納米科技導論-2-檢測技術(shù)-修改稿

1、一、透射電子顯微鏡一、透射電子顯微鏡(transmission electron miroscope， TEM）在材料科學研究領(lǐng)域，透射電鏡主要可用于材料材料微區(qū)的組織形貌觀察、晶體缺陷分析和晶體結(jié)微區(qū)的組織形貌觀察、晶體缺陷分析和晶體結(jié)構(gòu)測定構(gòu)測定。 電子與物質(zhì)相互作用電子與物質(zhì)相互作用 光學顯微鏡：光學顯微鏡： 人的眼睛的分辨本領(lǐng)0.1毫米。毫米。 光學顯微鏡光學顯微鏡，可以看到象細菌、細胞那樣小的物體，極限分辨本領(lǐng)是0.2微米微米。 顯微鏡的分辨本領(lǐng)公式(阿貝公式)為： d=0.61/(Nsin)，Nsin是透鏡的孔徑數(shù)。其最大值為1.3。光鏡采用的可見光的波長為400760 nm。 觀

2、察更微小的物體必須利用波長更短的波波長更短的波作為光源。 X射線能不能用作光源？衍射熒光顯微鏡可以獲得高的分辨率SEM and TEM images光源光源中間象中間象物鏡物鏡試樣試樣聚光鏡聚光鏡目鏡目鏡毛玻璃毛玻璃電子槍電子槍聚光鏡聚光鏡試樣試樣物鏡物鏡中間象中間象投影鏡投影鏡觀察屏觀察屏照相底板照相底板照相底板照相底板電子顯微鏡電子顯微鏡光學顯微鏡光學顯微鏡 TEM的觀察的觀察 透射電鏡（TEM）的成像過程 從加熱到高溫的鎢絲發(fā)射電子，在高電壓作用下以極快的速度射出，聚光鏡將電子聚成很細的電子束，射在試樣上； 電子束透過試樣后進入物鏡，由物鏡、中間鏡成像在投影鏡的物平面上，這是中間像； 然

3、后再由投影鏡將中間像放大，投影到熒光屏上，形成最終像。1、 TEM的分辨率的分辨率 分辨率是透射電鏡的性能指標，它表征電電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細節(jié)的能力鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細節(jié)的能力。 在電子圖像上能分辨開的相鄰兩點在試樣上的距在電子圖像上能分辨開的相鄰兩點在試樣上的距離離稱為電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)，或稱點分辨本領(lǐng)，亦稱點分辨率。一般用重金屬粒子測。 A常數(shù)；照明電子束波長；Cs透鏡球差系數(shù)。r0的典型值約為0.250.3 nm，高分辨條件下，r0可達約0.15 nm。4/14/30sCAr2 襯襯 度度 襯度襯度：是指試樣不同部位由于對入射電子作指試樣不同部位由于對入射電子作用不同

4、，經(jīng)成象放大系統(tǒng)后，在顯示裝置上用不同，經(jīng)成象放大系統(tǒng)后，在顯示裝置上(圖像圖像)顯示的強度差異顯示的強度差異。 在透射電鏡中，電子的加速電壓很高，采用的試樣很薄，所接受的是透過的電子信號透過的電子信號。 電子束在穿越試樣的過程中，與試樣物質(zhì)發(fā)生相互作用，穿過試樣后帶有試樣特征的信息。因此主要考慮電子的散射、干涉和衍射散射、干涉和衍射等作用。 人的眼睛不能直接感受電子信息，需要將其轉(zhuǎn)變成眼睛敏感的圖像。圖像上明、暗(或黑、白)的差異稱為圖像的襯度圖像的襯度，或者稱為圖像的反差圖像的反差。 不能直接以彩色顯示。不能直接以彩色顯示。 由于穿過試樣各點后電子波的相位差相位差情況不同，在像平面上電子波

5、發(fā)生干涉形成的合成波色不同，形成圖像上的襯度。 因此，襯度原理是分析電鏡圖像的基礎(chǔ)。a) 明場成像 b) 中心暗場成像 成像原理a) 明場成像 b) 中心暗場成像 TEM image of helcial nanofibers after a growth period of 3 min.T E M i m a g e s o f s i n g l e c o p p e r particles with a grain size of 50-80 nm, located at the node of these two coiled fibers. (a) Rhombic菱形; (b) Q

6、uadrangular四邊形; (c) almost circular; (d) Triangular; (e) polygonal多邊形; (f)cone-shaped錐狀particle. The faceted copper nanocrystals located at the nodes of twin-helixes螺旋結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu).3. 高分辨高分辨TEM 高分辨TEM是觀察材料微觀結(jié)構(gòu)的方法。不僅可以獲得晶包排列的信息，還可以確定晶胞中原子的位置。 200 KV的TEM點分辨率為0.2 nm，1000 KV的TEM點分辨率為0.1 nm。 可以直接觀察原子像。A: 非晶態(tài)FeC

7、uNbSiB合金B(yǎng):熱處理后微晶的晶格條紋像Si3N4-TiN晶界相位襯度質(zhì)厚襯度H2V3O8納米帶納米帶的的TEM照片照片介孔材料SiO2-SBA15 4. 電子衍射電子衍射 當一電子束照射在單晶體薄膜上時，透射束穿過薄膜到透射束穿過薄膜到達感光相紙上形成中間亮斑達感光相紙上形成中間亮斑；衍射束則偏離透射束形成有規(guī)則的衍射斑點衍射斑點。 對于多晶體而言，由于晶粒數(shù)目極大且晶粒數(shù)目極大且晶面位向晶面位向在空間在空間任意分布，多晶體的倒易點陣任意分布，多晶體的倒易點陣在相紙上的投影將成為一個個同心圓。 電子衍射結(jié)果電子衍射結(jié)果實際上是得到了被測晶體的倒易點陣花樣被測晶體的倒易點陣花樣，對它們進行

8、倒易變換從理論上講就可知道其正點陣正點陣的情況電子衍射花樣的標定電子衍射花樣的標定。 與X射線衍射類似，遵循布拉格定律布拉格定律: 波長為的電子束照射到晶體上，當電子束的入射方向與晶面距離為d的一組晶面之間的夾角滿足關(guān)系式: 時，就在與入射束成2的方向上產(chǎn)生衍射束，式中n為整數(shù)。 在電子衍射中，一般只考慮一級衍射一般只考慮一級衍射?？梢杂嬎惬@得各衍射環(huán)所對應的晶面間距晶面間距。由此分析晶體結(jié)構(gòu)或點陣類型，可以和X射線衍射分析的數(shù)據(jù)對照。ndsin2 電子衍射與電子衍射與X射線的衍射相比的優(yōu)點：射線的衍射相比的優(yōu)點： 1）電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析分析結(jié)合起來。 2

9、）物質(zhì)對電子散射主要是核散射，因此散射強，散射強，約為約為X射線一萬倍，曝光時間短射線一萬倍，曝光時間短。 攝取電子衍射花樣的時間只需幾秒鐘，而X射線衍射則需幾分鐘到數(shù)小時。 3）衍射角很小衍射角很小，一般為1-2度。 不足之處：不足之處： 電子衍射強度電子衍射強度有時幾乎與透射束相當，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強電子衍射花樣，特別是強度分析變得復雜度分析變得復雜，不能象X射線那樣從測量衍射強度來廣泛的測定結(jié)構(gòu)。 此外，散射強度高散射強度高導致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復雜；在精度方面也遠比在精度方面也遠比X射線低。射線低。 電子衍射基本幾何關(guān)系

10、如圖電子衍射基本幾何關(guān)系如圖 面間距為面間距為d的晶面族(hkl)滿足布拉格條件，在距離樣品為L的底片上照下了透射斑點透射斑點O和衍和衍射斑點射斑點G，G和和O之間的距離為之間的距離為R。 從圖可知：R/L = tg2 因為電子衍射中的衍射角非常小(12度)， 所以tg22sin。 帶入布拉格公式 推出L =Rd。ndsin2 衍射花樣的標定：衍射花樣的標定： 底片上一般會給出電子衍射所用的相機長度相機長度，比如80 cm，60 cm等，這就表示，底片上的1cm就代表了80 cm。 然后用以mm或0.5mm為最小單位的尺子測量衍射點或者衍射環(huán)到中心透射斑的實際距離實際距離R， 然后根據(jù)Rd=L

11、 ，其中L是相機長度， 是電子波長，比如200 kV電鏡是0.00251 nm。 代入計算即可得到相應的d值。 HRTEM image and ED pattern of CdS nanowires 電子衍射花樣特征 單晶單晶就是具有完整晶體外形(晶棱，晶面完備)的單個顆粒，顆粒內(nèi)部的晶格是周期排列，從顆粒內(nèi)部的晶格是周期排列，從任意晶帶軸投射，得到的必然是二維衍射點任意晶帶軸投射，得到的必然是二維衍射點。 多晶，就是一個顆粒里面有多個晶粒，每個晶多晶，就是一個顆粒里面有多個晶粒，每個晶粒的晶格都是周期性排列的，但這些晶粒的取粒的晶格都是周期性排列的，但這些晶粒的取向都是隨意的，一個晶粒產(chǎn)生一

12、些衍射點，出向都是隨意的，一個晶粒產(chǎn)生一些衍射點，出現(xiàn)在晶格對應的現(xiàn)在晶格對應的d值為半徑的圓上，多個晶粒值為半徑的圓上，多個晶粒有不同取向，就會形成多個點連成的一個圓有不同取向，就會形成多個點連成的一個圓。如果是純相，測量每個環(huán)對應的半徑，得到如果是純相，測量每個環(huán)對應的半徑，得到d值。值。 總之，電子衍射花樣特征 單晶體： 一般為斑點花樣； 多晶體： 同心圓環(huán)狀花樣； 無定形試樣（準晶、非晶）：彌散環(huán)。ABCA非晶非晶B單晶單晶C多晶多晶衍射斑點規(guī)則排列銳利的衍射環(huán)彌散的一個衍射環(huán)TEM測量納米材料尺寸測量納米材料尺寸 1制樣要求制樣要求 1 負載的銅網(wǎng)上，銅網(wǎng)直徑2-3 mm。 2樣品必

13、須薄，電子束可以穿透，在100 kV 時, 厚度不超過100 nm，一般在50nm。粉體、涂膜、切片、染色、OsO4 3 樣品必須清潔，防塵，無揮發(fā)性物質(zhì)。 4有足夠的強度和穩(wěn)定性，耐高溫、輻射，不易揮發(fā)、升華、分解。(注意輻射損傷）H2V3O8納米帶輻射損傷 2基本步驟基本步驟 1 將樣品用超聲波振蕩分散，除去軟團聚。 2 用覆蓋有碳膜或其它高分子膜的銅網(wǎng)懸浮液中，撈取或用滴管滴在碳膜上，用濾紙吸干或晾干后，放入樣品臺。 3 在有代表性且尺寸分布窄的地方，分散好的地方照像。 3確定尺寸方法確定尺寸方法 (3) 1 任意地測量約600顆粒的交叉長度，然后將交叉長度的算術(shù)平均值乘上一統(tǒng)計因子(1

14、.56)來獲得平均粒徑。 56. 12 11ndddddnn 2 測量100個顆粒中每個顆粒的最大交叉長度，顆粒粒徑為這些交叉長度的算術(shù)平均值。 3求出顆粒的粒徑，畫出粒徑與不同粒徑下的微粒分布圖，將分布曲線中心的峰值對應的顆粒尺寸作為平均粒徑。nddddn/ )(21 4TEM法測納米樣品的優(yōu)缺點法測納米樣品的優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 分辨率高，分辨率高， 1-3 ， 放大倍數(shù)可達幾百萬倍，放大倍數(shù)可達幾百萬倍， 亮度高，亮度高， 可靠性和直觀性強，是顆粒度測定的絕對方法?？煽啃院椭庇^性強，是顆粒度測定的絕對方法。 缺點： 缺乏統(tǒng)計性缺乏統(tǒng)計性，立體感差，制樣難，不能觀察活體，可觀察范圍小，從幾

15、個微米到幾個埃。 1 取樣時樣品少，可能不具代表性。 2 銅網(wǎng)撈取的樣品少。 3 觀察范圍小，銅網(wǎng)幾平方毫米就是1012平方納米。 4 粒子團聚嚴重時，觀察不到粒子真實尺寸。*二、二、 掃描電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，SEM） 二次電子二次電子從距樣品表面l00左右深度范圍內(nèi)激發(fā)出來的低能電子。50eV，與原子序數(shù)沒 有 明 顯 關(guān) 系 ， 對 表 面 幾 何 形 狀 敏 感 。 secondary electrons 背散射電子背散射電子從距樣品表面0.11m深度范圍內(nèi)散射回來的入射電子，其能量近似入射電子能量。背散射電子產(chǎn)額隨原子序

16、數(shù)的增加而背散射電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加增加。 backscattered electronSecondary Electrons (SE)Incident ElectronSecondary ElectronBackscattered Electrons (BE)Incident ElectronBackscattered Electron W燈絲的形狀 場發(fā)射電鏡發(fā)射體的形狀 入射電子激發(fā)試樣內(nèi)各種信號的發(fā)射范圍不同各種信號的發(fā)射范圍不同，因此各種信號成像的分辨本領(lǐng)不同各種信號成像的分辨本領(lǐng)不同(如下表)。信號信號分辨率(nm)發(fā)射深度(nm)二次電子510550背散射電子50200

17、1001000吸收電子1001000透射電子0.510感應電動勢3001000陰極熒光3001000X射線10010005005000俄歇電子5100.52Example: SE image vs BE image2500 X SE (left) and BE (right) image of solderBrighter areas in the BE image correspond to lead phase of solder.Secondary Electron Image Backscattered Electron Image背散射電子背散射電子二次電子像與背散射電子像對比二次電

18、子像與背散射電子像對比二次電子二次電子光子晶體光子晶體ZnO微米晶體生長習性植物花粉植物花粉蒼蠅的復眼陽極氧化鋁模板鋁陽極氧化膜生長鋁陽極氧化膜生長的銅納米線的銅納米線 螺旋形碳納米管ZnOZnO定向生長定向生長多孔多孔SiC陶瓷陶瓷 大大景景深深填充玻纖的高分子斷面 PTC PTC陶瓷混合斷口的形貌像陶瓷混合斷口的形貌像 20000 20000 穿晶斷口穿晶斷口沿晶斷口沿晶斷口莫來石SiCZrO2不同相的背散射電子像形貌特征不同相的背散射電子像形貌特征 SEM分析樣品的優(yōu)缺點分析樣品的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 1)儀器分辨本領(lǐng)較高，通過二次電子像能夠觀察試樣表面30 左右的細節(jié)。 2) 放大倍數(shù)變化范

19、圍大(一般為l0800000倍)，且能近續(xù)可調(diào)。 3)觀察試樣的景深大，圖像富有立體感?？捎糜谟^察粗糙表面，如金屬斷口、催化劑等。 4)樣品制備簡單。 缺點： 不導電的樣品需噴金(Pt、Au)處理，價格高，分辨率比TEM低。* 三、三、 掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微和原子力顯微鏡鏡(AFM) （一）、量子隧道效應（一）、量子隧道效應 在經(jīng)典力學中，當勢壘的高度比粒子的能量大時，粒子是無法越過勢壘的。 量子力學中，粒子穿過勢壘出現(xiàn)在勢壘另一側(cè)量子力學中，粒子穿過勢壘出現(xiàn)在勢壘另一側(cè)的幾率并不為零的幾率并不為零，這種現(xiàn)象稱為隧道效應隧道效應。 隧道效應是微觀粒子(如電子、質(zhì)子

20、和中子)波動性的一種表現(xiàn)。 一般情況下，只有當勢壘寬度勢壘寬度與微觀粒子的德德布羅意波長布羅意波長可比擬時，才可以觀測到顯著的隧隧道效應道效應。 1973年，江崎、江崎、加埃沃、約瑟夫森加埃沃、約瑟夫森獲獲諾貝爾物理獎。 1958年江崎宣布發(fā)明了隧道二極管； 1960年加埃沃實驗證明單電子隧道效應； 1962年約瑟夫森(22歲)提出雙電子隧道效應。 須強調(diào)的是：隧穿過程遵從能量守恒能量守恒和動量動量或準動量守恒定律。（二）、掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡 STM Scanning Tunneling Microscope 1972年，Young檢測金屬探針和表面之間的電子場發(fā)射流來探測物體表面：

21、針尖與樣品間距20 nm，橫向分辨率400 nm。 1981年，美國IBM司G.Binning和H.Rohrer發(fā)明了STM，針尖與樣品間距1 nm，橫向分辨率0.4 nm。這是目前為止能進行表面分析的最精密儀器，既這是目前為止能進行表面分析的最精密儀器，既可觀察到原子，又可直接搬動原子?？捎^察到原子，又可直接搬動原子。 橫向分辨率可達到0.1 nm，縱向分辨率可達到0.01 nm。它對原子的檢測深度12個原子層，對樣品無破壞。兩位博士因此獲得兩位博士因此獲得1986年諾貝爾物理獎。年諾貝爾物理獎。世界上第一臺掃描隧道顯微鏡世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)Scanning Tunnelin

22、g MicroscopeSTM的理論基礎(chǔ)是隧道效應的理論基礎(chǔ)是隧道效應。 對于一種金屬絕緣體金屬(MIM)結(jié)構(gòu)，當絕緣層足夠薄時，就可以發(fā)生隧道效應隧道效應。隧道隧道電流電流I是電極距離和所包含的電子態(tài)的函數(shù)是電極距離和所包含的電子態(tài)的函數(shù)。 工作時，首先在被觀察樣品和針尖之間施加一樣品和針尖之間施加一個電壓個電壓，調(diào)整二者之間的距離使之產(chǎn)生隧道電流，隧道電流隧道電流表征表征樣品表面和針尖處原子的電樣品表面和針尖處原子的電子波重疊程度子波重疊程度，在一定程度上反映樣品表面的，在一定程度上反映樣品表面的高低起伏輪廓高低起伏輪廓。STM的針尖 1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)(1) 探針：探針最探針：探針最尖端

23、非常尖銳，尖端非常尖銳，通常只有一兩個通常只有一兩個原子原子。決定。決定STM的橫向分辨率。的橫向分辨率。通常是通常是Pt，Pt-Ir，W，通過電化學、，通過電化學、剪切撥拉的方法剪切撥拉的方法制作。制作。(2)壓電三角架：壓電三角架：在壓電三角架上加電場，使壓電材在壓電三角架上加電場，使壓電材料變形，產(chǎn)生收縮和膨脹，其精度可達到每改變料變形，產(chǎn)生收縮和膨脹，其精度可達到每改變1伏伏引發(fā)引發(fā)10的膨脹或收縮來控制探針的運動。的膨脹或收縮來控制探針的運動。 STM示意圖示意圖2. STM工作原理工作原理 1 隧道電流的產(chǎn)生隧道電流的產(chǎn)生 在樣品與探針之間加上小的探測電壓探測電壓，調(diào)節(jié)樣品與探針間

24、距，當針尖原子與樣品表面原子距離10時，由于隧道效應，探針和樣品表面之間探針和樣品表面之間產(chǎn)產(chǎn)生電子隧穿生電子隧穿，在樣品的表面針尖之間有一納安級納安級電流通過。電流強度對探針和樣品表面間的距離探針和樣品表面間的距離非常敏感非常敏感，距離變化1 ，電流就變化一個數(shù)量級。2掃描方式：掃描方式： 移動探針或樣品，使探針在樣品上掃描。 根據(jù)樣品表面光滑程度不同，采取兩種方式掃描：恒流掃描，恒高掃描。恒流掃描，恒高掃描。 A:恒流掃描恒流掃描： 當針尖在表面掃描時，反饋電流調(diào)節(jié)針尖與表反饋電流調(diào)節(jié)針尖與表面的間距，使針尖與樣品之間的隧道電流守恒面的間距，使針尖與樣品之間的隧道電流守恒。 它是目前應用最

25、廣最重要的一種方式，一般用于表面起伏較大的樣品表面起伏較大的樣品。 其缺點：其缺點：掃描速度慢。 移動探針時，若間距變大，勢壘增加，勢壘增加，電流變小，這時，反饋系統(tǒng)控制間距電壓，壓電三角壓電三角架變形架變形使間距變小間距變小，相反.，保持隧道電流保持隧道電流始終等于定值始終等于定值。記錄壓電三角架在壓電三角架在Z方向的變方向的變形得到樣品表面形貌。形得到樣品表面形貌。B:恒高掃描恒高掃描： 針尖在表面掃描，直接得到隧道電流隨樣品表隧道電流隨樣品表面起伏的變化面起伏的變化，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料它僅適用于表面非常平滑的材料。 特點：成像速度快。特點：成像速度快

26、。3. STM像像 STM通常被認為是測量表面原子結(jié)構(gòu)測量表面原子結(jié)構(gòu)的工具，具有直接測量原子間距的分辨率。具有直接測量原子間距的分辨率。 但必須考慮電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)的影響，否則容易產(chǎn)生錯誤的信息。 原因原因： STM圖像反映的是樣品表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧表面局域電子結(jié)構(gòu)和隧穿勢壘穿勢壘的空間變化，與表面原子核的位置沒有直接關(guān)系，并不能將觀察到的表面高低起伏簡單地歸納為原子的排布結(jié)構(gòu)。石墨石墨(0002)面的面的STM像像手性形碳納米管的手性形碳納米管的STM像像C60分子籠結(jié)構(gòu)的STM照片J. Hou et al. Nature Vol 409 18 January 2001中國科技大學侯建國

27、教授領(lǐng)導的課題組將C60分子組裝在單層分子膜的表面，隔絕了金屬襯底的影響，在零下268度下，將分子熱運動凍結(jié)，利用掃描隧道顯微鏡（STM）在國際上首次“拍下”了能夠分辨碳碳單鍵和雙鍵的分子圖像。4. STM的特點：優(yōu)點：優(yōu)點： 1.具有原子高分辯率。橫向：0.1 nm, 縱向：0.01nm。分辯率最高。 2.可實時得到在實空間中表面的三維圖像； 3.可以觀察單個原子層的局部表面結(jié)構(gòu)。 4.可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至水中也可以，而且對樣品無損。 5. 不僅可以觀察還可以搬動原子。原子書法-IBM原子商標STM搬動原子的代表缺點：缺點： 要求高： 防震，高真空，防溫度變化。防震，高

28、真空，防溫度變化。 電導率在電導率在10-9S/m以上的樣品可以滿足常規(guī)以上的樣品可以滿足常規(guī)STM測試的要求測試的要求。如果樣品的導電性很差。最好使用銀或金導電膠將其固定，并進行鍍金處理。 在恒流模式下，樣品表面微粒之間的溝槽不能夠準確探測。 恒高模式下，需采用非常尖銳的探針。顯微鏡類 型分辨本領(lǐng)工作條件 工作溫度 樣品損傷分析深度人眼0.2mm光學顯微鏡0.2mSEM（二次電子）橫向：6nm高真空低溫、室溫、高溫輕微損傷1m縱向：較低TEM橫向：點35 ，線12 高真空低溫、室溫、高溫中等程度損傷1000 (樣品厚度）縱向：很差STM橫向：1 空氣、溶液、真空低溫、室溫、高溫無損傷12個原

29、子層縱向：0.1 STM與其它對比STM應用 STM的主要功能是在原子級水平上分析表面形貌和電子表面形貌和電子態(tài)態(tài)，后者包括表面能級性質(zhì)、表面態(tài)密分布、表面電荷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密度分布和能量分布。主要應用領(lǐng)域： 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)； 研究高聚物； 研究生物學和醫(yī)學； 研究碳、石墨等表面結(jié)構(gòu)； 研究半導體表面、界面效應及電子現(xiàn)象； 研究高溫超導體； 研究材料中的新結(jié)構(gòu)和新效應。（三）、原子力顯微鏡（三）、原子力顯微鏡 AFM Atomic Force Microscope SEM 、STM不能測量絕緣體表面的形貌

30、。 1986年，Binning、Quate 和Gerber等人提出原子力顯微鏡的概念，在斯坦福大學發(fā)明了第一臺原子力顯微鏡，分辨率高分辨率高，而且可測量絕緣體絕緣體。 Scanning Probe Microscope 掃描探針顯微鏡簡稱掃描探針顯微鏡簡稱SPM，它不采用物鏡來成像，而是利用尖銳的傳感器探針在表面上方掃描來檢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)如表面原子力，表面的彈表面原子力，表面的彈性、塑性、硬度、黏著力、摩擦力等。性、塑性、硬度、黏著力、摩擦力等。 不同類型的SPM主要是針尖特性及其相應針尖針尖特性及其相應針尖樣品間相互作用的不同樣

31、品間相互作用的不同，包括： 掃描探針顯微鏡（STM) 原子力顯微鏡（AFM) 摩擦力顯微鏡（LFM) 磁力顯微鏡（MFM) 掃描近場光學顯微鏡（SNOM) 彈道電子發(fā)射顯微鏡（BEEM)1. AFM原理原理： 將一個對微弱力極敏感的彈性微懸臂彈性微懸臂一端固定。另一端的針尖與樣品表面輕輕接觸。當針尖尖端原子與樣品表面間存在極微弱的作用力(10-8-10-6N)時，微懸臂會發(fā)生微小的彈性形變彈性形變，針尖和樣品之間的作用力與距離有強烈的依賴關(guān)系(遵循胡克定律F=-kx，k為微懸臂的力常數(shù))。 也就是說，微懸臂的形變是對樣品針尖相互微懸臂的形變是對樣品針尖相互作用的直接測量。作用的直接測量。原子力

32、顯微鏡示意圖 2. AFM的三種工作模式：接觸式非接觸式輕敲式(1)接觸式接觸式(contact mode)： 在接觸模式中，針尖始終與樣品保持輕微接觸，掃描過程中，針尖在樣品表面滑動。通常情況下，接觸模式都可以產(chǎn)生穩(wěn)定的、高分辨率的圖像。 在接觸模式中，如果掃描軟樣品的時候如果掃描軟樣品的時候，樣品表面由于和針尖直接接觸，有可能造成樣品的損傷。 所以接觸模式一般不適用于研究生物大分子、低所以接觸模式一般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。彈性模量樣品以及容易移動和變形的樣品。(2)非接觸式（非接觸式（noncontact mode)： 在非接觸模式中，針尖在樣品表

33、面上方振動針尖在樣品表面上方振動，始終不與樣品接觸，探針監(jiān)測器檢測的是范德探針監(jiān)測器檢測的是范德華力和靜電力等華力和靜電力等對成像樣品的無破壞的對成像樣品的無破壞的長程作長程作用力。用力。 但當針尖與樣品之間的距離較長時，分辨率要分辨率要比接觸模式和輕敲模式都低，而且成像不穩(wěn)定，比接觸模式和輕敲模式都低，而且成像不穩(wěn)定，操作相對困難操作相對困難. 通常不適用于在液體中成像，在生物中的應用通常不適用于在液體中成像，在生物中的應用也比較少。也比較少。(3)輕敲式（輕敲式（tapping mode)： 在輕敲模式，微懸臂在其共振頻率附近作受迫微懸臂在其共振頻率附近作受迫振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊樣品表面，間斷振動，振蕩的針尖輕輕的敲擊樣品表面，間斷