納米科技概論-第二章 納米材料-表征(結(jié)構(gòu)分析)

1、納米材料的分析技術(shù)第二章第二章n納米材料分析的特點(diǎn)n納米材料的成份分析n納米材料的結(jié)構(gòu)分析n納米材料的粒度分析n納米材料的形貌分析n納米材料的界面分析n納米材料具有許多優(yōu)良的特性諸如高比表面、高電導(dǎo)、高硬度、高磁化率等；n納米技術(shù)與納米材料屬于高技術(shù)領(lǐng)域，許多研究人員及相關(guān)人員對(duì)納米材料還不是很熟悉，尤其是對(duì)如何分析和表征納米材料，獲得納米材料的一些特征信息。n主要從納米材料的成份分析，形貌分析，粒度分析，結(jié)構(gòu)分析以及表面界面分析等幾個(gè)方面進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。n力圖通過(guò)納米材料的研究案例來(lái)說(shuō)明這些現(xiàn)代技術(shù)和分析方法在納米材料表征上的具體應(yīng)用。主要技術(shù)主要技術(shù)3. 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡SE

2、M4. 透射電子顯微透射電子顯微TEM2. 原子力顯微鏡原子力顯微鏡AFM5. X射線粉末分析射線粉末分析XRD6. 其他分析方法其他分析方法1. 隧道掃描顯微鏡隧道掃描顯微鏡STM 1982年賓尼和羅雷爾發(fā)明成功掃描隧道顯微鏡（Scaning tunneling microscopy，STM）。STM不但空間分辨率高（橫向0.1nm，縱向0.01nm），成為揭示原子、分子尺度的觀察手段，而且是在納米尺度上對(duì)表面進(jìn)行改性和排布原子的工具。 一、掃描隧道顯微鏡（一、掃描隧道顯微鏡（STMSTM） 掃描隧道顯微鏡的工作原理基于量子隧道效應(yīng)。由于電子具有波粒二象性，遵從量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在其總能量低

3、于勢(shì)壘壁高時(shí)，也有一定的概率穿透勢(shì)壘，在探針和試樣表面間形成隧道電流。1、STM的工作原理和基本結(jié)構(gòu)一、掃描隧道顯微鏡（一、掃描隧道顯微鏡（STMSTM）壓電陶瓷是一種性能奇特的材料，當(dāng)在壓電陶瓷對(duì)稱的兩個(gè)端面加上電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)按特定的方向伸長(zhǎng)或縮短。而伸長(zhǎng)或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關(guān)系。也就是說(shuō)，可以通過(guò)改變電壓來(lái)控制壓電陶瓷的微小伸縮。通常把三個(gè)分別代表X，Y，Z方向的壓電陶瓷塊組成三角架的形狀，通過(guò)控制X，Y方向伸縮達(dá)到驅(qū)動(dòng)探針在樣品表面掃描的目的；通過(guò)控制Z方向壓電陶瓷的伸縮達(dá)到控制探針與樣品之間距離的目的。 壓電陶瓷壓電陶瓷 隧道電流的大小對(duì)于探針和試樣表面的距離非常敏

4、感，通過(guò)電子反饋電路使隧道電流保持恒定，并采用壓電陶瓷材料控制探針沿試樣表面掃描，這樣探針在垂直于試樣表面方向上的高低的變化就反應(yīng)出試樣表面的形貌分布和原子排列的圖像。1、STM的工作原理和基本結(jié)構(gòu)一、掃描隧道顯微鏡（一、掃描隧道顯微鏡（STMSTM） STM的基本結(jié)構(gòu)包括：探針與試樣表面的逼近裝置；保持隧道電流恒定的電子反饋電路；顯示探針在z方向位置變化的顯示器；操縱探針沿試樣表面x方向和y方向運(yùn)動(dòng)的壓電陶瓷掃描控制器及位置顯示器；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。 1、STM的工作原理和基本結(jié)構(gòu)一、掃描隧道顯微鏡（一、掃描隧道顯微鏡（STMSTM）2、STM的主要應(yīng)用和優(yōu)、缺點(diǎn)一、掃描隧道顯微鏡

5、（一、掃描隧道顯微鏡（STMSTM）v STM有原子量級(jí)的極高分辨率，其垂直和平行于表面方向的分辨率分別為0.01nm和0.1nm，能夠分辨出單個(gè)原子；v STM能夠?qū)崟r(shí)地給出表面的三維圖像，可以測(cè)量具有周期性或不具備周期性的表面結(jié)構(gòu)；v STM可在不同環(huán)境條件下工作，包括真空、大氣、低溫，甚至將試樣浸在水中或電解液中，所以非常適用于研究環(huán)境因素對(duì)試樣表面的影響；2、STM的主要應(yīng)用和優(yōu)、缺點(diǎn)一、掃描隧道顯微鏡（一、掃描隧道顯微鏡（STMSTM）v缺點(diǎn)：由于STM是通過(guò)隧道電流的作用而設(shè)計(jì)的，因此這種儀器僅能用于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的表面形貌量測(cè)，對(duì)于非導(dǎo)體來(lái)說(shuō)就必須給試樣鍍上導(dǎo)電膜，這就掩蓋了試樣表

6、面的真實(shí)性，降低了STM的精確度；即使導(dǎo)電體材料的試樣，當(dāng)表面存在非單一電子態(tài)時(shí)，掃描隧道顯微鏡觀察的并不是真實(shí)的表面形貌圖像，而是表面形貌和表面電子性能的綜合表現(xiàn)。工作模式工作模式Constant-CurrentModeConstant-HeightMode1、原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM 原子力顯微鏡原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)是由是由IBM 公司的公司的Binnig與史丹佛大學(xué)與史丹佛大學(xué)的的Quate 于一九八五年所發(fā)明的，其目的是于一九八五年所發(fā)明的，其目的是為了使為了使非導(dǎo)體非導(dǎo)體也可以采用掃描探針顯微鏡也可以采用掃描探針顯微鏡（SP

7、M）進(jìn)行觀測(cè)。）進(jìn)行觀測(cè)。 Light Amplification by Stimulated Emission of Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationRadiation，縮寫(xiě)為L(zhǎng)ASERLASER，或，或laserlaser），），是指通過(guò)受激輻射而產(chǎn)生，放大的光，即受激輻射的光放大。特點(diǎn)：?jiǎn)紊詷O好，發(fā)散度極小，亮度（功率）可以達(dá)到很高產(chǎn)生激光需要“激發(fā)來(lái)源”，“增益介質(zhì)”，“共振結(jié)構(gòu)”這三個(gè)要素。Laser普通常見(jiàn)光源的發(fā)光（如電燈、火焰、太陽(yáng)等地發(fā)光）是由于物質(zhì)在受到外來(lái)能量（如光能、電能、熱能等）作用時(shí)，原

8、子中的電子就會(huì)吸收外來(lái)能量而從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，即原子被激發(fā)。激發(fā)的過(guò)程是一個(gè)“受激吸收”過(guò)程。處在高能級(jí)（E2）的電子壽命很短（一般為108109秒），在沒(méi)有外界作用下會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)（E1）躍遷，躍遷時(shí)將產(chǎn)生光（電磁波）輻射。輻射光子能量為 h=E2-E1 自發(fā)輻射自發(fā)輻射受激輻射的過(guò)程大致如下：原子開(kāi)始處于高能級(jí)E2，當(dāng)一個(gè)外來(lái)光子所帶的能量h正好為某一對(duì)能級(jí)之差E2-E1,則這原子可以在此外來(lái)光子的誘發(fā)下從高能級(jí)E2向低能級(jí)E1躍遷。這種受激輻射的光子有顯著的特點(diǎn)，就是原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。于是，入射一個(gè)

9、光子，就會(huì)出射兩個(gè)完全相同的光子。這意味著原來(lái)光信號(hào)被放大這種在受激過(guò)程中產(chǎn)生并被放大的光，就是激光。 受激輻射受激輻射原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM的硬件構(gòu)成的硬件構(gòu)成03圖圖3. 激光檢測(cè)原子力顯微鏡探針工作示意圖激光檢測(cè)原子力顯微鏡探針工作示意圖AFM工作原理工作原理 如圖所示，二級(jí)管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系如圖所示，二級(jí)管激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，并從微懸臂背面反射到由光電二統(tǒng)聚焦在微懸臂背面，并從微懸臂背面反射到由光電二級(jí)管構(gòu)成的光斑位置檢測(cè)器。在樣品掃描時(shí)，由于樣品級(jí)管構(gòu)成的光斑位置檢測(cè)器。在樣品掃描時(shí)，由于樣品表面的原子與微懸臂探針尖端的原子力間的相互

10、作用，表面的原子與微懸臂探針尖端的原子力間的相互作用，微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨微懸臂將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，因而，之偏移，因而，通過(guò)光電二級(jí)管檢測(cè)光斑的位置的變化，通過(guò)光電二級(jí)管檢測(cè)光斑的位置的變化，就能獲得被測(cè)樣品表面形貌的信息。就能獲得被測(cè)樣品表面形貌的信息。 相對(duì)于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于掃描電子顯微鏡，原子力顯微鏡具有許多優(yōu)點(diǎn)。 不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，不同于電子顯微鏡只能提供二維圖像，AFMAFM提供真正提供真正的三維表面圖。的三維表面圖。 AFMAFM不需要對(duì)樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這不需要

11、對(duì)樣品的任何特殊處理，如鍍銅或碳，這種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。種處理對(duì)樣品會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。a.a. c.c.電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯電子顯微鏡需要運(yùn)行在高真空條件下，原子力顯微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。微鏡在常壓下甚至在液體環(huán)境下都可以良好工作。這樣可以用來(lái)研究生物宏觀分子，甚至活的生物組這樣可以用來(lái)研究生物宏觀分子，甚至活的生物組織?？?。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1、原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM 原子力顯微鏡是利用微小探針與待測(cè)物之間交原子力顯微鏡是利用微小探針與待測(cè)物之間交互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面之物理特性。所互作用力，來(lái)呈現(xiàn)待測(cè)物的表面之物理特性。

12、所以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式以在原子力顯微鏡中也利用斥力與吸引力的方式發(fā)展出兩種操作模式：發(fā)展出兩種操作模式： （1）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接）利用原子斥力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為接觸式原子力顯微鏡（觸式原子力顯微鏡（contact AFM ），探針與試），探針與試片的距離約數(shù)個(gè)片的距離約數(shù)個(gè)。 （2）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為）利用原子吸引力的變化而產(chǎn)生表面輪廓為非接觸式原子力顯微鏡（非接觸式原子力顯微鏡（tapping AFM ），探針），探針與試片的距離約數(shù)十個(gè)與試片的距離約數(shù)十個(gè) 到數(shù)百個(gè)到數(shù)百個(gè)。 原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM的硬件構(gòu)成的硬件構(gòu)

13、成04 圖圖4.圖圖 AFM頭及其主要配件頭及其主要配件(1- 激光器；激光器；2-反射鏡；反射鏡；3- 微懸臂；微懸臂；4-傾斜反光鏡；傾斜反光鏡；5-光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器)原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM的硬件構(gòu)成的硬件構(gòu)成05圖圖5. AFM的探頭的探頭原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM成像原理成像原理01圖圖1. 激光檢測(cè)原子力顯微鏡原理示意圖激光檢測(cè)原子力顯微鏡原理示意圖 圖圖2. 激光檢測(cè)原子力顯微鏡工作示意圖激光檢測(cè)原子力顯微鏡工作示意圖在原子力顯微鏡（在原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy，AFM）的系統(tǒng)中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、的系統(tǒng)

14、中，可分成三個(gè)部分：力檢測(cè)部分、位置檢測(cè)部分、反饋系統(tǒng)。反饋系統(tǒng)。 AFM樣品制備樣品制備 AFM技術(shù)可以在大氣、高真空、液體環(huán)境中檢測(cè)到導(dǎo)體、技術(shù)可以在大氣、高真空、液體環(huán)境中檢測(cè)到導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體樣品以及生物樣品的形貌、尺寸以及力學(xué)性能半導(dǎo)體、絕緣體樣品以及生物樣品的形貌、尺寸以及力學(xué)性能等材料的特性，使用的范圍很廣。等材料的特性，使用的范圍很廣。AFM的樣品制備簡(jiǎn)單，一般的樣品制備簡(jiǎn)單，一般要求如下：要求如下： l 納米粉體材料應(yīng)盡量以單層或亞單層形式分散并固定在基片納米粉體材料應(yīng)盡量以單層或亞單層形式分散并固定在基片上，上，應(yīng)該注意以下三點(diǎn)：（應(yīng)該注意以下三點(diǎn)：（1）選擇合適的溶劑

15、和分散劑將粉體）選擇合適的溶劑和分散劑將粉體制成稀溶液，必要時(shí)采用超聲分散以減少納米離子的團(tuán)聚，以制成稀溶液，必要時(shí)采用超聲分散以減少納米離子的團(tuán)聚，以便均勻地分布在基片上；（便均勻地分布在基片上；（2）根據(jù)納米粒子的親水、疏水特性，）根據(jù)納米粒子的親水、疏水特性，表面化學(xué)特性等選擇合適的基片；（表面化學(xué)特性等選擇合適的基片；（3）樣品盡量牢固地固定到）樣品盡量牢固地固定到基片上，必要時(shí)采用化學(xué)鍵合、化學(xué)特定吸附或靜電相互作用基片上，必要時(shí)采用化學(xué)鍵合、化學(xué)特定吸附或靜電相互作用等方法。等方法。 l 生物樣品也需要固定到基片上，原則與粉體材料基本相同，生物樣品也需要固定到基片上，原則與粉體材料

16、基本相同，只是大多數(shù)時(shí)候都需要保持生物樣品的活性，所以大多數(shù)在只是大多數(shù)時(shí)候都需要保持生物樣品的活性，所以大多數(shù)在溶液中進(jìn)行。溶液中進(jìn)行。l 納米薄膜材料，如金屬、金屬氧化物薄膜、高聚物薄膜、納米薄膜材料，如金屬、金屬氧化物薄膜、高聚物薄膜、有機(jī)有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜、自組裝單分子膜等一般都有基片支持，無(wú)機(jī)復(fù)合薄膜、自組裝單分子膜等一般都有基片支持，可以直接用于可以直接用于AFM研究。研究。AFM樣品制備樣品制備原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)例實(shí)例-01原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）觀察）觀察Ni(OH)2膜材料的表面特點(diǎn)膜材料的表面特點(diǎn)原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)實(shí)例例02

17、原子力顯微鏡（原子力顯微鏡（AFM）觀察）觀察Ni(OH)2+Zn(OH)2膜材料的表面特點(diǎn)。膜材料的表面特點(diǎn)。原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)例實(shí)例-02原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)實(shí)例例03普通名片紙普通名片紙AFM原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)例實(shí)例-02原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)實(shí)例例04照片質(zhì)量紙照片質(zhì)量紙AFM原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)例實(shí)例-02原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)例實(shí)例05陶瓷膜表面形貌的陶瓷膜表面形貌的AFM三維圖象三維圖象原子力顯微鏡原子力顯微鏡 AFM-實(shí)例實(shí)例06陶瓷膜表面形貌的陶瓷膜表面形貌的AFM三維圖象三維圖象

18、3、Scanning Electron Microscope(掃描電鏡掃描電鏡SEM) 掃描電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡（SEM）主要用于觀察材料的）主要用于觀察材料的表面特點(diǎn)、外觀形態(tài)、聚集狀態(tài)、顆粒粒徑等表面特點(diǎn)、外觀形態(tài)、聚集狀態(tài)、顆粒粒徑等（統(tǒng)計(jì)）特征。（統(tǒng)計(jì)）特征。待分析樣品的制備（準(zhǔn)備）：待分析樣品的制備（準(zhǔn)備）： 1）塊體、粉體可直接觀察；）塊體、粉體可直接觀察； 2）納米粉體的聚合體可先超聲波分散處理）納米粉體的聚合體可先超聲波分散處理（以酒精或水為介質(zhì)），然后將分散好的渾濁液（以酒精或水為介質(zhì)），然后將分散好的渾濁液滴在物臺(tái)或?yàn)V紙上干燥。滴在物臺(tái)或?yàn)V紙上干燥。二、掃描電鏡的構(gòu)造

19、二、掃描電鏡的構(gòu)造圖1 Sirion 200掃描電鏡外觀照片三、掃描電鏡的基本原理三、掃描電鏡的基本原理電子槍的熱陰極或場(chǎng)發(fā)射陰極發(fā)出的電子受陽(yáng)極電壓（1-50kV）加熱并形成筆尖狀電子束。經(jīng)過(guò)二或三個(gè)（電）磁透鏡的作用，在樣品表面會(huì)聚成一個(gè)直徑可小至10-100 的細(xì)束，攜帶束流量為10-1010-12A。在末透鏡上部的掃描線圈作用下，細(xì)電子束在樣品表面作光柵狀掃描，即從左上方向右上方掃，掃完一行再掃其下相鄰的第二行，直到掃完一幅（或幀）。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)。二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造圖2 掃描電子顯微鏡構(gòu)造示意圖(a)系統(tǒng)方框圖有較高的放大倍數(shù)，20-20萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深

20、，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；試樣制備簡(jiǎn)單。目前的掃描電鏡都配有X射線能譜儀裝置，這樣可以同時(shí)進(jìn)行顯微組織性貌的觀察和微區(qū)成分分析。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)包括:n電子槍n電磁聚光鏡n掃描線圈n光闌組件二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造n電子槍 為了獲得較高的信號(hào)強(qiáng)度和掃描像，由電子槍發(fā)射的掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。一類是利用場(chǎng)致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱為場(chǎng)致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬(wàn)美元以上，且需要小于10-10torr的極高真空。但它具有至少1000小時(shí)以上的壽命，且不需要電

21、磁透鏡系統(tǒng)。另一類則是利用熱發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30100小時(shí)之間，價(jià)格便宜，但成像不如其他兩種明亮，常作為廉價(jià)或標(biāo)準(zhǔn)SEM配置。六硼化鑭槍壽命介于場(chǎng)致發(fā)射電子槍與鎢槍之間，為2001000小時(shí)，價(jià)格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮510倍，需要略高于鎢槍的真空，一般在10-7torr以上；但比鎢槍容易產(chǎn)生過(guò)度飽和和熱激發(fā)問(wèn)題。二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造表1 幾種類型電子槍性能比較二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造n電磁聚光鏡 其功能是把電子槍的束斑逐級(jí)聚焦縮小，因照射到樣品上的電子束光斑越小，其分辨率就愈高。掃描電鏡通常都有三個(gè)聚光鏡，前兩個(gè)是強(qiáng)透鏡

22、，縮小束斑，第三個(gè)透鏡是弱透鏡，焦距長(zhǎng)，便于在樣品室和聚光鏡之間裝入各種信號(hào)探測(cè)器。為了降低電子束的發(fā)散程度，每級(jí)聚光鏡都裝有光闌。為了消除像散，裝有消像散器。二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造n掃描線圈其作用是使電子束偏轉(zhuǎn)，并在樣品表面作有規(guī)則的掃動(dòng)，電子束在樣品上的掃描動(dòng)作和在顯像管上的掃描動(dòng)作由同一掃描發(fā)生器控制,保持嚴(yán)格同步。當(dāng)電子束進(jìn)入偏轉(zhuǎn)線圈時(shí)，方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使它的方向發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折,再通過(guò)末級(jí)透鏡的光心射到樣品表面。在上下偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，在樣品表面掃描出方形區(qū)域，相應(yīng)地在樣品上也畫(huà)出一副比例圖像。二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)包括：n

23、支撐部分n樣品室樣品室中有樣品臺(tái)和信號(hào)探測(cè)器，樣品臺(tái)除了能夾持一定尺寸的樣品，還能使樣品作平移、傾斜、轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，同時(shí)樣品還可在樣品臺(tái)上加熱、冷卻和進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)（如拉伸和疲勞）。二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造n真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)如果真空度不足，除樣品被嚴(yán)重污染外，還會(huì)出現(xiàn)燈絲壽命下降，極間放電等問(wèn)題。樣品室的真空一般不得低于110-5Pa，它由機(jī)械真空泵和分子泵來(lái)實(shí)現(xiàn)；電鏡鏡筒和燈絲室的真空不得低于410-7Pa，它由離子泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、掃描電鏡的構(gòu)造二、掃描電鏡的構(gòu)造n信號(hào)的收集、處理和顯示系統(tǒng)信號(hào)的收集、處理和顯示系統(tǒng)樣品在入射電子束作用下會(huì)產(chǎn)生各種物理信號(hào)，有二次電子、背散射電子、

24、特征X射線、陰極熒光和透射電子。不同的物理信號(hào)要用不同類型的檢測(cè)系統(tǒng)。它大致可分為三大類，即電子檢測(cè)器、陰極熒光檢測(cè)器和X射線檢測(cè)器。(掃描電鏡掃描電鏡SEM) 實(shí)例實(shí)例 1 掃描電子顯微鏡（掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維電極材料的表面特點(diǎn)）觀察纖維電極材料的表面特點(diǎn)(掃描電鏡掃描電鏡SEM) 實(shí)例實(shí)例 3(SEM透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 14. 透射電鏡透射電鏡TEM透射電鏡透射電鏡TEM實(shí)物實(shí)物掃描電鏡只能觀察物質(zhì)表面的微觀形貌，它無(wú)法獲得物質(zhì)內(nèi)部的信息。而透射電鏡由于入射電子透射試樣后，將與試樣內(nèi)部原子發(fā)生相互作用，從而改變其能量及運(yùn)動(dòng)方向。顯然，不同結(jié)構(gòu)有不同的相互作用。這

25、樣，就可以根據(jù)透射電子圖象所獲得的信息來(lái)了解試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。由于試樣結(jié)構(gòu)和相互作用的復(fù)雜性，因此所獲得的圖象也很復(fù)雜。它不象表面形貌那樣直觀、易懂。在放大倍數(shù)較低的時(shí)候，TEM成像的對(duì)比度主要是由于材料不同的厚度和成分造成對(duì)電子的吸收不同而造成的。而當(dāng)放大率倍數(shù)較高的時(shí)候，復(fù)雜的波動(dòng)作用會(huì)造成成像的亮度的不同，因此需要專業(yè)知識(shí)來(lái)對(duì)所得到的像進(jìn)行分析。通過(guò)使用TEM不同的模式，可以通過(guò)物質(zhì)的化學(xué)特性、晶體方向、電子結(jié)構(gòu)、樣品造成的電子相移以及通常的對(duì)電子吸收對(duì)樣品成像。 透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電鏡的結(jié)構(gòu)TEM主要由主要由電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供電控制系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和供電控制系統(tǒng)三三大部

26、分組成。大部分組成。(1)(1)電子光學(xué)系統(tǒng)又稱鏡筒，是電子顯微鏡的主體電子光學(xué)系統(tǒng)又稱鏡筒，是電子顯微鏡的主體。主要。主要框架結(jié)構(gòu)由照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)、圖像觀察和記框架結(jié)構(gòu)由照明系統(tǒng)、樣品室、成像系統(tǒng)、圖像觀察和記錄系統(tǒng)組成。錄系統(tǒng)組成。(2)(2)真空系統(tǒng)是為了保證電子在整個(gè)狹長(zhǎng)的通道中不與空真空系統(tǒng)是為了保證電子在整個(gè)狹長(zhǎng)的通道中不與空氣分子碰撞而改變?cè)械能壽E而設(shè)計(jì)的。因此氣分子碰撞而改變?cè)械能壽E而設(shè)計(jì)的。因此所有裝置必所有裝置必須在真空系統(tǒng)中須在真空系統(tǒng)中，一般真空度為一般真空度為102104Pa?？刹捎谩？刹捎脵C(jī)械泵，油擴(kuò)散泵，分子泵等來(lái)實(shí)現(xiàn)，目的：延長(zhǎng)電子槍機(jī)械泵，油擴(kuò)

27、散泵，分子泵等來(lái)實(shí)現(xiàn)，目的：延長(zhǎng)電子槍的壽命，增加電子的自由程，減少電子與殘余氣體分子碰的壽命，增加電子的自由程，減少電子與殘余氣體分子碰撞所引起的散射以及減少樣品污染撞所引起的散射以及減少樣品污染透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電鏡的結(jié)構(gòu)(3)(3)供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)則是為提供穩(wěn)定加速電壓和電磁透鏡電流則是為提供穩(wěn)定加速電壓和電磁透鏡電流而設(shè)計(jì)的。而設(shè)計(jì)的。l 照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。照明系統(tǒng)主要由電子槍和聚光鏡組成。 電子顯微鏡對(duì)電子槍的要求是電子顯微鏡對(duì)電子槍的要求是：能夠提供足夠數(shù)目的電子，：能夠提供足夠數(shù)目的電子，發(fā)射電子越多，成像越亮；發(fā)射電子的區(qū)域要小，電子束越細(xì)，發(fā)射電子越多，成像越

28、亮；發(fā)射電子的區(qū)域要小，電子束越細(xì)，分辨本領(lǐng)越好；電子速度要大，動(dòng)能越大，成像越亮。普通熱分辨本領(lǐng)越好；電子速度要大，動(dòng)能越大，成像越亮。普通熱陰極電子槍主要由發(fā)夾式鎢絲組成，當(dāng)加熱到高溫時(shí)，鎢絲發(fā)陰極電子槍主要由發(fā)夾式鎢絲組成，當(dāng)加熱到高溫時(shí)，鎢絲發(fā)射出電子。射出電子。 聚光鏡聚光鏡主要可以起到增強(qiáng)電子束密度和將一次發(fā)射電子匯聚主要可以起到增強(qiáng)電子束密度和將一次發(fā)射電子匯聚起來(lái)的功能。起來(lái)的功能。透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電鏡的結(jié)構(gòu)透射電鏡的放大倍數(shù)透射電鏡的放大倍數(shù)總放大倍數(shù)總放大倍數(shù)M總總M物物M中中M投投物鏡成像是分辨率的決定因素物鏡成像是分辨率的決定因素 物鏡放大倍率，在物鏡放大倍率，在50

29、-100范圍；范圍；中間鏡放大倍率，數(shù)值在中間鏡放大倍率，數(shù)值在0-20范圍；范圍；投影鏡放大倍率，數(shù)值在投影鏡放大倍率，數(shù)值在100-150范圍范圍總放大倍率在總放大倍率在1000-200,000倍內(nèi)倍內(nèi)透射電鏡的樣品制備透射電鏡的樣品制備 透射電子顯微鏡利用穿透樣品的電子束成像，這就要透射電子顯微鏡利用穿透樣品的電子束成像，這就要求求被觀察的樣品對(duì)入射電子束是被觀察的樣品對(duì)入射電子束是“透明透明”的。的。電子束穿透固體樣品的能力電子束穿透固體樣品的能力主要取決于加速電壓和樣品的主要取決于加速電壓和樣品的物質(zhì)原子序數(shù)。物質(zhì)原子序數(shù)。 一般來(lái)說(shuō)，加速電壓越高，樣品原子序數(shù)越低，電一般來(lái)說(shuō)，加速

30、電壓越高，樣品原子序數(shù)越低，電子束可以穿透樣品的厚度就越大。子束可以穿透樣品的厚度就越大。 對(duì)于對(duì)于塊體樣品塊體樣品表面復(fù)型技術(shù)和樣品減薄技術(shù)表面復(fù)型技術(shù)和樣品減薄技術(shù)是制備的是制備的主要方法。主要方法。 對(duì)于對(duì)于粉體樣品粉體樣品，可以，可以采用超聲波分散的方法采用超聲波分散的方法制備樣品。制備樣品。 對(duì)于對(duì)于液體樣品或分散樣品液體樣品或分散樣品可以可以直接滴加在直接滴加在Cu網(wǎng)上網(wǎng)上；透射電鏡的樣品制備透射電鏡的樣品制備制備復(fù)型的材料特點(diǎn)制備復(fù)型的材料特點(diǎn) 本身必須是本身必須是“無(wú)結(jié)構(gòu)無(wú)結(jié)構(gòu)”的（或的（或“非晶體非晶體”的），的），也就是說(shuō)，也就是說(shuō)，為了不干擾對(duì)復(fù)制表面形貌的觀察，要求復(fù)型

31、材料即使在高為了不干擾對(duì)復(fù)制表面形貌的觀察，要求復(fù)型材料即使在高倍（如十萬(wàn)倍）成像時(shí)，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。倍（如十萬(wàn)倍）成像時(shí)，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。 必須對(duì)電子束足夠透明必須對(duì)電子束足夠透明（物質(zhì)原子序數(shù)低）；（物質(zhì)原子序數(shù)低）； 必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在復(fù)制過(guò)程中不致破裂或畸變；在復(fù)制過(guò)程中不致破裂或畸變； 必須具有良好的導(dǎo)電性，耐電子束轟擊；必須具有良好的導(dǎo)電性，耐電子束轟擊； 最好是分子尺寸較小的物質(zhì)最好是分子尺寸較小的物質(zhì)-分辨率較高。分辨率較高。 減薄樣品減薄樣品 復(fù)型技術(shù)只能對(duì)樣品表面性貌進(jìn)行復(fù)制，不能揭示晶體內(nèi)復(fù)型技術(shù)只能對(duì)樣品表

32、面性貌進(jìn)行復(fù)制，不能揭示晶體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)信息，受復(fù)型材料本身尺寸的限制，電鏡的高部組織結(jié)構(gòu)信息，受復(fù)型材料本身尺寸的限制，電鏡的高分辨率本領(lǐng)不能得到充分發(fā)揮，萃取復(fù)型雖然能對(duì)萃取物分辨率本領(lǐng)不能得到充分發(fā)揮，萃取復(fù)型雖然能對(duì)萃取物相作結(jié)構(gòu)分析，但對(duì)基體組織仍是表面性貌的復(fù)制。相作結(jié)構(gòu)分析，但對(duì)基體組織仍是表面性貌的復(fù)制。 在這種情況下，樣品減薄技術(shù)具有許多特點(diǎn)，特別是金屬薄在這種情況下，樣品減薄技術(shù)具有許多特點(diǎn)，特別是金屬薄膜樣品膜樣品 也適合薄膜樣品的制備；也適合薄膜樣品的制備；對(duì)于薄膜樣品還可以采用薄膜與基底材料剝離的方法制備樣對(duì)于薄膜樣品還可以采用薄膜與基底材料剝離的方法制備樣品；如在品

33、；如在NaCl基底上沉積樣品等；基底上沉積樣品等；減薄的特點(diǎn)減薄的特點(diǎn)1、可以最有效地發(fā)揮電鏡的高分辨率本領(lǐng)；、可以最有效地發(fā)揮電鏡的高分辨率本領(lǐng)； 2、能夠觀察金屬及其合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，并、能夠觀察金屬及其合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和晶體缺陷，并能對(duì)同一微區(qū)進(jìn)行衍襯成像及電子衍射研究，把性貌能對(duì)同一微區(qū)進(jìn)行衍襯成像及電子衍射研究，把性貌信息于結(jié)構(gòu)信息聯(lián)系起來(lái)；信息于結(jié)構(gòu)信息聯(lián)系起來(lái)； 3、能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的生核長(zhǎng)大、能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察，研究在變溫情況下相變的生核長(zhǎng)大過(guò)程，以及位錯(cuò)等晶體缺陷在引力下的運(yùn)動(dòng)與交互作用。過(guò)程，以及位錯(cuò)等晶體缺陷在引力下的運(yùn)動(dòng)與交互作用。 薄膜的制備

34、薄膜的制備 要求對(duì)電子束透明，樣品制備過(guò)程不影響其原有的結(jié)構(gòu)，要求對(duì)電子束透明，樣品制備過(guò)程不影響其原有的結(jié)構(gòu)，樣品不能太厚，應(yīng)該盡量減少非彈性散射所造成的影響。樣品不能太厚，應(yīng)該盡量減少非彈性散射所造成的影響。如色差，襯度的降低等。如色差，襯度的降低等。 一般可采用線切割到一般可采用線切割到0.20-0.30mm，然后機(jī)械研磨到，然后機(jī)械研磨到100微米，再經(jīng)化學(xué)拋光到微米，再經(jīng)化學(xué)拋光到100微米，最后可用離子束減微米，最后可用離子束減薄到合適厚度。薄到合適厚度。 (透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 2(透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 3(透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 4(透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 5Nickel Hydroxide Nanoribbons(透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 6Nickel Hydroxide Nanoribbons(透射電鏡透射電鏡TEM) 實(shí)例實(shí)例 7Nickel Hydroxide Nano particle