散射電子二次電子特征x線陰極熒光透射電子束感應(yīng)效應(yīng)吸收電子電子與試樣作用產(chǎn)生的電子信號示意圖

2.3電子材料的顯微分析法3334透射電子顯微鏡（TEM）透射電子顯微鏡以聚焦電子束為照明源，經(jīng)聚光透鏡會聚均勻照射在試樣某待觀察微小區(qū)域上，透射電子的強(qiáng)度分布與所觀察試樣區(qū)的形貌、組織、結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)。

2.3電子材料的顯微分析法35透射電子顯微鏡（TEM）透射電子顯微鏡與透射光學(xué)顯微鏡類似。電子進(jìn)入樣品不斷受到散射，故穿透極差，因此樣品制備的非常薄，增加了分析的難度。觀察材料中的相分布，表面形貌和電子材料的位錯、層錯、晶格畸變等缺陷。

2.3電子材料的顯微分析法35日本電子公司JEM-２０１０透射電鏡透射電子顯微鏡（TEM）

2.3電子材料的顯微分析法JEM-2100JEM-3010JEM-1400JEM-2100F36光學(xué)顯微鏡用可見光作照明源，TEM用電子束作照明源。光學(xué)顯微鏡用玻璃透鏡成像，TEM用磁透鏡聚焦成像。因電子波的波長很短，與物質(zhì)作用遵守Bragg方程，可產(chǎn)生電子衍射現(xiàn)象，使得TEM具有高分辨率的同時，還有結(jié)構(gòu)分析的功能。而OM則不能。透射電鏡與光學(xué)顯微鏡的區(qū)別：

2.3電子材料的顯微分析法37陰極燈絲陰極聚光鏡樣品物鏡中間鏡投影鏡熒光屏或底板透射電鏡光路示意圖

2.3電子材料的顯微分析法38試樣透射電子衍射電子吸收電子背反射電子二次電子俄歇電子陰極發(fā)光韌致輻射X射線俄歇電子譜儀TEMEPMASEM入射電子電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息39

2.3電子材料的顯微分析法4041原理：利用電子與物質(zhì)的相互作用成像。由熱陰極電子槍發(fā)射的電子,在電場作用下加速,經(jīng)過2～3個電磁透鏡的作用,在樣品表面聚焦成極細(xì)的電子束,電子束在雙偏轉(zhuǎn)線圈作用下在樣品表面掃描,激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號（二次電子等）,其強(qiáng)度隨樣品表面特征而變化。掃描電子顯微鏡（SEM）

2.3電子材料的顯微分析法41試樣透射電子衍射電子吸收電子背反射電子二次電子俄歇電子陰極發(fā)光韌致輻射X射線俄歇電子譜儀TEMEPMASEM入射電子電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息42二次電子、背散射電子、俄歇電子、X射線特征光子等信息，這些信息的強(qiáng)度、能量分布和樣品的物相、成分、相結(jié)構(gòu)、形貌等有直接關(guān)系。采用不同的探測器，收集信息并進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)化成電信號。放大成像顯示。

1、背散射電子成像。入射電子與表面作用后，50%電子發(fā)生大角度或多次小角度彈性散射，從試樣表面0.1～1um深度內(nèi)反射出來。給出試樣的襯底信息。

2、二次電子成像。入射電子激發(fā)出二次電子，能量小一個數(shù)量級，產(chǎn)生深度5～20nm。反應(yīng)了試樣表面的形貌，分辨率可達(dá)5～20nm，能給出表面層的晶體取向。

3、俄歇電子成像。原子中的電子被激發(fā)而產(chǎn)生的次級電子，帶有表面原子化學(xué)態(tài)的信息，可以觀察表面的形貌，而且可以得知表面區(qū)元素分布的信息。掃描電子顯微鏡（SEM）

2.3電子材料的顯微分析法43電子槍固定光欄第一聚光鏡f1f2f3固定光欄第二聚光鏡上偏轉(zhuǎn)線圈第三聚光鏡下偏轉(zhuǎn)線圈末光欄樣品SEM電子光學(xué)系統(tǒng)光路示意圖44CVD金剛石涂層的形貌像退火金膜晶粒大小的照片鋼的晶間斷裂鋼的韌性斷口(韌窩)

2.3電子材料的顯微分析法45

SEM與TEM的區(qū)別：

1.成像方式不同：SEM是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像的；

2.試樣形狀不同：SEM試樣為塊狀或粉末顆粒；

3.成像信號不同：SEM以二次電子、背散射電子、吸收電子成像。其中二次電子是最主要的成像信號。

2.3電子材料的顯微分析法46即能觀察原子結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，還能對表面原子進(jìn)行操作，是納米科學(xué)技術(shù)中的一種重要的操作手段。

2.5掃描探針技術(shù)（SPT）既掃描隧道顯微鏡（STM）后，又有原子力顯微鏡（AFM），靜電力顯微鏡（EFM）等。共性思想：通過探針與被分析的表面保持一定距離（0.1~1nm），檢測各點(diǎn)與探針間的遂穿電流或原子間的作用力，從而獲取表面信息。471.掃描隧道顯微鏡（STM）工作原理

2.5掃描探針技術(shù)

一點(diǎn)背景

于1982年，IBM瑞士蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的葛·賓尼（G．Binning）和?！ち_雷爾（H．Rohrer）研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnellingMicro－scoPe，簡稱STM）。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)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，被國際科學(xué)界公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。

為表彰STM的發(fā)明者們對科學(xué)研究所作出的杰出貢獻(xiàn)，1986年賓尼和羅雷爾被授予諾貝爾物理學(xué)獎金。48

STM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)一個粒子的動能低于前方勢壘的高度時，他不可能越過此勢壘，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(jì)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。1.STM工作原理

2.5掃描探針技術(shù)49STM原理遂穿過程

2.5掃描探針技術(shù)50掃描隧道顯微鏡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。隧道電流(納安級)隨間距變化極為靈敏，針尖在同一高度掃描材料表面，表面那些“凸凹不平”的原子所造成的電流變化，,當(dāng)兩者間的距離改變0.1nm時，隧道電流將相差7.4倍，因而STM在Z方向的空間分辨率極高，通過計(jì)算機(jī)處理，便能在顯示屏上看到材料表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖。STM具有空前的高分辨率(橫向可達(dá)0.1nm，縱向可達(dá)0.01nm),它能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)圖，從而把人們帶到了納觀世界。1.STM工作原理

2.5掃描探針技術(shù)51

STM中針尖對樣品作兩維掃描

STM中針尖對樣品作兩維掃描

距離呈負(fù)指數(shù)關(guān)系隧道電流與針尖樣品表面距離STM通常被認(rèn)為是測量表面原子結(jié)構(gòu)的工具,還可以操縱單個原子和分子。但STM是電子的隧道效應(yīng)，只能測導(dǎo)體和部分半導(dǎo)體。

2.5掃描探針技術(shù)52方式：電流恒定高度恒定

2.5掃描探針技術(shù)53STM恒高模式

當(dāng)針尖掃描樣品表面時，記錄每點(diǎn)的隧道電流值，針尖以一個恒定的高度在樣品表面快速地掃描，檢測的是隧道電流經(jīng)過處理后得到圖像。

恒高模式的局限

如設(shè)定高度太高則分辨率不夠，如太低碰到樣品表面較大的突起時容易撞針。

2.5掃描探針技術(shù)54STM恒流模式針尖在樣品表面掃描時，通過反饋電壓不斷地調(diào)解掃描針尖在豎直方向的位置以保證隧道電流恒定在某一預(yù)先設(shè)定值，既隧道電流保持恒定。

對于電子性質(zhì)均一的表面，電流恒定實(shí)質(zhì)上意味著恒定針尖和樣品的距離，因此通過記錄針尖在表面的X-Y方向掃描時的反饋電壓可以得到表面的高度輪廓，從而獲得樣品表面形貌特征。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的記錄和自動計(jì)算處理，樣品表面的高度將被精確測定。

2.5掃描探針技術(shù)5556利用探針和材料平面間的電流，可以用STM調(diào)度材料平面上的原子，而且通過調(diào)節(jié)電流的大小，可逐個地把原子吸起來并放置到其它地方。

2.5掃描探針技術(shù)48個鐵原子在銅表面排列成直徑為14.2納米的圓形量子?xùn)艡谟肧TM的針尖將鐵原子一個個地排列成漢字，漢字的大小只有幾個納米

2.5掃描探針技術(shù)57

2.5掃描探針技術(shù)58STM的優(yōu)缺點(diǎn)

特點(diǎn)：

高分辨率，能夠獲得表面三維圖像，可工作在大氣、真空、溶液環(huán)境下，工作溫度可以改變，它的出現(xiàn)使人類第一次能夠在三維實(shí)空間下觀察單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和表面電子行為有關(guān)的物理及化學(xué)性質(zhì)；STM不僅可以用來觀察原子分子，還可以在超高真空超低溫環(huán)境下進(jìn)行原子操縱。

局限：

首先，它不能工作在絕緣表面。

其次，現(xiàn)今對STM的成像理論，尤其對分子的成像理論有不同解釋，因其圖像反映的是原子或分子的電子結(jié)構(gòu)或者是電子云的密度，所以成像的結(jié)果，究竟產(chǎn)生于原子或分子的何種電子軌道，以及分子與基底間相互作用對成像的影響等，其細(xì)節(jié)尚有待于進(jìn)一步揭示。

2.5掃描探針技術(shù)59

2.5掃描探針技術(shù)60STM工作時要測量針尖和樣品之間隧道電流的變化，因此只能用于導(dǎo)體與半導(dǎo)體研究。3.

原子力顯技術(shù)AFMAtomicForceMicroscopy

1986，IBM，葛·賓尼（G.Binnig）發(fā)明了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope,AFM)——新一代表面觀測儀器．

AFM不僅可以達(dá)到在原子水平測量各種表面的形貌，而且還能進(jìn)行表面彈性、塑性、硬度、摩擦力等性質(zhì)的研究。是一種重要的掃描技術(shù)。

2.5掃描探針技術(shù)61原子力顯微鏡AFM跟所有的掃描探針顯微鏡一樣，AFM使用一個極細(xì)的探針在樣品表面進(jìn)行掃描，探針是位于一懸臂的末端頂部，該懸臂可對針尖和樣品間的作用力作出反應(yīng)。掃描時控制作用力的恒定，針尖將在表面上方等位面起伏移動，利用光學(xué)檢測懸臂對應(yīng)于各位置的變化，獲得樣品表面形貌。

2.5掃描探針技術(shù)62samplescannercantileverphotodetectorlaserdiode微懸臂激光二極管光電檢測器

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM6364針尖的作用力的種類有：界面的毛細(xì)力原子間的范德華力化學(xué)鍵針尖的特性與相應(yīng)的針尖-樣品間相互作用不同，彌補(bǔ)了STM只能直接觀察導(dǎo)體和半導(dǎo)體的不足，可以極高的分辨率研究絕緣體的表面，而且對環(huán)境的要求低。

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM基本原理原子間的作用力吸引部分排斥部分Fpaird原子原子排斥力原子原子吸引力

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM65

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM基本原理66信號反饋模式

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM67微懸臂位移量的檢測方式

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM68接觸模式(contactmode)非接觸模式(non-contactmode)輕敲模式(tapping/intermittentcontactmode)

vanderWaalsforcecurve工作模式

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM69針尖始終向樣品接觸并簡單地在表面上移動，針尖—樣品間的相互作用力是互相接觸原于的電子間存在的庫侖排斥力，其大小通常為10－8

—10－11N。vanderWaalsforcecurve工作模式-接觸模式d＜０.０３nm

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM70優(yōu)點(diǎn)：可產(chǎn)生穩(wěn)定、高分辨圖像。缺點(diǎn)：可能使樣品產(chǎn)生相當(dāng)大的變形，對柔軟的樣品造成破壞，以及破壞探針，嚴(yán)重影響AFM成像質(zhì)量。工作模式-接觸模式

2.5掃描探針技術(shù)原子力顯微鏡AFM71相互作用力是