材料科學(xué)研究（第4版）課件：XRF-STM

1、XRF-STM 材料研究方法 課程內(nèi)容 一 X射線熒光光譜 掃描隧道電鏡 二 一、X射線熒光光譜（X-ray Fluorescence Spectroscopy, XRFS） 工作原理：光致發(fā)光。二次特征X射線波譜與能譜類(lèi)似于電子探針中的波譜與能譜。 應(yīng)用：定量分析與定性分析 一、X射線熒光光譜（X-ray Fluorescence Spectroscopy, XRFS） 分析 技術(shù) 探測(cè) 粒子 檢測(cè) 粒子 信息深度/nm 檢測(cè)質(zhì) 量極限 /% 檢測(cè)濃 度極限 /10-6 橫向分 辨率/m 不能檢 測(cè)元素 檢測(cè) 信息 損傷 程度 譜線橫 坐標(biāo) XPS光子電子1310，

2、He 成分、 價(jià)態(tài) 弱結(jié)合能 AES電子電子0.52.510-181010010-2103 H，He 成分、 價(jià)態(tài)、 結(jié)構(gòu) 弱動(dòng)能 XRF光子光子 金屬:0.1mm 樹(shù)脂：3mm 10-21 H，He， Li 成分無(wú) 波譜 （波 長(zhǎng)）； 能譜 （能量） AES、XPS、XRF三者之間的特性比較 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 1. STM的基本原理 圖9-25 隧道效應(yīng)示意圖 圖9-26 STM結(jié)構(gòu)原理圖 A zl TT JKU e 隧道電流隧道電流： 注意：注意：1）隧道電流與絕緣體厚度呈指數(shù)關(guān)系，對(duì)厚度十分敏感，故其精度高。2）

3、待測(cè)試樣為導(dǎo)體、針尖為金絲、 鉑絲、鎢絲等，針尖長(zhǎng)度不超0.3nm,理想為1個(gè)原子。 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 2. STM的工作模式 （a）恒流式 （b）恒高式 圖9-27STM的工作模式 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 1）橫流模式 讓針尖安置在控制針尖移動(dòng)的壓電管上，由反饋電路自動(dòng)調(diào)節(jié)壓電管中的電壓，使 針尖在掃描過(guò)程中隨著樣品表面的高低上下移動(dòng)，并保持針尖與試樣表面原子間的距離不 變，即保持隧道電流的大小不變（恒流），通過(guò)記錄壓電管上的電壓信號(hào)即可獲得樣品表

4、 面的原子結(jié)構(gòu)信息。該模式測(cè)量精度高，能較好地反映樣品表面的真實(shí)形貌，但比較費(fèi)時(shí)。 2）恒高式 即針尖在掃描過(guò)程中保持高度不變，這樣針尖與樣品表面原子間的距離在改變，因 而隧道電流隨之發(fā)生變化，通過(guò)記錄隧道電流的信號(hào)即可獲得樣品表面的原子結(jié)構(gòu)信息。 恒高工作模式掃描效率高，但要求試樣表面相對(duì)平滑，因?yàn)樗淼佬?yīng)只是在絕緣體厚度極 薄的條件下才能發(fā)生，當(dāng)絕緣體厚度過(guò)大時(shí)，不會(huì)發(fā)生隧道效應(yīng)，也無(wú)隧道電流，因此當(dāng) 樣品表面起伏大于1nm時(shí)，就不能采用該模式工作了。 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 3. STM的特點(diǎn) STM與前述的表面分析儀

5、相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）在平行和垂直于樣品表面方向上的分辯率分別達(dá)到0.1nm和0.01nm，而原子間距為0.1nm 量級(jí)，故可觀察原子形貌，分辨出單個(gè)原子，克服了SEM、TEM的分辨率受衍射效應(yīng)的限制，因 而STM具有原子級(jí)的高分辨率。 2）可實(shí)時(shí)觀察表面原子的三維結(jié)構(gòu)像，用于表面結(jié)構(gòu)研究，如表面原子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)觀察等。 3）可觀察表面單個(gè)原子層的局部結(jié)構(gòu)，如表面缺陷、表面吸附、表面重構(gòu)等。 4）工作環(huán)境要求不高，可在真空、大氣或常溫下工作。 5）一般無(wú)需特別制備樣品，且對(duì)樣品無(wú)損傷。 STM雖具有以上優(yōu)點(diǎn)，但也存在以下不足： 1）恒流工作時(shí)，對(duì)樣品表面微粒間的某些溝槽不能準(zhǔn)確探測(cè)，分辨率

6、也不高。 2）樣品須是導(dǎo)體或半導(dǎo)體。對(duì)不良導(dǎo)體雖然可以在其表面涂敷導(dǎo)電層，但涂層的粒度及其均勻 性會(huì)直接影響圖像對(duì)真實(shí)表面的分辨率，故對(duì)不良導(dǎo)體的表面成像宜采用其他手段，如原子力顯微 鏡等進(jìn)行觀察。 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 4. STM的應(yīng)用舉例 圖9-28 Mo(110)面生長(zhǎng)Ni 膜過(guò)程中的STM圖 (a)-清潔表面 (b)-1.5ML (c)-3.9ML (d)-11.6ML 例1Mo（110）表面Ni膜的生長(zhǎng)研究 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 例2氧化膜

7、的形成研究 圖9-29NiAl(16 14 1)面氧化膜形成約20時(shí)的STM照片 A-總貌（200200nm2）B-膜核(4545 nm2) C-膜簇（4545 nm2） 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 如圖9-30即為MoS2單原子層生長(zhǎng)過(guò)程的STM照片及其對(duì)應(yīng)的模型圖，從該圖 可以清晰地看到MoS2單層納米晶體膜的生長(zhǎng)過(guò)程，即Mo原子和S原子均通過(guò) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)以三角形的堆積方式逐漸長(zhǎng)大成膜。 二 、掃描隧道電鏡（Scanning Tunnelling Microscopy, STM） 例3表面形貌觀察 (a)二維 (b)三維 圖9-31鉑銥合金絲表面的STM 掃描圖 二 、